The elimination of the need for an Ohmic heating solenoid may be the most impactful design driver for the realization of economical compact fusion tokamak reactor systems. However, this would require fully non-inductive start-up and current ramp-up from zero plasma current and low electron temperature of sub-keV to the full plasma current of ∼10–15 MA at 20–30 keV electron temperature. To address this challenge, an efficient solenoid-free start-up and ramp-up scenario utilizing a low-field-side-launched extraordinary mode at the fundamental electron cyclotron harmonic frequency (X–I) is proposed, which has more than two orders of magnitude higher electron cyclotron current drive (ECCD) efficiency than the conventional ECCD for the sub-keV start-up regime. A time dependent model was developed to simulate the start-up scenarios. For the Spherical Tokamak Advanced Reactor (STAR) (Menard et al 2023 Next-Step Low-Aspect-Ratio Tokamak Design Studies (IAEA)), it was found that to fully non-inductively ramp-up to 15 MA, it would take about 25 MW of EC power at 170 GHz. Because of the relatively large plasma volume of STAR, radiation losses must be considered. It is important to make sure that high Z impurities are kept sufficiently low during the early current start-up phase where the temperature is sub-keV range. Since the initial current ramp up takes place at a factor of ten lower density compared to the sustained regimes, it is important to transition into a higher bootstrap fraction discharge at lower density to minimize the ECCD power requirement during the densification. For the sustainment phase an array of eight gyrotron launchers with a total of about 60 MW of fundamental O-mode was found to be sufficient to provide the required axis-peaked external current drive. High efficiencies between 19–57 kA MW−1 were found with optimal aiming, and these were resilient to small changes in aiming angles and density and temperature profiles.
オーミック加熱ソレノイドを不要とすることは、経済的なコンパクト核融合トカマク炉システムの実現にとって最も影響力のある設計要因となり得る。しかしながら、そのためには、ゼロプラズマ電流かつサブkeVの低電子温度から、20–30 keVの電子温度での～10–15 MAの全プラズマ電流までの完全非誘導立ち上げおよび電流ランプアップが必要となる。この課題に対処するため、基本電子サイクロトロン高調波周波数における低磁場側入射の異常波モード（X–I）を利用した効率的なソレノイドフリー立ち上げ・ランプアップシナリオを提案する。このモードは、サブkeV立ち上げ領域において、従来のECCDよりも2桁以上高い電子サイクロトロン電流駆動（ECCD）効率を持つ。立ち上げシナリオをシミュレーションするための時間依存モデルを開発した。球状トカマク先進炉（STAR）（Menard et al 2023 Next-Step Low-Aspect-Ratio Tokamak Design Studies (IAEA)）について、15 MAまで完全に非誘導でランプアップするには、170 GHzで約25 MWのECパワーが必要であることが分かった。STARのプラズマ体積が比較的大きいため、放射損失を考慮しなければならない。温度がサブkeV範囲にある初期電流立ち上げ段階では、高Z不純物が十分低く保たれるようにすることが重要である。初期の電流ランプアップは、定常維持領域と比較して密度が10分の1で起こるため、高密度化中のECCDパワー要件を最小化するために、より低い密度でより高いブートストラップ割合の放電へ遷移することが重要である。定常維持段階については、合計約60 MWの基本Oモードを持つ8基のジャイロトロンランチャーからなるアレイが、必要な軸ピーク型外部電流駆動を提供するのに十分であることが分かった。最適な入射方向において19–57 kA MW−1の高い効率が見いだされ、これらの効率は入射角度や密度・温度分布の小さな変化に対して頑健であった。