This study introduces a novel divertor target design scheme for stellarators, grounded in mathematical treatments and tailored to control of toroidal heat load distributions. Initially, a differential equation characterizing toroidally uniform heat load distribution has been formulated in a two-dimensional (2D) slab configuration, and its analytic solution has been obtained. Subsequently, a numerical scheme has been developed to adapt the analytic solution into the 3D surface shape of stellarator target. The effectiveness of this design scheme has been validated through simulations of the Chinese First Quasi-axisymmetric Stellarator (CFQS) using a suite of codes including HINT, FLARE and EMC3-EIRENE, where a toroidally uniform heat load distribution has been achieved with an island configuration. Further, the effects of input parameters on the target shape and heat load distribution have been studied. The robustness of the designed target has been investigated by simulation results with varying magnetic island configurations, confirming that the toroidal uniformity of heat load distribution is insensitive to changes in island configurations. Moreover, the designed target has been assessed with gas puffing of neon, which shows that neon injections effectively reduce the heat loads without altering the toroidal uniformity of heat load distributions. The proposed scheme highlights the importance of theoretical and mathematical foundations of target design, offering an advantageous alternative/complement to traditional schemes.
本研究は、数学的処理に基づき、トロイダル熱負荷分布の制御に適合した、ステラレータ用の新しいダイバータターゲット設計手法を紹介する。最初に、トロイダル方向に一様な熱負荷分布を特徴付ける微分方程式が二次元（2D）スラブ配置において定式化され、その解析解が得られた。続いて、解析解をステラレータターゲットの3次元表面形状に適用するための数値的手法が開発された。この設計手法の有効性は、HINT、FLARE、EMC3-EIRENEを含む一連のコードを用いた中国初の準軸対称ステラレータ（CFQS）のシミュレーションを通じて検証され、アイランド配位によりトロイダル方向に一様な熱負荷分布が達成された。さらに、ターゲット形状と熱負荷分布に対する入力パラメータの影響が調査された。設計されたターゲットのロバスト性は、異なる磁気アイランド配位を用いたシミュレーション結果によって調査され、熱負荷分布のトロイダル方向の一様性がアイランド配位の変化に影響を受けないことが確認された。さらに、設計されたターゲットはネオンガス入射を用いて評価され、ネオン入射が熱負荷分布のトロイダル方向の一様性を変えることなく熱負荷を効果的に低減することが示された。提案された手法は、ターゲット設計における理論的および数学的基礎の重要性を強調し、従来の手法に対する有利な代替/補完を提供する。