The primary goal of hybrid scenarios in tokamaks is to enable high performance operation with large plasma currents whilst avoiding MHD instabilities. However, if a local minimum in the safety factor is allowed to approach unity, the energy required to overcome stabilizing magnetic field line bending is very small, and as a consequence, large MHD structures can be created, with typically dominant m = n = 1 helical component. If there is no exact q = 1 rational surface the essential character of these modes can be modelled assuming ideal nested magnetic flux surfaces. The methods used to characterize these structures include linear and non-linear ideal MHD stability calculations which evaluate the departure from an axisymmetric plasma state, and also equilibrium calculations using a 3D equilibrium code. While these approaches agree favourably for simulations of ITER relevant hybrid regimes in this paper, the relevance of the ideal MHD model itself is tested through empirical examination of helical states in MAST and TCV. While long lived modes in MAST do not have island structures, some of the continuous mode oscillations exhibited in high elongation experiments in TCV indicate that resistivity may play a role in further weakening the ability of the tokamak core to remain axisymmetric. The simulations and experiments consistently highlight the need to control the safety factor in hybrid scenarios planned for future fusion grade tokamaks such as ITER.
トカマクにおけるハイブリッドシナリオの主たる目的は、MHD不安定性を回避しつつ、大電流での高性能運転を実現することである。しかしながら、安全係数の極小値が1に近づくことを許容すると、安定化磁力線曲率を克服するために必要なエネルギーが非常に小さくなり、その結果、典型的にはm = n = 1のヘリカル成分を有する大規模なMHD構造が生成され得る。正確なq = 1有理面が存在しない場合、これらのモードの本質的な特性は、理想的な入れ子状磁気面を仮定することによってモデル化することができる。これらの構造を特徴付けるために用いられる手法には、軸対称状態からのずれを評価する線形および非線形の理想MHD安定性計算と、3D平衡コードを用いた平衡計算が含まれる。これらのアプローチは、ITER関連のハイブリッド領域のシミュレーションにおいて良好な一致を示す一方で、理想MHDモデル自体の妥当性は、MASTにおけるヘリカル状態の経験的検証を通じて検討される。MASTにおける長寿命モードは島構造を有さないが、TCVにおける高伸長実験で観測される連続モード振動の一部は、抵抗性がトカマク中心部の軸対称性維持能力をさらに弱める役割を果たし得ることを示唆している。シミュレーションと実験は、ITERのような将来の核融合炉グレードのトカマクで計画されているハイブリッドシナリオにおいて、安全係数の制御の重要性を一貫して強調している。