The energy confinement time of tokamak plasmas scales positively with plasma size and so it is generally expected that the fusion triple product, nTτE, will also increase with size, and this has been part of the motivation for building devices of increasing size including ITER. Here n, T, and τE are the ion density, ion temperature and energy confinement time respectively. However, tokamak plasmas are subject to operational limits and two important limits are a density limit and a beta limit. We show that when these limits are taken into account, nTτE becomes almost independent of size; rather it depends mainly on the fusion power, Pfus. In consequence, the fusion power gain, Qfus, a parameter closely linked to nTτE is also independent of size. Hence, Pfus and Qfus, two parameters of critical importance in reactor design, are actually tightly coupled. Further, we find that nTτE is inversely dependent on the normalised beta, βN; an unexpected result that tends to favour lower power reactors. Our findings imply that the minimum power to achieve fusion reactor conditions is driven mainly by physics considerations, especially energy confinement, while the minimum device size is driven by technology and engineering considerations. Through dedicated R&D and parallel developments in other fields, the technology and engineering aspects are evolving in a direction to make smaller devices feasible.
トカマクプラズマのエネルギー閉じ込め時間はプラズマサイズと正にスケールするため、核融合三乗積 nTτE もサイズとともに増加すると一般に予想されており、これは ITER を含むより大型の装置を建設する動機の一部となってきた。ここで、n、T、τE はそれぞれイオン密度、イオン温度、エネルギー閉じ込め時間である。しかし、トカマクプラズマは運転限界の制約を受け、重要な限界として密度限界とベータ限界の2つがある。これらの限界を考慮すると、nTτE はサイズにほぼ依存しなくなり、むしろ主に核融合出力 Pfus に依存することを示す。その結果、nTτE に密接に関連するパラメータである核融合出力増倍率 Qfus もサイズに依存しない。したがって、炉設計において極めて重要な2つのパラメータである Pfus と Qfus は、実際には密接に結合している。さらに、nTτE が規格化ベータ βN に逆依存することを見いだす。これは低出力炉を有利にする傾向がある予想外の結果である。我々の知見は、核融合炉条件を達成するための最小出力は主に物理的考察、特にエネルギー閉じ込めによって決定され、一方、最小装置サイズは技術・工学的考察によって決定されることを示唆する。専用の研究開発と他分野での並行した発展を通じて、技術・工学的側面はより小型の装置を実現可能にする方向に進化している。