The physics of non-axisymmetry is a far more important topic in the theory of toroidal fusion plasmas than might be expected. (1) Even a small toroidal asymmetry in the magnetic field strength, δ ≡ ∂ln B/∂φ ∼ 10−4, can cause an unacceptable degradation in performance. (2) Nevertheless, asymmetries—even large asymmetries δ ∼ 1—can give beneficial plasma control and circumvent issues, such as magnetic-configuration maintenance and plasma disruptions, that make axisymmetric fusion devices problematic. Viewed from prospectives that are adequate for designing and studying axisymmetric plasmas, the physics of non-axisymmetric plasmas appears dauntingly difficult. Remarkably, Maxwell's equations provide such strong constraints on the physics of toroidal fusion plasmas that even a black-box model of a plasma answers many important questions. Kinetic theory and non-equilibrium thermodynamics provide further, but more nuanced, constraints. This paper is organized so these constraints can be used as a basis for the innovations and for the extrapolations that are required to go from existing experiments to fusion systems. Outlines are given of a number of calculations that would be of great importance to ITER and to the overall fusion program and that could be carried out now with limited resources.
非軸対称性の物理学は、トロイダル核融合プラズマの理論において、予想される以上にはるかに重要なテーマである。(1) 磁場強度の小さなトロイダル非対称性、δ ≡ ∂ln B/∂φ ∼ 10⁻⁴ でさえ、許容できない性能低下を引き起こし得る。(2) それにもかかわらず、非対称性——大きな非対称性 δ ∼ 1 でさえ——は有益なプラズマ制御をもたらし、軸対称核融合装置を問題含みにする磁気配位の維持やディスラプションなどの課題を回避することができる。軸対称プラズマを設計・研究するのに適した観点から見ると、非軸対称プラズマの物理学は極めて困難に思われる。注目すべきことに、マクスウェル方程式はトロイダル核融合プラズマの物理学に極めて強い制約を与え、プラズマのブラックボックスモデルでさえ多くの重要な問いに答えることができる。運動論および非平衡熱力学はさらなる、しかしより微妙な制約を与える。本論文は、これらの制約を、既存の実験から核融合システムへ移行するために必要とされる革新と外挿の基盤として利用できるように構成されている。ITERおよび核融合プログラム全体にとって極めて重要であり、限られた資源で今すぐ実行可能ないくつかの計算の概要が示されている。