The physical mechanisms of the ohmic breakdown in a tokamak have been understood based on the classical Townsend avalanche theory. However, a new systematic theory (Yoo et al 2018 Nat. Commun.9 3523) recently demonstrated that electron avalanches during the ohmic breakdown are completely different from the Townsend avalanche due to strong self-generated electric fields. In this study, we elucidate the multi-dimensional effects of the self-generated electric field on plasma dynamics during the ohmic breakdown. We also propose a novel electromagnetic topology analysis method that can easily predict the overall plasma behavior and where the main plasma is generated. The topology analysis method is validated by a state-of-art particle simulation for various magnetic configurations. New physical insights into the complex electromagnetic topology would facilitate designing more reliable and optimized ohmic breakdown scenarios in future tokamaks, such as ITER and beyond.
抄録： トカマクにおけるオーミック破壊の物理的メカニズムは、古典的なタウンゼントなだれ理論に基づいて理解されてきた。しかしながら、新たな系統的理論（Yooら 2017 Nat. Commun. 9 3523）は、オーミック破壊中の電子なだれが、強い自己生成電場によりタウンゼントなだれとは完全に異なることを最近になって実証した。本研究では、オーミック破壊中のプラズマ動力学に対する自己生成電場の多次元的影響を解明する。また、全体的なプラズマ挙動と主プラズマの生成位置を容易に予測できる新規の電磁トポロジー解析手法を提案する。このトポロジー解析手法は、様々な磁場配位に対する最先端の粒子シミュレーションによって検証される。複雑な電磁トポロジーに関する新たな物理的知見は、将来のトカマク（ITERおよびそれ以降）における、より信頼性が高く最適化されたオーミック破壊シナリオの設計を可能にするであろう。