The method for reducing a poloidal magnetic flux consumption of external coils is investigated to reduce the size of the central solenoid (CS) in the DEMO reactor. The reduction of the poloidal magnetic flux consumption during a plasma current ramp-up phase by electron cyclotron (EC) heating is investigated using an integrated modeling code suite, TOPICS. A strongly reversed shear q profile tends to be produced if intense off-axis EC heating is applied to obtain a large reduction of the flux consumption. In order to overcome this tendency, we find a method to obtain the optimum temperature profile which minimizes the poloidal flux consumption for a wide range of the q profile. We try to reproduce the optimum temperature profile for a weakly reversed shear q profile using six EC rays of 20 MW. As a result, the resistive flux consumption during the current ramp-up can be reduced by 63% from the estimation using the Ejima constant of 0.45 and the total flux consumption can be reduced by 20% from the conventional estimation. In addition, we find that the resistive flux consumption is closely related to the volume averaged electron temperature and not to the profile shape. Using this relation, the required heating power is estimated to be 31 MW based on a well established global confinement scaling, ITER L-89P. As a result, it is clarified that the poloidal magnetic flux consumption can be reduced by 20% using 20–31 MW of EC heating for a weakly reversed shear q profile. This reduction of the flux consumption accounts for 10% reduction of the CS radius.
核融合DEMO炉における中心ソレノイド(CS)の小型化を目的として、外部コイルのポロイダル磁束消費を低減する手法について検討した。統合モデリングコードスイートTOPICSを用いて、電子サイクロトロン(EC)加熱によるプラズマ電流立ち上げ時のポロイダル磁束消費の低減を調べた。磁束消費の大幅な低減を得るために強力なオフセンターEC加熱を適用すると、逆磁気シアを強く持つq分布が形成される傾向がある。この傾向を克服するため、q分布の広い範囲に対してポロイダル磁束消費を最小化する最適な温度分布を得る手法を見出した。弱い逆転シアのq分布に対して、20MWの6本のECビームを用いて最適温度分布の再現を試みた。その結果、電流立ち上げ中の抵抗性磁束消費は、江島定数0.45を用いた推定値から63%低減でき、全磁束消費は従来の推定値から20%低減できることがわかった。さらに、抵抗性磁束消費は、分布形状ではなく体積平均電子温度と密接に関係していることを見出した。この関係を用いて、確立された閉じ込めの大局則であるITER L-89Pに基づき、必要な加熱パワーは31MWと見積もられる。その結果、弱い逆転シアのq分布に対して、20〜31MWのEC加熱を用いることで、ポロイダル磁束消費を20%低減できることが明らかになった。この磁束消費の低減は、CS半径の10%の低減に相当する。