The realization of long-time discharges in magnetic confinement devices (MCDs), namely, in tokamaks and stellarators, is a key issue in the development of controlled fusion energy. Experiments demonstrate that the discharge duration achieved in contemporary MCDs is limited and the normal operation is terminated after 0.3 to 3600 s depending on plasma, discharge and device parameters. This paper is devoted to the analysis of physical mechanisms which may be responsible for the discharge duration limit in MCD operation. The impact of heat transfers to plasma facing components from the plasma, coolants and thermal radiation is evaluated and compared with the available experimental database. The critical temperature Tcr ≅ 2300 K of plasma facing components is considered as the key parameter that limits the discharge duration. The regimes of the first wall temperature growth governed by both the heat conductivity and heat capacity are identified experimentally and analytically. Heat removal from wetted areas by means of thermal surface radiation and linear heat transfer to the coolant is identified as the key physical mechanism that determines the boundary of time-limited discharges in MCDs. The principal role of localized wetted areas with a size of ≅0.2–0.6 m2 is revealed for operation of contemporary devices. This means that in further development of fusion reactors major attention should be devoted to the organization of a more uniform and distributed heat exhaust. It is shown that the proposed semi-analytical approach explains the experimentally discovered trends in the MCD operation and may be used for the evaluation of the discharge duration limit of new facilities designed to obtain steady-state discharges.
磁気閉じ込め装置（MCD）、すなわちトカマクおよびヘリカル型装置における長時間放電の実現は、制御核融合エネルギーの開発における重要な課題である。実験により、現代のMCDで達成される放電持続時間は限られており、プラズマ、放電、および装置パラメータに応じて0.3秒から3600秒で通常運転が終了することが実証されている。本論文は、MCD運転における放電持続時間限界の原因となり得る物理メカニズムの解析に充てられている。プラズマからプラズマ対向機器への熱伝達、冷却材、および熱放射の影響が評価され、利用可能な実験データベースと比較されている。プラズマ対向機器の臨界温度Tcr≅2300 Kが、放電持続時間を制限する主要パラメータとして考慮されている。熱伝導率と熱容量の両方によって支配される第一壁温度上昇のレジームが、実験的および解析的に特定されている。濡れ面積からの熱除去が、表面熱放射と冷却材への線形熱伝達によって行われることが、時間制限放電の境界を決定する主要な物理メカニズムとして特定されている。現代の装置の運転において、大きさ≅0.2～0.6 mの局所的な濡れ面積の主要な役割が明らかにされている。これは、将来の核融合炉のさらなる開発において、より均一で分散した熱排気の組織化に主要な注意を払うべきであることを意味する。提案された半解析的アプローチが、MCD運転における実験的に観測された傾向を説明し、定常放電を得るために設計された新施設の放電持続時間限界の評価に使用され得ることが示されている。