High-performance long-pulse plasma operation is essential for producing economically viable fusion energy in tokamak devices. To achieve such discharges in KSTAR, firstly, the rapid increase in the temperature of plasma-facing components was mitigated. The temperature increase of the poloidal limiter, especially, was associated with beam-driven fast ion orbit loss and the discrepancy of the equilibrium reconstructed with heated magnetic probes of signal drift. The fast ions lost to the poloidal limiter were reduced by optimizing the plasma shape and the composition of neutral beam injection (NBI). This nonlinear signal drift was successfully reduced by a new thermal shielding protector on the magnetic probes. Secondly, a lower loop voltage approach was implemented to reduce a poloidal flux consumption rate. A plasma current of 400 kA and a line-averaged electron density of ∼2.0 × 1019 m−3 were chosen by considering the L–H power threshold, fast ion orbit loss, and beam shine-through power loss for low loop voltage in KSTAR. In addition, the application of electron cyclotron heating also helped maintain the plasma with low loop voltage (∼25 mV) by enhancing the NBI-driven current and achieving a high poloidal beta (βP) state. KSTAR has achieved a long pulse (∼90 s) operation with the high performance of βP ⩽ 2.7, thermal energy confinement enhancement factor (H98y2) ∼ 1.1, and fraction of non-inductive current (fNI) ⩽ 0.96. Still, gradual degradation of the plasma performance has been observed over time in the discharges. In one of the long-pulse discharges, βP reduced by ∼18% over the time of ∼8τR (current relaxation time, τR ∼ 5 s) and ∼1067τE,th (thermal energy confinement time, τE,th ∼ 45 ms). The degradation may be closely associated with weak, yet growing, and persistent toroidal Alfvén eigenmodes and their effect on fast ion confinement.
高性能な長パルスプラズマ運転は、トカマク装置において経済的に成り立つ核融合エネルギーを生成するために不可欠である。KSTARでそのような放電を達成するために、まず、プラズマ対向機器の温度の急激な上昇が緩和された。特に、ポロイダルリミッターの温度上昇は、ビーム駆動高速イオン軌道損失と、加熱された磁気プローブの信号ドリフトを伴って再構成された平衡の不一致に関連していた。ポロイダルリミッターに失われる高速イオンは、プラズマ形状と中性ビーム入射(NBI)の構成を最適化することにより低減された。この非線形信号ドリフトは、磁気プローブ上の新しい熱遮蔽プロテクターによって首尾よく低減された。第二に、ポロイダル磁束消費率を低減するために、低いループ電圧手法が実装された。KSTARにおける低ループ電圧のために、L–H電力閾値、高速イオン軌道損失、およびビームシャインスルー電力損失を考慮して、400 kAのプラズマ電流と∼2.0 × 1019 m−3の線平均電子密度が選択された。さらに、電子サイクロトロン加熱の適用は、NBI駆動電流を強化し、高ポロイダルベータ(βP)状態を達成することにより、低ループ電圧(∼25 mV)でプラズマを維持するのにも役立った。KSTARは、βP ⩽ 2.7、熱エネルギー閉じ込め向上因子(H98y2) ∼ 1.1、非誘導電流割合(fNI) ⩽ 0.96という高性能を備えた長パルス(∼90 s)運転を達成した。それでもなお、放電において時間の経過とともにプラズマ性能の漸進的な低下が観察されている。長パルス放電の一つでは、βPは約8τR(電流緩和時間、τR ∼ 5 s)および約1067τE,th(熱エネルギー閉じ込め時間、τE,th ∼ 45 ms)の時間にわたって約18%低下した。この低下は、弱いながらも成長し持続するトロイダル・アルフヴェン固有モードと、高速イオン閉じ込めへのそれらの影響に密接に関連している可能性がある。