Plasma start-up by neutral beam injection was investigated for stellarators. A zero-dimensional collisional model was extended to evaluate the temporal evolution of the plasma start-up in a confining toroidal magnetic field. Inclusion of different beam energy components indicated a substantial effect due to the energy dependence of beam–gas collisions. Additional collision processes and particle equations were considered to simulate the plasma start-up in helium–hydrogen mixtures. The isotope effect between operation with hydrogen and deuterium beams was also investigated.As a major objective the conditions necessary for a plasma start-up with neutral beams in W7-X have been examined. The assessed beam configuration in W7-X was found not to allow plasma start-up by neutral beam injection alone. The model has been validated for experimental data from W7-AS and Large Helical Device. Quantitative predictions of this study show that the ratio of the beam–plasma interaction length and the plasma volume is an essential quantity for the successful plasma start-up with neutral beams.
中性粒子ビーム入射によるプラズマ立ち上げを、ステラレーターについて調査した。閉じ込め磁場中のプラズマ立ち上げの時間発展を評価するために、ゼロ次元モデルを拡張した。異なるビームエネルギー成分を含めることで、ビーム-ガス衝突のエネルギー依存性による顕著な効果が示された。ヘリウム-水素混合プラズマ中のプラズマ立ち上げをシミュレートするために、追加の衝突過程と粒子方程式を考慮した。水素ビームと重水素ビームによる運転間の同位体効果も調査した。主な目的として、W7-Xにおける中性粒子ビームによるプラズマ立ち上げに必要な条件を検討した。評価されたW7-Xのビーム配置では、中性粒子ビーム入射のみによるプラズマ立ち上げは不可能であることが判明した。このモデルは、W7-ASおよび大型ヘリカル装置の実験データに対して検証された。本研究の定量的予測は、ビーム-プラズマ相互作用長とプラズマ体積の比が、中性粒子ビームによるプラズマ立ち上げの成功にとって本質的な量であることを示している。