A full electromagnetic plasma burn-through simulation code has been developed to improve understanding of the plasma breakdown and initiation process in tokamaks, including spherical tokamaks. A 0D plasma model is adopted in the model, with only operation signals as input, such as current waveforms of central solenoid coils and poloidal field coils, prefill gas pressure and parameters for wall conditioning, which are determined before discharge experiments. The output includes the time evolution of the plasma current, electron temperature, ion temperature, and densities of gas compositions. The simulation code mainly contains three parts: circuit equations, energy balances, and particle balances. Eddy currents on toroidal passive conducting units of vacuum vessel and plasma current are calculated simultaneously by solving circuit equations. The use of eddy current waveforms and coil current waveforms enables calculation of the 2D space distribution of time-evolving poloidal magnetic field and flux, and consequently the plasma volume evolution can be calculated using the last closed flux surface. Energy balances and particle balances are used to solve the temperature and density evolution of fuel gas and impurities. The main procedures in energy balances and particle balances are ionization, recombination, charge exchange, radiation, and transport. Transport loss is estimated by perpendicular loss by Bohm diffusion and parallel loss along field lines, which is calculated using connection length and ion sound speed. The connection length is calculated using magnetic field line tracing with electromagnetic modeling. The code has been used to reproduce the time evolution of plasma current, electron density, flux loop data, and Hα or Dα data of plasma burn-through on SUNIST-2 spherical tokamak and EAST tokamak, and the simulated results are consistent with experimental measurements with the relative errors of the plasma current, loop voltage, and magnetic flux under 15%.
トカマク（球状トカマクを含む）におけるプラズマの絶縁破壊および開始過程の理解を深めるために、完全電磁プラズマバーンスルーシミュレーションコードを開発した。本モデルでは0Dプラズマモデルを採用しており、入力は、中心ソレノイドコイル及びポロイダル磁場コイルの電流波形、予備充填ガス圧力、壁コンディショニングのパラメータなど、放電実験前に決定される運転信号のみである。出力には、プラズマ電流、電子温度、イオン温度、およびガス組成の密度の時間発展が含まれる。シミュレーションコードは主に、回路方程式、エネルギー収支、粒子収支の3つの部分から構成される。真空容器のトロイダル受動導電部品上の渦電流とプラズマ電流は、回路方程式を解くことにより同時に計算される。渦電流波形とコイル電流波形を用いることにより、時間発展するポロイダル磁場と磁束の2次元空間分布の計算が可能となり、その結果、最終閉磁気面を用いてプラズマ体積の時間発展を計算できる。エネルギー収支と粒子収支は、燃料ガスと不純物の温度及び密度の時間発展を解くために用いられる。エネルギー収支と粒子収支における主要な過程は、電離、再結合、電荷交換、放射、および輸送である。輸送損失は、ボーム拡散による垂直方向の損失と、磁力線に沿った平行方向の損失によって見積もられる。平行方向の損失は、接続長とイオン音速を用いて計算される。接続長は、電磁モデリングを用いた磁力線追跡によって計算される。このコードは、SUNIST-2球状トカマク及びEASTトカマクにおけるプラズマバーンスルーのプラズマ電流、電子密度、磁束ループデータ、並びにHαまたはDαデータの時間発展を再現するために使用されており、シミュレーション結果は実験測定と一致し、プラズマ電流、ループ電圧、磁束の相対誤差は15%未満である。