The design of an experimental thermonuclear reactor requires both cutting-edge technology and physics predictions precise enough to carry forward the design. The past few years of worldwide physics studies have seen great progress in understanding, innovation and integration. We will discuss this progress and the remaining issues in several key physics areas. (1) Transport and plasma confinement. A worldwide database has led to an `empirical scaling law' for tokamaks which predicts adequate confinement for the ITER fusion mission, albeit with considerable but acceptable uncertainty. The ongoing revolution in computer capabilities has given rise to new gyrofluid and gyrokinetic simulations of microphysics which may be expected in the near future to attain predictive accuracy. Important databases on H-mode characteristics and helium retention have also been assembled. (2) Divertors, heat removal and fuelling. A novel concept for heat removal - the radiative, baffled, partially detached divertor - has been designed for ITER. Extensive two-dimensional (2D) calculations have been performed and agree qualitatively with recent experiments. Preliminary studies of the interaction of this configuration with core confinement are encouraging and the success of inside pellet launch provides an attractive alternative fuelling method. (3) Macrostability. The ITER mission can be accomplished well within ideal magnetohydrodynamic (MHD) stability limits, except for internal kink modes. Comparisons with JET, as well as a theoretical model including kinetic effects, predict such sawteeth will be benign in ITER. Alternative scenarios involving delayed current penetration or off-axis current drive may be employed if required. The recent discovery of neoclassical beta limits well below ideal MHD limits poses a threat to performance. Extrapolation to reactor scale is as yet unclear. In theory such modes are controllable by current drive profile control or feedback and experiments should be forthcoming soon. Recent results on JET and TFTR have confirmed qualitative understanding of alpha particle driven toroidal Alfvén eigenmodes (TAEs). Present predictions for TAE effects in ITER are favourable, but require further work. The large stored energies in ITER have focused attention on disruption physics. Databases for thermal and current quenches, vertical displacement events (VDEs) and halo currents have enabled thermomechanical design. Some questions remain open as to the production, confinement and localization of runaway electrons in potentially unstable plasmas and mitigation strategies have been proposed. Other crucial ITER needs such as diagnostics, control and heating appear to have acceptable solutions. All this rich physics requires experimental validation by a reactor-scale plasma and care has been taken to provide sufficient flexibility for ITER to cover a wide range of scenarios.
実験用熱核融合炉の設計には、最先端技術と、設計を前進させるのに十分な精度を持つ物理予測の両方が必要である。過去数年にわたる世界中の物理研究により、理解、統合、そして進歩において大きな進展が見られた。本稿では、いくつかの主要な物理領域におけるこの進歩と残された課題について論じる。(1) 輸送とプラズマ閉じ込め。世界規模のデータベースにより、トカマクに対する「経験的スケーリング則」が導かれ、ITER核融合ミッションに十分な閉じ込めが予測されるものの、かなりの不確実性はあるものの許容範囲内である。計算機能力の継続的な向上により、新しいジャイロ流体およびジャイロ運動論シミュレーションが生み出され、近い将来に予測精度の達成が期待される。Hモード特性とヘリウム蓄積に関する重要なデータベースも構築されている。(2) ダイバータ、熱除去、および燃料供給。熱除去のための新しい概念——放射冷却型、バッフル付き、部分非接触ダイバータ——がITER用に設計された。広範な2次元(2D)計算が実施され、最近の実験と定性的に一致している。この構成とコア閉じ込めとの相互作用に関する予備的研究は有望であり、内部ペレット入射の成功は代替燃料供給法として魅力的である。(3) マクロ安定性。ITERミッションは、理想磁気流体力学(MHD)安定性限界の範囲内で十分達成可能であるが、内部キンクモードは例外である。JETとの比較、および運動論効果を含む理論モデルにより、そのような鋸歯状振動はITERにおいて良性であると予測される。遅延電流浸透や軸外電流駆動を含む代替シナリオは、必要に応じて採用され得る。理想MHD限界をはるかに下回る新古典ベータ限界の最近の発見は、性能に対する脅威となる。炉心規模への外挿は現時点では不明である。理論上、そのようなモードは電流駆動プロファイル制御またはフィードバックによって制御可能であり、実験は近い将来に行われるべきである。JETおよびTFTRにおける最近の結果は、アルファ粒子駆動のトロイダルアルフヴェン固有モード(TAE)に関する定性的理解を確認した。ITERにおけるTAEの影響に関する現在の予測は良好であるが、さらなる研究が必要である。ITERにおける大きな蓄積エネルギーは、ディスラプション物理に注目を集めている。熱クエンチおよび電流クエンチ、垂直変位事象(VDE)、ハロー電流に関するデータベースにより、熱機械設計が可能となった。潜在的に不安定なプラズマにおける逃走電子の生成、閉じ込め、および局在化に関していくつかの疑問が残されており、緩和戦略が提案されている。診断、加熱、および電流駆動などのITERのその他の重要なニーズは、許容可能な解決策を有すると思われる。これらすべての豊かな物理は、炉心規模プラズマによる実験的検証を必要としており、ITERが広範なシナリオをカバーできるよう十分な柔軟性を提供するための配慮がなされている。