Recent progress in 3D tokamak modeling is now leveraged to create a conceptual design of new external 3D field coils for the DIII-D tokamak. In this work generalized perturbed equilibrium code is used to determine optimally efficient spectrum for driving total, core, and edge neoclassical toroidal viscosity torque. These fundamental modes of 3D control are shown to have consistent outboard structures across a wide variety of plasma scenarios and machines. Given these target spectra, the currents and 3D geometry of multiple coils can be optimized to increase efficient drive for the physics of interest without undesired secondary effects. Here, this nonlinear optimization is demonstrated using the flexible optimized coils using space-curves code. The optimized coils are individually distorted in space, creating toroidal 'arrays' containing a variety of shapes that often wrap around a significant poloidal extent of the machine. Importantly, efficient coupling can be maintained even when enforcing large distances between coils and the plasma during the geometric optimization of coil designs. The physics-driven optimization presented here thus provides a practical path to utilizing coils built on the exterior of the vacuum chamber in future reactors to obtain the powerful 3D field benefits demonstrated on current machines with close, internal coils.
近年の3次元トカマクモデリングの進展を活用し、DIII-Dトカマク用の新しい外部3次元磁場コイルの概念設計を行った。本研究では、一般化摂動平衡コードを用いて、全体的、コア部、およびエッジ部の新古典トロイダル粘性を駆動するための最適なスペクトルを決定した。これらの3次元制御の基本モードは、多様なプラズマシナリオおよび装置にわたって一貫した外部構造を持つことが示された。これらの目標スペクトルを踏まえ、複数コイルの電流と3次元形状を最適化することで、望ましくない二次的効果を伴わずに、対象とする物理現象の駆動効率を向上させることができる。ここでは、空間曲線を用いた柔軟なコイル最適化コードを用いて、この非線形最適化を実証した。最適化されたコイルは個々に空間内で変形され、しばしば装置のポロイダル方向のかなりの範囲を取り巻く多様な形状を含むトロイダル「アレイ」を形成する。重要なことに、コイル最適化の際にコイルとプラズマ間の距離を大きく保つ場合でも、効率的な結合を維持できることが示された。ここで提示された物理駆動型最適化は、将来の炉において真空容器外部に設置されるコイルを利用し、現在の装置で内部コイルを用いて実証された強力な3次元磁場の利点を得るための実用的な道筋を提供する。