Recently-proposed tokamak concepts use magnetic fields up to 12 T, far higher than in conventional devices, to reduce size and cost. Theoretical and computational study of trends in plasma behavior with increasing field strength is critical to such proposed devices. This paper considers trends in Alfvén eigenmode (AE) stability. Energetic particles, including alphas from deuterium–tritium fusion, can destabilize AEs, possibly causing loss of alpha heat and damage to the device. AEs are sensitive to device magnetic field via the field dependence of resonances, alpha particle beta, and alpha orbit width. We describe the origin and effect of these dependences analytically and by using recently-developed numerical techniques (Rodrigues et al 2015 Nucl. Fusion55 083003). The work suggests high-field machines where fusion-born alphas are sub-Alfvénic or nearly sub-Alfvénic may partially cut off AE resonances, reducing growth rates of AEs and the energy of alphas interacting with them. High-field burning plasma regimes have non-negligible alpha particle beta and AE drive, but faster slowing down time, provided by high electron density, and higher field strength reduces this drive relative to low-field machines with similar power densities. The toroidal mode number of the most unstable modes will tend to be higher in high magnetic field devices. The work suggests that high magnetic field devices have unique, and potentially advantageous, AE instability properties at both low and high densities.
最近提案されたトカマク概念では、従来装置よりもはるかに高い最大12 Tの磁場を用いて、サイズとコストを削減する。磁場強度の増加に伴うプラズマ挙動の傾向の理論的・計算的研究は、そのような提案装置にとって極めて重要である。本論文では、アルヴェン固有モード（AE）安定性の傾向を考察する。重水素–トリチウム核融合からのアルファ粒子を含む高エネルギー粒子は、AEを不安定化させ、アルファ加熱の損失や装置の損傷を引き起こす可能性がある。AEは、共鳴、アルファ粒子ベータ、アルファ軌道幅の磁場依存性を通じて、装置の磁場に敏感である。我々は、これらの依存性の起源と効果を、解析的に、また最近開発された数値手法（Rodrigues et al 2015 Nucl. Fusion55 083003）を用いて記述する。この研究は、核融合生成アルファ粒子が亜アルヴェン的またはほぼ亜アルヴェン的である高磁場装置では、AE共鳴が部分的に遮断され、AEの成長率およびそれらと相互作用するアルファ粒子のエネルギーが低下する可能性があることを示唆する。高磁場燃焼プラズマ領域では、アルファ粒子ベータとAE駆動は無視できないが、高電子密度によってもたらされるより速い減速時間と、より高い磁場強度により、同様の出力密度を持つ低磁場装置と比較してこの駆動は低減される。最も不安定なモードのトロイダルモード数は、高磁場装置では高くなる傾向がある。この研究は、高磁場装置が、低密度および高密度の両方において、独自の、かつ潜在的に有利なAE不安定性特性を持つことを示唆する。