An important question for the outlook of stellarator reactors is their robustness against pressure driven modes, and the underlying mechanism behind experimentally observed soft β limits. Towards building a robust answer to these questions, simulation studies are presented using a recently derived reduced nonlinear MHD model. First, the initial model implementation is extended to capture fluid compression by including the influence of parallel flows. Linear benchmarks of a (2, 1) tearing mode in W7-AS geometry, and interchange modes in a finite β, net-zero current carrying stellarator with low magnetic shear are then used to demonstrate the modeling capabilities. Finally, a validation study is conducted on experimental reconstructions of finite β W7-AS discharges. In agreement with past experimental analysis, it is shown that (i) the MHD activity is resistive, (ii) a soft β limit is observed, when the plasma resistivity approaches the estimated experimental value, and (iii) low n MHD activity is observed at intermediate β values, particularly a nonlinearly dominant (2, 1) mode. The MHD activity is mild, explaining the soft β limit, because the plasma volume remains separated into distinct sub-volumes in which field lines are ergodically confined. For the assumed transport parameters, the enhanced perpendicular transport along stochastic magnetic field lines can be overcome with the experimental heating power. The limitations in the current modeling are described, alongside an outlook for characterizing the quasi-steady state operational limit in W7-AS and other devices in more detail in future work.
ステラレーター炉の見通しにとって重要な問題は、圧力駆動モードに対する頑健性と、実験的に観測されるソフトβ限界の背後にあるメカニズムである。これらの問いに対する頑健な答えを構築するために、最近導出された縮約非線形MHDモデルを用いたシミュレーション研究を提示する。まず、初期モデルの実装を拡張し、平行流の影響を含めることで流体圧縮を捉えられるようにする。次に、W7-AS形状における(2, 1)ティアリングモード、および低磁気シアを持つ有限β・正味ゼロ電流を流すステラレーターにおけるインターチェンジモードの線形ベンチマークを用いて、モデリング能力を実証する。最後に、有限βのW7-AS放電の実験的再構成に基づく検証研究を実施する。過去の実験解析と一致して、(i) MHD活動は抵抗性であること、(ii) プラズマ抵抗率が推定された実験値に近づくとソフトβ限界が観測されること、(iii) 中間のβ値では低nのMHD活動が観測され、特に(2, 1)モードが非線形的に支配的であることが示される。MHD活動は穏やかであり、ソフトβ限界を説明する。なぜなら、プラズマ体積は、磁力線がエルゴード的に閉じ込められた明確な部分体積に分離されたままであるからである。仮定された輸送パラメータに対して、確率的磁力線に沿った増強された垂直輸送は、実験的加熱電力によって克服できる。現在のモデリングの限界を説明し、今後の研究でW7-ASおよび他の装置における準定常状態運転限界をより詳細に特徴付けるための展望を示す。