Coupling a high-performance core to a low heat flux divertor is a crucial step for ITER and a Fusion Pilot Plant or DEMO. Experiments in DIII-D recently expanded the steady-state hybrid scenario to high density and divertor impurity injection to study the feasibility of a radiating mantle solution. This work presents the physics basis for trade-offs between density, current drive and stability to tearing modes (TMs) at high β. EC power is crucial to tailor the plasma profiles into a passively stable state, and to eject impurities from the core. Off-axis EC depositions decrease the heating efficiency, but calculated electron heat transport coefficients show that this effect is partially mitigated by improved confinement inside the EC deposition. Additionally, the reduction in pressure is recovered by increasing the density. This favourable scaling of confinement with density was observed in high power plasmas for years, and this work provides a comprehensive explanation. ELITE predictions indicate that a path in peeling-ballooning stability opens up for certain conditions of density, power, q95 and shaping, allowing the edge pressure to continue increasing without encountering a limit. In the core, calculated anomalous fast-ion diffusion coefficients are consistent with density fluctuation measurements in the toroidicity-induced Alfvén eigenmode range, showing that smaller fast-ion losses contribute to the enhanced confinement at high density. The edge integration study shows that divertor heat loads can be reduced with Ne and Ar injection, but this eventually triggers a cascade of n = 1, 2, 3 core TMs. We can now show that impurity radiation in the core is small and it is not the cause for the drop in confinement at high Ar and Ne injection rates. The overlap between the core TMs is consistent with the loss of pressure as estimated by the Belt model for the coupled rational surfaces. Optimization of these trade-offs has achieved plasmas with sustained H98y2 = 1.7, fGW = 0.7 and ∼85% mantle radiation. The scenario and its variations at higher density and on- vs off-axis EC heating has been studied as a candidate for an integrated solution for several reactor designs, such as ITER, ARC, and the ARIES-ACT1 case, showing promising results in terms of fusion power and gain.
高性能コアを低熱流束ダイバータに結合することは、ITERおよび核融合パイロットプラントまたはDEMOにとって重要なステップである。DIII-Dでの実験は最近、定常ハイブリッドシナリオを高密度およびダイバータ不純物注入に拡張し、放射マントル解の実現可能性を研究した。本研究は、高βにおける密度、電流駆動、およびティアリングモード(TM)に対する安定性の間のトレードオフの物理的基礎を示す。ECパワーは、プラズマ分布を受動的に安定な状態に調整し、コアから不純物を排出するために重要である。オフアクシスEC堆積は加熱効率を低下させるが、計算された電子熱輸送係数は、この効果がEC堆積内部の閉じ込め改善によって部分的に緩和されることを示す。さらに、圧力の低下は密度を増加させることで回復される。この密度に対する閉じ込めの好ましいスケーリングは、長年にわたり高パワープラズマで観察されており、本研究は包括的な説明を提供する。ELITE予測は、密度、パワー、q95、および形状の特定の条件下でペーリング・バルーニング安定性の経路が開かれ、エッジ圧力が限界に遭遇することなく増加し続けることを可能にすることを示す。コアでは、計算された異常高速イオン拡散係数は、トロイダル性誘起アルフヴェン固有モード領域における密度揺動測定と一致し、より小さい高速イオン損失が高密度での閉じ込め向上に寄与することを示している。エッジ統合研究は、ダイバータ熱負荷がNeおよびAr注入によって低減できるが、これは最終的にn = 1, 2, 3のコアTMのカスケードを引き起こすことを示す。現在、コア内の不純物放射は小さく、高ArおよびNe注入率での閉じ込め低下の原因ではないことを示すことができる。コアTM間の重複は、結合された有理面に対するBeltモデルによって推定される圧力損失と一致する。これらのトレードオフの最適化により、H98y2 = 1.7、fGW = 0.7、および∼85%のマントル放射を維持するプラズマが達成された。このシナリオおよびその高密度での変形とオン軸対オフ軸EC加熱の変形は、ITER、ARC、ARIES-ACT1ケースなどのいくつかの炉設計の統合解の候補として研究されており、核融合出力と利得の点で有望な結果を示している。