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Multi-machine scaling laws for fuel and impurity puffing rates sufficient for detachment access: a systematic review of magnetic confinement fusion devices

M. Moscheni, A. Herrmann, R. Kembleton, M. Kryjak, S. Lazerson, F. Levi, M. Siccinio, P. Staniec, T. Giegerich, C. Tantos2026年2月Nuclear FusionIF 3出版社

An open-source database of 457 experimental and numerical entries representing 32 machines—including tokamaks, stellarators, and linear plasma devices—is assembled. From this dataset, we derive multi-machine scaling laws that predict the fuel and impurity puffing rates sufficient to edge plasma detachment—the leading reactor-relevant solution to the challenge of plasma–wall interaction. Validation against up to 40 L- and H-mode plasmas shows agreement within a factor of 1.5 in about 50% of cases, and within a factor of 2 on average. Divertor volume alone is found to strongly correlate with the fuelling rate. Inclusion of plasma opaqueness leads to , valid across all toroidal devices. Its H-mode simplification, , avoids explicit dependence on nsep and carries intrinsic physical meaning through the H/L density limit and the power fall-off length. The impurity seeding rate is captured by a general non-linear law, from which the Greenwald–Eich–Scarabosio (GES) simplification, , is obtained. Similar relationships are defined for stellarators, consistent with tokamak trends but still awaiting validation—an opportunity for further study. These results have immediate relevance for reactor fuel-cycle design and edge plasma modelling. More broadly, they demonstrate that physics-based 0D laws can reliably link detachment access to engineering actuators, offering practical tools for reactor design. Our laws represent macroscopic patterns across machines rather than microscopic variations within an individual device—providing the basis for our forthcoming studies aimed at extending this framework to machine-specific behaviour.

日本語訳

トカマク、ステラレータ、線形プラズマ装置を含む32の装置を表す、457件の実験および数値エントリからなるオープンソースデータベースが構築された。このデータセットから、プラズマ–壁相互作用の課題に対する主要な炉関連の解決策である周辺プラズマのデタッチメントに十分な燃料および不純物のパフ流量を予測する、複数装置スケーリング則を導出する。最大40のLモードおよびHモードプラズマに対する検証では、約50%のケースで1.5倍以内、平均で2倍以内の一致が示された。ダイバータ体積のみが燃料供給率と強く相関することが見出された。プラズマの不透明度を考慮すると、全トーラス装置にわたって有効な が導かれる。そのHモード簡略化( )は、nsepへの明示的依存を回避し、H/L密度限界とパワー減衰長を通じて固有の物理的意味を持つ。不純物シーディング流量は一般的な非線形則によって記述され、そこからGreenwald–Eich–Scarabosio (GES) 簡略化( )が得られる。ステラレータについても同様の関係が定義され、トカマクの傾向と整合するが、まだ検証待ちであり、さらなる研究の機会となる。これらの結果は、炉の燃料サイクル設計と周辺プラズマモデリングに即時的な関連性を持つ。より広く言えば、物理ベースの0D則がデタッチメントへの到達を工学的アクチュエータと確実に結び付けることを示しており、炉設計のための実用的なツールを提供する。我々の則は、個々の装置内の微視的変動ではなく、装置間の巨視的パターンを表しており、この枠組みを装置固的有な挙動に拡張することを目指す今後の研究の基礎を提供する。

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ImpurityDivertor detachmentMagnetic confinement

AIによる論文要約

燃料および不純物の注入率が剥離アクセスに十分であるための多機種スケーリング則:磁気閉じ込め核融合装置の系統的レビュー
JA核融合炉の燃料サイクル設計者や周辺プラズマモデリング研究者、および装置間スケーリングに関心のある学生#核融合 #剥離 #スケーリング則 #ダイバータ #プラズマ壁相互作用
LLM向け: {"Title": "燃料・不純物注入率の剥離アクセススケーリング則", "Authors": "not provided", "Research Object…

本研究は、32の装置(トカマク、ステラレーター、線形プラズマ装置を含む)からの457の実験・数値エントリからなるオープンデータベースを構築し、周辺プラズマ剥離(プラズマ-壁相互作用問題に対する主要な炉心実用的解決策)に十分な燃料および不純物の注入率を予測する多機種スケーリング則を導出しました。検証の結果、約50%のケースで1.5倍以内、平均で2倍以内の一致を示しました。ダイバータ体積が燃料流量と強く相関すること、プラズマ不透明度を含めることで全トロイダル装置に有効な則が得られること、Hモード簡略化則がnsepに依存せず物理的意味を持つこと、不純物シード率が非線形則で捉えられGreenwald-Eich-Scarabosio (GES)簡略化に至ることなどが明らかになりました。これらの結果は炉心燃料サイクル設計や周辺プラズマモデリングに即座に応用可能であり、物理ベースの0次元則が工学的アクチュエータと剥離アクセスを結び付ける実用的なツールを提供することを示しています。

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