Ideal MHD stability calculations for the ARIES compact stellarator (ARIES-CS) reactor design (Najmabadi et al 2008 Fusion Sci. Technol.54 655) show a spectrum of instabilities. The ARIES design considered is a three field-period stellarator with engineering coil constraints optimized for magnetic well and alpha particle confinement. The reference design has high β ∼ 5%. The study is restricted to ideal modes and the calculations assume nested flux surfaces, with a limited plasma boundary surrounded by a vacuum. At β = 4%, with a conformal wall at twice the minor plasma radius, the equilibrium is slightly unstable to a periodicity-preserving, predominantly m/n = 9/6 mode peaked at the edge and a periodicity-breaking global m/n = 3/2 mode. At β ∼ 5%, these modes are destabilized but the growth rates are still moderate. At higher β, above the design value, several modes become unstable. Stabilization by a close fitting conducting wall is ineffective at β = 5% and below but becomes more effective at stabilizing external modes at higher β. The equilibrium at β ∼ 6% can be stabilized by a conformal wall at 1.1 times the minor plasma radius, although very weakly unstable internal modes remain at β > 6% with a wall on the plasma boundary. The sensitivity to the presence of the rational rotational transform ι = 2/3 surface at the edge of the plasma was also investigated. Generally, either the m/n = 3/2 mode is further destabilized or other modes are introduced. The stability calculations numerically impose a broadening of the singular perturbed current to eliminate spurious singularities. The effect of this is considered in detail and it is suggested that this numerical resonance detuning can model a physical broadening from non-ideal effects. Although the reference design with β ∼ 5% is above the strict ideal β limit, common experience in tokamaks indicates that weakly unstable internal modes and edge-localized modes result in relatively benign MHD activity. This is consistent with observations in large stellarator experiments that indicate some level of instability is tolerated and the results are discussed in this context and in relation to the numerical broadening of the singular perturbed currents.
ARIESコンパクトステラレーター(ARIES-CS)炉設計(Najmabadi et al 2008 Fusion Sci. Technol.54 655)に対する理想MHD安定性計算は、不安定性のスペクトルを示す。検討されたARIES設計は、磁気井戸とアルファ粒子閉じ込めに対して最適化された工学的コイル制約を有する3磁場周期ステラレーターである。参照設計は高β∼5%である。この研究は理想モードに限定され、計算は、真空に囲まれた有限のプラズマ境界を持つ入れ子状の磁束面を仮定する。β=4%では、プラズマ小半径の2倍の位置に共形壁がある場合、平衡は、周期性を保ち、主にm/n=9/6で端でピークを持つモードと、周期性を破る大域的m/n=3/2のモードに対してわずかに不安定である。β∼5%では、これらのモードは不安定化されるが、成長率は依然として穏やかである。設計値より高いβでは、いくつかのモードが不安定になる。密着した導体壁による安定化はβ=5%以下では効果がないが、より高いβでは外部モードの安定化により効果的になる。β∼6%の平衡は、プラズマ小半径の1.1倍の位置にある共形壁によって安定化できるが、プラズマ境界上に壁がある場合、β>6%では非常に弱く不安定な内部モードが残る。プラズマ端における有理回転変換ι=2/3面の存在に対する感度も調査された。一般に、m/n=3/2モードがさらに不安定化されるか、あるいは他のモードが導入される。安定性計算では、偽の特異性を除去するために、特異摂動電流の広がりを数値的に課す。この効果は詳細に検討され、この数値的共鳴離調が非理想効果による物理的広がりをモデル化できることが示唆される。β∼5%の参照設計は厳密な理想β限界を超えているが、トカマクにおける一般的な経験は、弱く不安定な内部モードと周辺局在モードが比較的良性のMHD活動をもたらすことを示している。これは、ある程度の不安定性が許容されることを示す大型ステラレーター実験での観測と一致しており、結果はこの文脈および特異摂動電流の数値的広がりに関連して議論される。