In this work three techniques that refine the magnetic reconstruction of the mega-ampere spherical tokamak (MAST) equilibrium are detailed: kinetic reconstruction, in which the thermal pressure profile is fitted to thermal electron and ion data; bootstrap (BS) reconstruction, in which the edge current profile is modified to be self-consistent with the BS fraction (in the limit that edge current is BS dominated); and fast-particle reconstruction, in which an effective fast-ion pressure component is added, representing ions driven by charge exchange of the thermal ions with injected neutrals. Kinetic reconstructions for some high performance shots suggest normalized beta, βn, up to 4.95 and BS fractions up to 30%, with internal inductance li ≈ 1 and pressure peaking factor p(0)/⟨p⟩ ≈ 2.2. Full-orbit simulations suggest that up to 25% of the total stored energy in these high performance discharges is in the fast-ion population: addition of effective fast-particle pressures boosts βn to 5.56. Ideal MHD pressure driven stability thresholds of n = 1, 2 and ∞ displacements are examined for kinetic and BS reconstructions of four high βn MAST discharges. Based on kinetic reconstructions it is found that the no-wall instability threshold to external n = 1 displacements is βn ≈ 5−6, and the with-wall βn limit 10% higher than the no-wall limit. In comparison, the n = 1 no-wall instability threshold based on BS reconstructions is slightly below (≈95%) that determined using kinetic reconstructions. Comparison to the MAST database suggests that MAST is approaching a regime in which passive stabilization is required to prevent ideal disruptions at higher βn. Finally, vertical stability of an earlier set of MAST discharges is also examined, an estimate of the MAST effective wall for n = 0 modes provided, and the wall radius for marginal stability parameterized as a function of li and κ. Together, these provide a measure of proximity to marginal stability.
本研究では、メガアンペア級球状トカマク（MAST）の平衡の磁気再構成を精密化する3つの手法を詳述する。すなわち、熱圧力分布を熱電子・イオンデータにフィッティングする運動論的再構成、エッジ電流分布がBS割合と自己無撞着になるように修正されるブートストラップ（BS）再構成（エッジ電流がBS支配となる極限）、および熱イオンと入射中性粒子との電荷交換によって駆動されるイオンを表す実効的高速イオン圧力成分を追加する高速粒子再構成である。いくつかの高性能ショットに対する運動論的再構成は、規格化ベータβnが最大4.95、BS割合が最大30%であることを示唆しており、内部インダクタンスli ≈ 1、圧力ピーキング因子p(0)/⟨p⟩ ≈ 2.2である。フルオービットシミュレーションは、これらの高性能放電における全蓄積エネルギーの最大25%が高速粒子集団にあることを示唆している。実効的高速粒子圧力の追加により、βnは5.56に上昇する。4つの高βn MAST放電の運動論的およびBS再構成について、n = 1、2、∞の変位に対する理想MHD圧力駆動安定性閾値を調べた。運動論的再構成に基づくと、外部n = 1変位に対する無壁不安定性閾値はβn ≈ 5−6であり、有壁βn限界は無壁限界より10%高いことが見出された。比較すると、BS再構成に基づくn = 1無壁不安定性閾値は、運動論的再構成を用いて決定された値よりわずかに低い（≈95%）。MASTデータベースとの比較は、MASTがより高いβnでの理想ディスラプションを防ぐために受動的安定化が必要となる領域に近づいていることを示唆している。最後に、以前のMAST放電群の垂直安定性も調べられ、n = 0モードに対するMAST実効壁の推定が提供され、限界安定性のための壁半径がliとκの関数としてパラメータ化される。これらを合わせると、限界安定性への近接度の尺度が得られる。