This work examines H-mode and I-mode access on the SPARC tokamak, combining new simulations of core L-mode power balance with the best empirical scalings available for L–H and L–I thresholds. Scalings applied to SPARC for the first time include a novel projection of I-mode access based on critical edge ion heat flux and a new scaling for H-mode access derived from a database of metal-wall tokamaks. Doing this informs the prospects of the device to access these regimes for a given set of operational parameters, or potentially to avoid them altogether. SPARC will seek to access high fusion energy gain Q in a compact (R = 1.85 m, a = 0.57 m) high field (reference T) device fueled by DT, with a performance level that is highly sensitive to the plasma edge temperature obtained, and thus to the confinement regime in which it operates. While an H-mode pedestal provides the highest feasible edge pressure and is the basis of a SPARC reference discharge with , the early operation of SPARC will seek to avoid H-mode formation, and instead opt for obtaining a more modest Q value with reduced edge pressure. L-mode-like discharges have been simulated in the reference SPARC shape at full field parameters and with a range of assumed input auxiliary power, plasma density and temperature at . Using the PORTALS transport solver, multi-channel flux-matched profiles were obtained for a variety of scenarios. Nonlinear CGYRO was used to explore several combinations of input parameters and this database has now been complemented with quasilinear TGLF for a wider exploration of the space. The outputs of these simulations include realistic net power transported through the edge, along with its distribution within the ion and the electron channels. A substantial window for L-mode operation is seen, based on the net power through the edge being generally below typical H-mode or I-mode power threshold projections. Access to H-mode and I-mode at full field operation of SPARC appears likely in DT plasmas, with a potentially larger access window if one assumes that scalings of critical ion heat flux threshold are the appropriate thresholds to consider.
本研究は、SPARCトカマクにおけるHモードおよびIモードへのアクセスを調査するものであり、コアLモードのパワーバランスの新しいシミュレーションと、L–HおよびL–I閾値に関して利用可能な最良の実験的スケーリングを組み合わせる。SPARCに初めて適用されるスケーリングには、臨界周辺イオン熱流束に基づくIモードアクセスの新しい予測と、金属壁トカマクのデータベースから導出されたHモードアクセスの新しいスケーリングが含まれる。これにより、所定の運転パラメータに対してデバイスがこれらの領域にアクセスする見込み、あるいはそれらを完全に回避する可能性が明らかになる。SPARCは、DTで燃料供給されるコンパクト（R = 1.85 m, a = 0.57 m）・高磁場（reference T）装置において、高い核融合エネルギー利得Qを達成しようとするものであり、その性能レベルは得られるプラズマ周辺温度、ひいては運転される閉じ込め領域に極めて敏感である。Hモードペデスタルは実現可能な最高の周辺圧力を提供し、 を伴うSPARC参照放電の基礎となるが、SPARCの初期運転ではHモード形成を回避し、代わりに周辺圧力を低減したより控えめなQ値を得ることを選択する。Lモード類似放電は、参照SPARC形状において全磁場パラメータで、また想定される種々の入力補助電力、プラズマ密度、および における温度の範囲でシミュレーションされた。PORTALS輸送ソルバーを用いて、様々なシナリオに対して多チャンネルフラックス整合プロファイルが得られた。非線形CGYROを用いて入力パラメータのいくつかの組み合わせを探索し、このデータベースは現在、空間のより広範な探索のための準線形TGLFによって補完されている。これらのシミュレーションの出力には、周辺を通して輸送される正味電力と、イオンおよび電子チャンネル内でのその分布が含まれる。周辺を通る正味電力が典型的なHモードまたはIモードのパワー閾値予測を概ね下回ることから、Lモード運転のための十分なウィンドウが見られる。SPARCの全磁場運転におけるHモードおよびIモードへのアクセスはDTプラズマで可能性が高いと思われ、臨界イオン熱流束閾値のスケーリングが考慮すべき適切な閾値であると仮定すれば、アクセスウィンドウはより大きくなる可能性がある。