High power free-electron lasers make possible new methods for driving current in toroidal devices with electromagnetic waves. Earlier considerations of beat wave current drive are applied to a hot magnetized plasma and an arbitrary beat wave. Here the beating of two electromagnetic waves resonantly excites a low frequency beat wave that accelerates and heats electrons and leads to a current. The absolute current drive efficiency depends nonlinearly on the two pump wave intensities and is constrained by the Manley-Rowe relations. Accessibility at high plasma densities is not a difficulty, but a degree of frequency tunability of the wave sources is required. Particle simulations indicate that there is good coupling to an electron velocity tail for a Langmuir beat wave with a phase velocity 1.5 to 3 times (Te/me)½, so that all of the high frequency wave source is absorbed and the beat wave damps completely on the electrons. A novel diagnostic, based on an analytical solution for the linearized Fokker-Planck equation describing electron scattering and slowing down, is added to the particle code. This permits the computation of the current drive efficiency, including both the non-linear beat wave coupling and the collisional relaxation of the electron distribution. A realistic scenario for a beat wave current drive experiment in the Livermore Microwave Tokamak Experiment is calculated using the TORAY toroidal ray tracing code, and the scaling to an engineering test reactor plasma is described.
高出力自由電子レーザーは、電磁波を用いたトロイダル装置における電流駆動の新たな手法を可能にする。ビート波電流駆動に関する従来の考察は、高温磁化プラズマおよび任意のビート波に適用される。ここでは、2つの電磁波のビートが、低周波のビート波を共鳴的に励起し、それが電子を加速・加熱して電流を生じさせる。絶対電流駆動効率は、2つのポンプ波強度に非線形に依存し、マンリー・ロー関係式によって制約される。高プラズマ密度における到達可能性は問題ではないが、波源の周波数 tunability がある程度必要である。粒子シミュレーションは、位相速度が (Te/me)½ の1.5倍から3倍であるラングミュアビート波に対して、電子速度テールへの良好な結合が存在することを示しており、その結果、高周波波源のすべてが吸収され、ビート波は電子上で完全に減衰する。電子の散乱および減速を記述する線形化フォッカー・プランク方程式の解析解に基づく新しい診断法が、粒子コードに追加される。これにより、非線形ビート波結合と衝突性緩和の両方を含む電流駆動効率の計算が可能になる。リバモア・マイクロ波トカマク実験におけるビート波電流駆動実験の現実的なシナリオが、TORAY トロイダル光線追跡コードを用いて計算され、工学的試験炉プラズマへのスケーリングが記述される。