Small three-dimensional (3D) magnetic field perturbations have many interesting and possibly useful effects on tokamak and quasi-symmetric stellarator plasmas. Plasma transport equations that include these effects, most notably on diamagnetic-level toroidal plasma flows, have recently been developed. The 3D field perturbations and their plasma effects can be classified according to their toroidal mode number n: low n (say 1–5) resonant (with field line pitch, q = m/n) and non-resonant fields, medium n (∼20, due to toroidal field ripple) and high n (due to microturbulence). Low n non-resonant fields induce a neoclassical toroidal viscosity (NTV) that damps toroidal rotation throughout the plasma towards an offset rotation in the counter-current direction. Recent tokamak experiments have generally confirmed and exploited these predictions by applying external low n non-resonant magnetic perturbations. Medium n toroidal field ripple produces similar effects plus possible ripple-trapping NTV effects and ion direct losses in the edge. A low n (e.g. n = 1) resonant field is mostly shielded by the toroidally rotating plasma at and inside the resonant (rational) surface. If it is large enough it can stop plasma rotation at the rational surface, facilitate magnetic reconnection there and lead to a growing stationary magnetic island (locked mode), which often causes a plasma disruption. Externally applied 3D magnetic perturbations usually have many components. In the plasma their lowest n (e.g. n = 1) externally resonant components can be amplified by kink-type plasma responses, particularly at high β. Low n plasma instabilities (e.g. resistive wall modes, neoclassical tearing modes) cause additional 3D magnetic perturbations in tokamak plasmas. Tearing modes in their nonlinear (Rutherford) regime bifurcate the topology and form magnetic islands. Finally, multiple resonant magnetic perturbations (RMPs) can, if not shielded by plasma rotation effects, cause local magnetic stochasticity and increase plasma transport in the edge of H-mode plasmas. These various effects of 3D fields can be used to modify directly the plasma toroidal rotation (and possibly transport via multiple RMPs for controlling edge localized modes) and indirectly anomalous plasma transport. The present understanding and modelling of these various 3D magnetic field perturbation effects including for test blanket modules in ITER are summarized. Finally, implications of the present understanding and key open issues for developing a predictive capability of them for ITER are discussed.
小さな三次元（3D）磁場摂動は、トカマクおよび準対称ステラレータプラズマに対して、多くの興味深く、おそらく有用な効果を持つ。これらの効果、特に反磁性レベルのトロイダルプラズマ流に対する効果を含むプラズマ輸送方程式が、最近開発された。3D磁場摂動とそのプラズマ効果は、そのトロイダルモード数nによって分類できる：低n（例えば1〜5）の共鳴（磁力線ピッチ、q = m/nによる）および非共鳴磁場、中n（〜20、トロイダル磁場リップルによる）、および高n（マイクロ乱流による）。低n非共鳴磁場は、新古典トロイダル粘性（NTV）を誘起し、プラズマ全体のトロイダル回転を反電流方向のオフセット回転に向けて減衰させる。最近のトカマク実験は、外部から印加された低n非共鳴磁場摂動を用いて、これらの予測を概ね確認し、活用してきた。中nトロイダル磁場リップルは、同様の効果に加えて、リップル捕捉NTV効果やエッジにおけるイオン直接損失を生じる可能性がある。低n（例えばn = 1）の共鳴磁場は、共鳴（有理）面およびその内部でトロイダル回転するプラズマによって主に遮蔽される。それが十分に大きい場合、有理面でのプラズマ回転を停止させ、そこで磁気リコネクションを促進し、成長する定常磁気島（ロックモード）を引き起こす可能性があり、これはしばしばプラズマディスラプションを誘発する。外部から印加される3D磁場摂動は通常、多くの成分を持つ。プラズマ中では、その最も低いn（例えばn = 1）の外部共鳴成分は、キンク型プラズマ応答によって増幅され得る。特に高βにおいて顕著である。低nプラズマ不安定性（例えば、抵抗性壁モード、新古典テアリングモード）は、トカマクプラズマに追加の3D磁場摂動を引き起こす。テアリングモードは、その非線形（ラザフォード）領域において、トポロジーを分岐させ、磁気島を形成する。最後に、複数の共鳴磁場摂動（RMP）は、プラズマ回転効果によって遮蔽されない場合、局所的な磁気確率性を引き起こし、Hモードプラズマのエッジにおけるプラズマ輸送を増加させることができる。3D磁場のこれらの様々な効果は、プラズマのトロイダル回転を直接変更するため（および、エッジ局在モードを制御するための複数RMPを介した輸送の変更の可能性）、また間接的に異常プラズマ輸送を変更するために利用できる。これらの様々な3D磁場摂動効果に関する現在の理解とモデリングは、ITERにおけるテストブランケットモジュールを含めて要約される。最後に、それらをITERに対して予測する能力を開発するための、現在の理解の含意と主要な未解決問題について議論する。