Ion temperatures of over 100 million degrees need to be reached in future fusion reactors for the deuterium–tritium fusion reaction to work. Ion cyclotron resonance heating (ICRH) is a method that has the capability to directly heat ions to such high temperatures, via a resonant interaction between the plasma ions and radiofrequency waves launched in the plasma. This paper gives an overview of recent developments in this field. In particular a novel and recently developed three-ion heating scenario will be highlighted. It is a flexible scheme with the potential to accelerate heavy ions to high energies in high density plasmas as expected for future fusion reactors. New antenna designs will be needed for next step large future devices like DEMO, to deliver steady-state high power levels, cope with fast variations in coupling due to fast changes in the edge density and to reduce the possibility for impurity production. Such a new design is the traveling wave antenna (TWA) consisting of an array of straps distributed around the circumference of the machine, which is intrinsically resilient to edge density variations and has an optimized power coupling to the plasma. The structure of the paper is as follows: to provide the general reader with a basis for a good understanding of the later sections, an overview is given of wave propagation, coupling and RF power absorption in the ion cyclotron range of frequencies, including a brief summary of the traditionally used heating scenarios. A special highlight is the newly developed three-ion scenario together with its promising applications. A next section discusses recent developments to study edge-wave interaction and reduce impurity influx from ICRH: the dedicated devices IShTAR and Aline, field aligned and three-strap antenna concepts. The principles behind and the use of ICRH as an important option for first wall conditioning in devices with a permanent magnetic field is discussed next. The final section presents ongoing developments for antenna systems in next step devices like ITER and DEMO, with as highlight the TWA concept.
将来の核融合炉で重水素-トリチウム核融合反応が機能するためには、1億度を超えるイオン温度に達する必要がある。イオンサイクロトロン共鳴加熱（ICRH）は、プラズマイオンとプラズマ中に放射される高周波波との間の共鳴相互作用を介して、イオンをこのような高温に直接加熱できる手法である。本論文では、この分野における最近の進展について概説する。特に、新たに開発された三イオン加熱シナリオに焦点を当てる。これは、将来の核融合炉で想定される高密度プラズマ中の重イオンを高エネルギーまで加速できる柔軟な手法である。次世代の大型装置（ITERやDEMOなど）では、定常状態の高電力供給、端部密度の急激な変化に伴う結合変動への対応、不純物生成の低減を実現する新しいアンテナ設計が必要となる。このような新設計の一つが進行波アンテナ（TWA）であり、装置の周方向に配置されたストラップのアレイで構成され、端部密度変動に対して本質的に頑健で、プラズマへの電力結合が最適化されている。本論文の構成は以下の通りである。読者が後続のセクションを理解するための基礎として、イオンサイクロトロン周波数帯における波動伝播、結合、RF電力吸収の概要を示す。続いて、従来から使用されてきた加熱シナリオを簡潔にまとめる。その後、新たに開発された三イオンシナリオとその有望な応用について詳述する。次のセクションでは、端部-波動相互作用の研究とICRHによる不純物流入低減に関する最近の進展について議論する。専用装置であるIShTARとAline、およびフィールド配向型・三ストラップアンテナの概念について述べる。さらに、永久磁場を有する装置における第一壁調整の重要なオプションとしてのICRHの原理と利用について考察する。最後のセクションでは、ITERやDEMOのような次世代装置向けアンテナシステムの開発中の進展について、TWA概念を中心に紹介する。