Tokamak divertor design for next-step fusion reactors heavily relies on numerical simulations of the plasma edge. Currently, the design process is mainly done in a forward approach, where the designer is strongly guided by his experience and physical intuition in proposing divertor shapes, which are then thoroughly assessed by numerical computations. On the other hand, automated design methods based on optimization have proven very successful in the related field of aerodynamic design. By recasting design objectives and constraints into the framework of a mathematical optimization problem, efficient forward-adjoint based algorithms can be used to automatically compute the divertor shape which performs the best with respect to the selected edge plasma model and design criteria. In the past years, we have extended these methods to automated divertor target shape design, using somewhat simplified edge plasma models and geometries. In this paper, we build on and extend previous work to apply these shape optimization methods for the first time in more realistic, single null edge plasma and divertor geometry, as commonly used in current divertor design studies. In a case study with JET-like parameters, we show that the so-called one-shot method is very effective is solving divertor target design problems. Furthermore, by detailed shape sensitivity analysis we demonstrate that the development of the method already at the present state provides physically plausible trends, allowing to achieve a divertor design with an almost perfectly uniform power load for our particular choice of edge plasma model and design criteria.
トカマク・ダイバータ設計は、次世代核融合装置において数値シミュレーションに大きく依存している。現在、設計プロセスは主に順問題アプローチで行われており、設計者は経験と物理的直感に強く導かれてダイバータ形状を提案し、その後、数値計算によって徹底的に評価される。一方、最適化に基づく自動設計手法は、空力設計の関連分野において非常に成功していることが実証されている。設計目標と制約条件を数学的最適化問題の枠組みに再構成することにより、効率的な順随伴アルゴリズムを用いて、選択した境界プラズマモデルと設計基準に対して最適な性能を発揮するダイバータ形状を自動的に計算することができる。過去数年にわたり、我々はこれらの手法を、簡略化された境界プラズマモデルと幾何形状を用いた自動ダイバータ・ターゲット形状設計に拡張してきた。本論文では、従来の研究を基礎として発展させ、現在のダイバータ設計研究で一般的に使用されている、より現実的なシングルヌル境界プラズマおよびダイバータ幾何形状に、これらの形状最適化手法を初めて適用する。JET類似パラメータを用いたケーススタディにおいて、ワンショット法がダイバータ・ターゲット設計問題の解決に非常に有効であることを示す。さらに、詳細な形状感度解析により、本手法の現段階での発展が物理的に妥当な傾向を提供し、選択した境界プラズマモデルと設計基準に対して、ほぼ完全に均一なパワー負荷を実現するダイバータ設計を可能にすることを実証する。