The density limit is one of the major obstacles to achieving the desired fusion performance in tokamaks. However, the underlying physics mechanism for its recently observed power dependence in experiments has not been well understood or predicted in theory. In this work, we derive the power-dependent scaling of the density limit from the plasma–wall self-organization (PWSO) theory [DF. Escande 2022 NF] for the first time. These newly derived scalings successfully match the experimentally observed power dependence of density limits in multiple tokamak devices, such as ASDEX-U and W7-AS, confirming the validity of the PWSO theory. Critically influencing factors are identified as plasma–wall sputtering and particle confinement time. In addition, the effects of nonsputtered impurities and fusion products are evaluated, and the refined PWSO-density limit model is extended to the burning plasma regime to predict the conditions necessary for entering the burning plasma.
密度限界は、トカマクにおいて所望の核融合性能を達成するための主要な障害の一つである。しかしながら、実験で最近観測されたそのパワー依存性の背後にある物理メカニズムは、理論的に十分に理解されておらず、予測もされていない。本研究では、プラズマ・壁自己組織化（PWSO）理論 [DF. Escande 2022 NF] から密度限界のパワー依存スケーリングを初めて導出する。これらの新たに導出されたスケーリングは、ASDEX-UやW7-ASなどの複数のトカマク装置における密度限界の実験的に観測されたパワー依存性と首尾よく一致し、PWSO理論の妥当性を確認するものである。決定的に影響する要因は、プラズマ・壁スパッタリングと粒子閉じ込め時間として特定される。さらに、非スパッタ不純物と核融合生成物の影響が評価され、改良されたPWSO密度限界モデルは燃焼プラズマ領域に拡張され、燃焼プラズマに入るために必要な条件を予測する。