The separation between the last closed flux surface of a plasma and the external coils that magnetically confine it is a limiting factor in the construction of fusion-capable plasma devices. This plasma-coil separation must be large enough so that components such as a breeding blanket and neutron shielding can fit between the plasma and the coils. Plasma-coil separation affects reactor size, engineering complexity, and particle loss due to field ripple. For some plasmas it can be difficult to produce the desired flux surface shaping with distant coils, and for other plasmas it is infeasible altogether. Here, we seek to understand the underlying physics that limits plasma-coil separation and explain why some configurations require close external coils. In this paper, we explore the hypothesis that the limiting plasma-coil separation is set by the shortest scale length of the magnetic field as expressed by the tensor. We tested this hypothesis on a database of 40 stellarator and tokamak configurations. Within this database, the coil-to-plasma distance compared to the minor radius varies by over an order of magnitude. The magnetic scale length is well correlated to the coil-to-plasma distance of actual coil designs generated using the REGCOIL method (Landreman 2017 Nucl. Fusion57 046003). Additionally, this correlation reveals a general trend that larger plasma-coil separation is possible with a small number of field periods.
プラズマの最外殻磁気面とそれを磁気的に閉じ込める外部コイルとの間の距離は、核融合装置の建設における制限要因である。このプラズマ-コイル間距離は、増殖ブランケットや中性子遮蔽などの構成要素がプラズマとコイルの間に収まるのに十分な大きさでなければならない。プラズマ-コイル間距離は、炉の規模、工学的複雑性、および磁場リップルによる粒子損失に影響を与える。一部のプラズマでは、遠方に配置したコイルで所望の磁気面形状を生成することが困難であり、他のプラズマではそれが不可能である。本稿では、プラズマ-コイル間距離を制限する基礎物理を解明し、なぜ一部の構成で密接した外部コイルが必要となるのかを説明することを目的とする。本論文では、制限となるプラズマ-コイル間距離が、テンソルで表される磁場の最短スケール長によって決定されるという仮説を検証する。この仮説を、40のステラレーターおよびトカマク構成からなるデータベースを用いて試験した。このデータベースにおいて、コイル-プラズマ間距離の最小プラズマ半径に対する比は、一桁以上の範囲で変動した。磁場のスケール長は、REGCOIL法(Landreman 2017 Nucl. Fusion57 046003)を用いて生成された実際のコイル設計におけるコイル-プラズマ間距離とよく相関していることが示された。さらに、この相関関係から、少数の周期場を有する場合に、より大きなプラズマ-コイル間距離が可能となるという一般的な傾向が明らかになった。