Ion cyclotron resonance heating (ICRH) plays a crucial role in magnetic confinement nuclear fusion, enhancing plasma temperature and enabling sustained fusion reactions. Full wave simulations in the ion cyclotron range of frequency are essential for exploring heating mechanisms and guiding experiments. This paper focuses on the development and application of a finite element method (FEM) based full wave simulation code, INTFLUK, which incorporates the poloidal magnetic field to account for the up and down shift effect of the parallel wave number. The code's superiority lies in its ability to handle complex antenna structures and irregular boundaries, saving computational resources and reducing calculation time. The paper presents the physical model of INTFLUK, including the poloidal magnetic field, and demonstrates its application through tests on the EAST and China Fusion Engineering Test Reactor tokamak. The results show that INTFLUK effectively captures the up–down asymmetry of the electric field and the mode conversion between fast waves and slow ion cyclotron waves. Comparisons with the TORIC code validate the accuracy of INTFLUK in simulating these effects, with integral power partition errors less than 10%. The findings highlight the importance of considering the poloidal magnetic field and spatial dispersion effects in FEM based full wave simulation code for ICRH, advancing the understanding and application of ICRH in fusion research.
イオンサイクロトロン共鳴加熱(ICRH)は、磁場閉じ込め核融合において極めて重要な役割を果たし、プラズマ温度を上昇させ、持続的な核融合反応を可能にする。イオンサイクロトロン周波数領域における全波シミュレーションは、加熱機構の探索と実験の指針のために不可欠である。本論文は、平行波数の上下シフト効果を考慮するためにポロイダル磁場を組み込んだ、有限要素法(FEM)に基づく全波シミュレーションコードINTFLUKの開発と適用に焦点を当てている。このコードの優位性は、複雑なアンテナ構造や不規則な境界を処理できる点にあり、計算資源を節約し、計算時間を短縮する。本論文は、ポロイダル磁場を含むINTFLUKの物理モデルを示し、EASTおよび中国核融合工学試験炉トカマクでの試験を通じてその応用を実証する。結果は、INTFLUKが電場の上下非対称性と、高速波と低速イオンサイクロトロン波の間のモード変換を効果的に捉えることを示している。TORICコードとの比較により、これらの効果のシミュレーションにおけるINTFLUKの精度が検証され、積分パワー配分誤差は10%未満である。これらの知見は、ICRH用のFEMに基づく全波シミュレーションコードにおいてポロイダル磁場と空間分散効果を考慮することの重要性を強調し、核融合研究におけるICRHの理解と応用を前進させる。