A Simulation study on burning profile tailoring of steady state, high bootstrap current tokamaks

定常・高自発電流トカマクの燃焼構造制御に関するシミュレーション研究

中村 幸治; 武井 奈帆子; 飛田 健次; 坂本 宜照; 藤田 隆明; 福山 淳*; Jardin, S. C.*

Nakamura, Yukiharu; Takei, Nahoko; Tobita, Kenji; Sakamoto, Yoshiteru; Fujita, Takaaki; Fukuyama, Atsushi*; Jardin, S. C.*

熱出力3-5GW級の定常DEMO炉では、核燃焼制御の観点から次の二つの重要課題が未解決である。一つは、これまで「熱不安定性」と呼ばれてきた「燃焼不安定性」を回避しながらその高パワー燃焼状態をいかに安定に維持できるかであり、もう一つは、定常運転に必要な自発電流を作る内部輸送障壁と関連する燃焼構造をいかに制御できるかである。輸送改善モデルを含む自己無撞着なシミュレーションによって、高出力DEMO炉では核燃焼度と非誘導の自発電流駆動源とが相互に干渉し得ることがわかった。その結果、1GW以下の低出力模擬燃焼状態とは大きく異なり、3-5GW燃焼では自己点火核燃焼が強く自己組織化され、そのため、燃料供給を除いては有効な燃焼制御手段が存在しない程プラズマ制御が困難になることを示した。

From the aspect of fusion burn control in steady state DEMO plant, the significant challenges are to maintain its high power burning state of 3 - 5 GW without burning instability, and also to keep its desired burning profile relevant with internal transport barrier (ITB) that generates high bootstrap current. A self-consistent simulation has pointed out that in the high power fusion DEMO plant there is a close, nonlinear interplay between the fusion burnup and the current source of non-inductive, ITB-generated bootstrap current. Consequently, as much distinct from usual burning conditions with lower power ( 1GW), the self-ignited fusion burn at a high power burning state of 3 - 5 GW becomes so strongly self-organized that any of external means except fuelling can not provide the effective control of the stable fusion burn. The paper presents a simulation modeling of the burning stability coupled with the self-ignited fusion burn and the structure-formation of the ITB.