This paper revisits a number of key aspects of plasma initiation, aiming to clarify concepts, provide definitions and improve understanding, in view of ITER First Plasma operation. It shows that size matters and that breakdown and plasma initiation differ in larger devices. The large thick and conductive ITER vessel slows down the prefill process, the development of the toroidal electric field and affects the dynamics of the poloidal magnetic field at breakdown. The large vacuum vessel requires more than 1 s for the prefill gas to spread over the vessel. It slows down the development of the toroidal electric field, applied to ionize the prefill gas, by about 1 s and complicates the control of the magnetic configuration required for plasma initiation. It is shown that the avalanche process that provides the initial ionization slows down towards the end, if the cross-section of the toroidal discharge is larger. On the other hand, a larger plasma volume is beneficial for the subsequent burn-through of main-species ionization and impurity line-radiation. ITER First Plasma operation aims to reach a minimum plasma current of 100 kA, which will require a full avalanche and a partial burn-through to reach electron temperatures of at least 10–20 eV. The burn-through limits the ITER prefill pressure upper range of about 1 mPa. These predictions are based on 0D models of plasma initiation that furthermore assume the plasma volume remains constant. As burn-through is a critical process, models that consider radial profiles and/or volume dynamics, could provide further insight in the constraints of ITER plasma initiation. Electron cyclotron heating (ECH) high-power microwaves can be used to assist the ITER plasma initiation process. Although the ECH burn-through assist is reasonably well understood, no model exist that can predict the behaviour of ECH pre-ionization on ITER plasma initiation. ECH burn-through assist is shown to be ineffective for ITER First Plasma operations. Low prefill pressures are thought to increase the likelihood to develop a highly energetic supra-thermal electron discharge during the plasma initiation process. Considering supra-thermal electrons could affect the assumptions for the plasma resistance or even the ionization rate coefficient in plasma initiation models, hence altering the expected dynamics. Furthermore, only a qualitative picture of the processes that cause such supra-thermal discharges exists and a dedicated model is needed to improve ITER predictions.
本論文は、ITERのファーストプラズマ運転を見据えて、プラズマ開始のいくつかの重要な側面を再検討し、概念を明確にし、定義を提供し、理解を深めることを目的とする。サイズが重要であり、より大型の装置では絶縁破壊とプラズマ開始が異なることを示す。大型で厚く導電性のあるITER容器は、プリフィル過程を遅らせ、トロイダル電場の発生を遅らせ、絶縁破壊時のポロイダル磁場のダイナミクスに影響を与える。大型の真空容器では、プリフィルガスが容器全体に広がるのに1秒以上かかる。それは、プリフィルガスを電離するために印加されるトロイダル電場の発生を約1秒遅らせ、プラズマ開始に必要な磁場配位の制御を複雑にする。初期電離を担うなだれ過程は、トロイダル放電の断面が大きい場合、終盤に向かって遅くなることが示される。一方、プラズマ体積が大きいと、その後の主種の電離と不純物の線放射のバーンスルーに有利である。ITERのファーストプラズマ運転は、少なくとも10〜20 eVの電子温度に達するために完全ななだれと部分的なバーンスルーを必要とする最小プラズマ電流100 kAに到達することを目指している。バーンスルーは、ITERのプリフィル圧力の上限範囲を約1 mPaに制限する。これらの予測は、プラズマ体積が一定に保たれるとさらに仮定する、プラズマ開始の0Dモデルに基づいている。バーンスルーは重要な過程であるため、動径分布および/または体積ダイナミクスを考慮するモデルは、ITERのプラズマ開始の制約についてさらなる洞察を提供する可能性がある。電子サイクロトロン加熱（ECH）の高出力マイクロ波は、ITERのプラズマ開始過程を支援するために使用できる。ECHバーンスルー支援はかなりよく理解されているが、ITERのプラズマ開始に対するECH事前電離の挙動を予測できるモデルは存在しない。ECHバーンスルー支援は、ITERのファーストプラズマ運転には効果がないことが示される。低いプリフィル圧力は、プラズマ開始過程の間に高エネルギーの超熱電子放電を発生させる可能性を高めると考えられている。超熱電子を考慮すると、プラズマ開始モデルにおけるプラズマ抵抗やさらには電離速度係数の仮定に影響を与え、それによって予想されるダイナミクスを変える可能性がある。さらに、そのような超熱電子放電を引き起こす過程の定性的な描像しか存在せず、ITERの予測を改善するには専用のモデルが必要である。