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Constructing integrable high-pressure full-current free-boundary stellarator magnetohydrodynamic equilibrium solutions

S.R. Hudson, D.A. Monticello, A.H. Reiman, D.J. Strickler, S.P. Hirshman, L.-P. Ku, E. Lazarus, A. Brooks, M.C. Zarnstorff, A.H. Boozer2003年被引用 9Nuclear FusionIF 3出版社

For the (non-axisymmetric) stellarator class of plasma confinement devices to be feasible candidates for fusion power stations it is essential that, to a good approximation, the magnetic field lines lie on nested flux surfaces; however, the inherent lack of a continuous symmetry implies that magnetic islands responsible for breaking the smooth topology of the flux surfaces are guaranteed to exist. Thus, the suppression of magnetic islands is a critical issue for stellarator design, particularly for small aspect ratio devices. Pfirsch–Schlüter currents, diamagnetic currents and resonant coil fields contribute to the formation of magnetic islands, and the challenge is to design the plasma and coils such that these effects cancel.Magnetic islands in free-boundary high-pressure full-current stellarator magnetohydrodynamic equilibria are suppressed using a procedure based on the Princeton Iterative Equilibrium Solver (Reiman and Greenside 1986 Comput. Phys. Commun.43 157) which iterates the equilibrium equations to obtain the plasma equilibrium. At each iteration, changes to a Fourier representation of the coil geometry are made to cancel resonant fields produced by the plasma. The changes are constrained to preserve certain measures of engineering acceptability and to preserve the stability of ideal kink modes. As the iterations continue, the coil geometry and the plasma simultaneously converge to an equilibrium in which the island content is negligible, the plasma is stable to ideal kink modes, and the coils satisfy engineering constraints. The method is applied to a candidate plasma and coil design for the National Compact Stellarator eXperiment (Reiman et al2001 Phys. Plasma8 2083).

日本語訳

(非軸対称)ステラレーター型プラズマ閉じ込め装置が核融合発電所の有力な候補となるためには、磁力線が良好な近似で入れ子状の磁気面の上にあることが不可欠である。しかしながら、連続対称性が本質的に欠如していることから、磁気面の滑らかな位相幾何学的構造を破壊する磁気島が存在することが保証されている。したがって、磁気島の抑制はステラレーター設計、特に低アスペクト比装置にとって極めて重要な課題である。プフィルシュ・シュリューター電流、反磁性電流、共鳴コイル磁場が磁気島の形成に寄与しており、これらの効果が相殺されるようにプラズマとコイルを設計することが課題である。自由境界・高圧力・全電流ステラレーター磁気流体平衡における磁気島は、プラズマ平衡を得るために平衡方程式を反復計算するプリンストン反復平衡ソルバー(Reiman and Greenside 1986 Comput. Phys. Commun. 43 157)に基づく手順を用いて抑制される。各反復において、プラズマによって生成される共鳴磁場を打ち消すために、コイル形状のフーリエ表現に対する変更が行われる。この変更は、工学的受容性の特定の指標を維持し、理想キンクモードの安定性を維持するように制約される。反復が続くにつれて、コイル形状とプラズマは同時に、島含有量が無視できる程度であり、プラズマが理想キンクモードに対して安定であり、コイルが工学的制約を満たす平衡へと収束する。この方法は、国立コンパクトステラレーター実験(Reiman et al 2001 Phys. Plasma 8 2083)の候補プラズマおよびコイル設計に適用される。

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MagnetohydrodynamicsStellarator
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