A helical coil designed to passively generate non-axisymmetric fields during a plasma disruption is shown (via electromagnetic analysis, linear MHD modeling, and relativistic drift orbit tracing) to be effective at deconfining runaway electrons (REs) on a time scale significantly faster than the plasma current quench. Magnetic equilibria from DIII-D RE-producing scenarios are used to calculate the toroidal electric field generated during the current quench phase of a disruption, which in turn drives current in the proposed n = 1 in-vessel helical coil, without the need for any external power supplies or disruption detection or prediction techniques. Simulations of the plasma evolution using the TokSys GS Evolve code predict the inductive coupling of coil currents up to 12% of the pre-disruption plasma current into the helical coil. The coil geometry is parametrically varied to maximize both the non-resonant and resonant components of the 3D magnetic perturbation, resulting in δB/B ≈ 10−2 and a vacuum island overlap width of up to 0.7ψN. The REORBIT module of the MARS-F code is used to model the full non-axisymmetric magnetic field and trace RE drift orbits to determine the effect on RE deconfinement, with up to 70% of the RE orbits lost after 0.2 ms. A two-stage evolution of the RE orbit loss fraction is observed to be caused by resonant trapping between multiple magnetic island chains. Finally, electromagnetic and thermal stresses on the coil are calculated to be within operational limits for installation in DIII-D, and scale favorably to a reactor-size device. These findings motivate future experimental study of the helical coil concept in DIII-D or other tokamaks.
プラズマ崩壊中に非軸対称磁場を受動的に生成するように設計されたヘリカルコイルは、電磁解析、線形MHDモデリング、および相対論的ドリフト軌道追跡により、プラズマ電流クエンチよりも有意に速い時間スケールで逃走電子（RE）を閉じ込めから解放するのに有効であることが示されている。DIII-DのRE生成シナリオからの磁気平衡を用いて、崩壊の電流クエンチ相中に生成されるトロイダル電場を計算し、その電場が提案されたn=1の真空容器内ヘリカルコイルに電流を駆動する。外部電源や崩壊検出・予測技術は不要である。TokSys GS Evolveコードを用いたプラズマ進化のシミュレーションにより、ヘリカルコイルへの誘導結合電流が崩壊前プラズマ電流の最大12%に達すると予測される。コイル形状をパラメトリックに変化させて3D磁場摂動の非共鳴成分と共鳴成分の両方を最大化した結果、δB/B ≈ 10−2、真空島重複幅は最大0.7ψNに達する。MARS-FコードのREORBITモジュールを用いて完全な非軸対称磁場をモデル化し、REドリフト軌道を追跡してRE閉じ込め解放への影響を評価したところ、0.2ms後にはRE軌道の最大70%が失われる。RE軌道損失割合の2段階進化は、複数の磁気島鎖間の共鳴捕捉によって引き起こされることが観測された。最後に、コイルに作用する電磁応力と熱応力は、DIII-Dへの設置に対する運転限界内であることが計算され、炉規模装置へも好適にスケーリングされる。これらの知見は、DIII-Dやその他のトカマクにおけるヘリカルコイル概念の今後の実験的研究を動機づけるものである。