The plasma startup with ITER-relevant sub-mPa neutral pressures in the JT-60SA superconducting tokamak is studied using a zero-dimensional (0D) power balance model for the plasma burn-through phase. In the ohmic startup scenario assumed here, the lower limit of the operational neutral pressure is determined by the condition for the Townsend avalanche at a high limit, whereas the upper limit depends on the available ohmic heating power for the burn-through with the base power supply (PS) of the superconducting coils, corresponding to 0.2–0.3 V m−1. The operational conditions that lead to RE generation are evaluated to mitigate the risk of RE discharges. The simulation shows that startup REs are generated during the temperature rise immediately after the burn-through under relatively low-density conditions, and then the RE current value is gradually increased in balance with the RE loss processes on the timescale of Ip ramp-up. Therefore, it is expected that REs can be avoided or mitigated if the electron density during the early build-up phase is tuned by a combination of prefill gas and additional fuelling. However, a startup with an excessive prefill gas will lose the margin of the density control, and a full RE discharge can be triggered when the plasma burn-through fails owing to a high concentration of impurities such as oxygen, if the operational point is marginal to the burn-through limit. The present modelling work implies that preparing the operation with sufficient margins against the failure of impurity burn-through is important for mitigating the risk of unintended plasma termination. Although the carbon wall environment may have a lower risk of RE generation, to alleviate the operational uncertainties of the new device, strategies for expanding the operational window are also discussed in support of JT-60SA initial operation.
JT-60SA超伝導トカマクにおけるITER関連のサブmPa中性ガス圧でのプラズマ立ち上げを、プラズマ燃え抜け相に対する零次元(0D)パワーバランスモデルを用いて研究した。ここで想定するオーミック立ち上げシナリオでは、動作可能な中性ガス圧の下限は、高い限界でのタウンゼント雪崩の条件によって決定され、一方、上限は、超伝導コイルの基本電源(PS)を用いた燃え抜けに利用可能なオーミック加熱電力に依存し、0.2–0.3 V m−1に相当する。RE生成につながる運転条件を評価し、RE放電のリスクを軽減する。シミュレーションは、比較的低密度条件下で燃え抜け直後の温度上昇中に立ち上げ時REが生成され、その後、RE電流値はIpランプアップの時間スケールでRE損失過程と釣り合いながら徐々に増加することを示している。したがって、初期ビルドアップ相中の電子密度をプリフィルガスと追加燃料供給の組み合わせで調整すれば、REを回避または軽減できると期待される。しかしながら、過剰なプリフィルガスによる立ち上げは密度制御のマージンを失い、運転点が燃え抜け限界に対して限界的である場合、酸素などの不純物の高濃度のためにプラズマ燃え抜けが失敗すると、完全なRE放電が誘発され得る。本研究のモデリングは、意図しないプラズマ終了のリスクを軽減するためには、不純物の燃え抜け失敗に対して十分なマージンを確保して運転を準備することが重要であることを示唆している。炭素壁環境はRE生成のリスクが低い可能性があるが、新型装置の運転上の不確実性を軽減するために、JT-60SA初期運転を支援すべく、運転ウィンドウを拡大する戦略についても議論される。