The main drivers for the metallic plasma-facing component (PFC) design of the COMPASS Upgrade (COMPASS-U) tokamak (BT⩽5 T, IP⩽ 2 MA, Rgeo = 0.9 m, ageo = 0.27 m, tflattop⩽ 3 s) derived from physics considerations are presented in this paper. Requirements on the plasma-wall gaps are given based on previous experimental observations in other devices. Gaps at the inner/outer midplane are set to minimum values 20 and 40 mm, respectively, to allow all magnetic equilibria in the lower and upper single-null configurations to fit in the PFC outline, to allow an efficient flow in the scrape-off layer towards the divertor and to minimize the impurity flux from the wall. The closed tungsten divertor was designed with a similar shape to ITER’s divertor since COMPASS-U has a similar aspect ratio and uses an ITER-like equilibrium for its baseline scenario. Steady-state thermal loads are calculated at the outer strike-point, where they are expected to be the highest, in attached conditions using a 0D energy balance (⩾150 MW m−2) and in detached conditions using BIT1 kinetic calculations (∼70 MW m−2). Transient thermal loads range from 1.2 MJ m−2 for ELMs (maximum parallel peak energy fluence at targets) to 0.6–1.2 GW m−2 in ∼0.5 ms for high-energy vertical displacement events (maximum perpendicular heat flux density). Electromagnetic loads are calculated during disruptions using an in-house parametric model, accounting for current quench (CQ) and halo current contributions and validated by simulations using the CarMa0NL code, which is able to describe the nonlinear evolution of axisymmetric plasmas in the presence of 3D volumetric structures. The CQ rate is expected to be at least δIP/δt = 3 MA ms−1, and the halo current magnitude is set to 75% of the pre-disruptive maximum plasma current, according to the ITPA disruption database, yielding Ihalo = 1.5 MA. Maximum total force acts on the bottom divertor baffle with a value of ∼60 kN and the corresponding total torque is ∼4 kN m.
本論文では、物理的考察から導出されたCOMPASS Upgrade（COMPASS-U）トカマク（BT⩽5 T、IP⩽ 2 MA、Rgeo = 0.9 m、ageo = 0.27 m、tflattop⩽ 3 s）の金属製プラズマ対向機器（PFC）設計の主要な駆動要因を提示する。プラズマ-壁ギャップに関する要求事項は、他装置におけるこれまでの実験的観察に基づいて与えられる。内側/外側中平面のギャップは、それぞれ最小値20 mmおよび40 mmに設定され、下部および上部シングルヌル配位におけるすべての磁気平衡がPFC輪郭内に収まるようにし、スクレイプオフ層からダイバータへの効率的な流れを可能にし、壁からの不純物フラックスを最小化する。閉じたタングステンダイバータは、COMPASS-Uが同様のアスペクト比を持ち、ベースラインシナリオにITER類似の平衡を用いるため、ITERのダイバータと同様の形状で設計された。定常熱負荷は、最も高くなると予想される外側ストライク点において、付着条件では0Dエネルギー収支を用いて（⩾150 MW m−2）、非付着条件ではBIT1運動論計算を用いて（∼70 MW m−2）計算される。過渡熱負荷は、ELMの場合の1.2 MJ m−2（ターゲットにおける最大平行方向ピークエネルギーフルエンス）から、高エネルギー垂直変位事象の場合の∼0.5 ms間の0.6–1.2 GW m−2（最大垂直方向熱流束密度）までの範囲である。電磁負荷は、ディスラプション中に、電流クエンチ（CQ）およびハロー電流の寄与を考慮し、3次元体積構造の存在下での軸対称プラズマの非線形発展を記述できるCarMa0NLコードを用いたシミュレーションによって検証された社内パラメトリックモデルを用いて計算される。CQレートは少なくともδIP/δt = 3 MA ms−1であると予想され、ハロー電流の大きさは、ITPAディスラプションデータベースに従って、ディスラプション前の最大プラズマ電流の75%に設定され、Ihalo = 1.5 MAとなる。最大総力は底部ダイバータバッフルに作用し、その値は∼60 kNであり、対応する総トルクは∼4 kN mである。