The Columbia Stellarator eXperiment (CSX), currently being designed at Columbia University, aims to test theoretical predictions related to QA plasma behavior, and to pioneer the construction of an optimized stellarator using three-dimensional, non-insulated high-temperature superconducting (NI-HTS) coils. The magnetic configuration is generated by a combination of two circular planar poloidal field (PF) coils and two 3D-shaped interlinked (IL) coils, with the possibility to add windowpane coils to enhance shaping and experimental flexibility. The PF coils and vacuum vessel are repurposed from the former Columbia Non-Neutral Torus experiment, while the IL coils will be custom-wound in-house using NI-HTS tapes. To obtain a plasma shape that meets the physics objectives with a limited number of coils, novel single-stage optimization techniques are employed, optimizing both the plasma and coils concurrently, in particular targeting a tight aspect ratio QA plasma and minimized strain on the HTS tape. Despite the increased complexity due to the expanded degrees of freedom, these methods successfully identify optimized plasma geometries that can be realized by coils meeting engineering specifications. This paper discusses the derivation of the constraints and objectives specific to CSX, and describe how two recently developed single-stage optimization methodologies are applied to the design of CSX. A set of selected configurations for CSX is then described in detail.
現在コロンビア大学で設計中のコロンビア・ステラレータ実験（CSX）は、QAプラズマの挙動に関する理論的予測を検証し、三次元の非絶縁高温超電導（NI-HTS）コイルを用いた最適化ステラレータの建設を先導することを目的としている。磁場配位は、2つの円形平面ポロイダル磁場（PF）コイルと2つの三次元形状の連環（IL）コイルの組み合わせによって生成され、形状形成と実験的柔軟性を高めるためにウィンドウペインコイルを追加することも可能である。PFコイルと真空容器は、以前のコロンビア非中性トーラス実験から転用され、一方、ILコイルはNI-HTSテープを用いて所内で特注巻線される予定である。限られた数のコイルで物理目標を満たすプラズマ形状を得るために、プラズマとコイルの両方を同時に最適化する新しい一段階最適化手法が採用されている。特に、低アスペクト比のQAプラズマとHTSテープのひずみの最小化を目標としている。拡張された自由度による複雑性の増大にもかかわらず、これらの手法は、工学的仕様を満たすコイルによって実現可能な最適化されたプラズマ形状を首尾よく特定する。本論文では、CSXに固有の制約条件と目的関数の導出について論じ、最近開発された2つの一段階最適化手法がCSXの設計にどのように適用されるかを説明する。そして、CSX用に選択された一連の配位について詳細に述べる。