To prepare for steady-state operation of future fusion reactors (e.g. the International Thermonuclear Experimental Reactor and China Fusion Engineering Test Reactor (CFETR)), experiments on DIII-D have extended the high poloidal beta (βP) scenario to reactor-relevant edge safety factor q95 ∼ 6.0, while maintaining a large-radius internal transport barrier (ITB) using negative magnetic shear. Excellent energy confinement quality (H98y2 > 1.5) is sustained at high normalized beta (βN ∼ 3.5). This high-performance ITB state with Greenwald density fraction near 100% and qmin ≥ 3 is achieved with toroidal plasma rotation Vtor ∼ 0 at ρ ≥ 0.6. This is a key result for reactors expected to have low Vtor. At high βP (≥1.9), large Shafranov shift can stabilize turbulence leading to a high confinement state with a low pedestal and an ITB. At lower βP (<1.9), negative magnetic shear in the plasma core contributes to turbulence suppression and can compensate for reduced Shafranov shift to continue to access a large-radius ITB and excellent confinement with low Vtor, consistent with the results of gyrofluid transport simulations. These high-βP cases are characterized by weak/no Alfvén eigenmodes (a.e.) and classical fast-ion transport. At high density, the fast-ion deceleration time decreases and Δβfast is lower; these reduce a.e. drive. The reverse-shear Alfvén eigenmodes are weaker or stable because the negative magnetic shear region is located at higher radius, away from the peaked fast-ion profile. Resistive wall modes can be a limitation at simultaneous high βN, low internal inductance, and low rotation. Analysis suggests that additional off-axis external current drive could provide a more stable path at reduced q95. Based on a DIII-D high-βP plasma with large-radius ITB, two scenarios are proposed for CFETR Q = 5 steady-state operation with ∼1 GW fusion power: a lower- ( ∼ 0.66) and a higher- ( ∼ 0.75) case. Using a Landau closure model, multiple energetic particle (EP) effects on the a.e. stability are analyzed modifying the growth rate of the a.e.s triggered by the neutral-beam-injection EPs and alpha particles, although the stabilizing/destabilizing effect is weak for the cases analyzed. The stabilizing effects of the combined EP species β, energy, and density profile in CFETR need further investigation.
将来の核融合炉（例えば、国際熱核融合実験炉や中国核融合工学試験炉（CFETR））の定常運転に備えるため、DIII-Dでの実験により、高ポロイダルベータ（βP）シナリオを炉心関連の安全係数q95 ∼ 6.0まで拡張し、負の磁気シアを用いた大半径内部輸送障壁（ITB）を維持した。優れたエネルギー閉じ込め品質（H98y2 > 1.5）が、高規格化ベータ（βN ∼ 3.5）で維持された。この高性能ITB状態は、グリーンワルド密度比がほぼ100%、qmin ≥ 3で、ρ ≥ 0.6におけるトロイダルプラズマ回転Vtor ∼ 0を伴って達成された。これは、低Vtorが予想される炉にとって重要な結果である。高βP（≥ 1.9）では、大きなシャフラノフシフトが乱流を安定化し、低ペデスタルとITBを伴う高閉じ込め状態をもたらすことができる。低βP（< 1.9）では、プラズマコアにおける負の磁気シアが乱流抑制に寄与し、シャフラノフシフトの減少を補償して、低Vtorでの大半径ITBと優れた閉じ込めへのアクセスを継続できる。これはジャイロ流体輸送シミュレーションの結果と一致する。これらの高βPケースは、弱いまたは存在しないアルヴェン固有モード（a.e.）と古典的な高速イオン輸送によって特徴づけられる。高密度では、高速イオンの減速時間が短縮され、Δβfastが低下する。これらはa.e.の駆動を低減する。反転磁気シアのアルヴェン固有モードは、負の磁気シア領域がピーク状の高速イオンプロファイルから離れた高半径に位置するため、より弱いか安定である。抵抗性壁モードは、高βN、低内部インダクタンス、低回転が同時に生じる場合に制限となり得る。解析により、追加のオフアクシス外部電流駆動が、低q95でのより安定な経路を提供できることが示唆される。DIII-Dの大半径ITBを有する高βPプラズマに基づき、CFETRのQ = 5定常運転（∼1 GW核融合出力）に対して、低ベータ（∼ 0.66）と高ベータ（∼ 0.75）の2つのシナリオが提案された。ランダウ閉鎖モデルを用いて、中性粒子ビーム入射による高速粒子とアルファ粒子によって引き起こされるa.e.の成長率を修正する、複数の高エネルギー粒子（EP）効果のa.e.安定性への影響が解析された。ただし、解析されたケースでは、安定化・不安定化効果は弱い。CFRETにおけるEPのベータ、エネルギー、密度分布の組み合わせによる安定化効果については、さらなる調査が必要である。