We demonstrate for the first time that symmetry-breaking in tokamak plasmas reduces the window of stable edge operational space, leading to a lower achievable edge pressure gradient. Predictive simulations with the linear magnetohydrodynamic stability code CASTOR3D show a reduction of the critical pressure gradient by up to 30%, in agreement with experimental observations. The analysis has been extended to experimental plasmas considering, for the first time, ion diamagnetic drift effects in realistic non-axisymmetric (3D) tokamak geometry. The 3D geometry in plasmas with edge localised modes (ELMs) increases the growth rate of edge instabilities compared to the axisymmetric case. Further reducing the edge pressure gradient eliminates the instabilities corresponding to an experiment with suppressed ELMs, reproducing the empirically observed threshold for ELM suppression. Our findings highlight the importance of predictions of the ELM occurrence in full 3D geometry for future tokamak devices with intentionally and unintentionally broken axisymmetry.
我々は初めて、トカマクプラズマにおける対称性の破れが安定な周辺運転領域の窓を狭め、達成可能な周辺圧力勾配を低下させることを実証する。線形磁気流体力学安定性コードCASTRO3Dを用いた予測シミュレーションは、臨界圧力勾配の最大30%の減少を示し、実験観測と一致する。解析は実験プラズマに拡張され、初めてイオン反磁性ドリフト効果を現実的な非軸対称（3D）トカマク形状で考慮した。周辺局在モード（ELMs）を伴うプラズマにおける3D形状は、軸対称の場合と比較して周辺不安定性の成長率を増加させる。周辺圧力勾配をさらに低下させると、ELMが抑制された実験に対応する不安定性が消滅し、経験的に観測されるELM抑制閾値を再現する。我々の知見は、意図的および非意図的に軸対称性が破れた将来のトカマク装置におけるELM発生予測の重要性を強調する。