Start-up of a large tokamak with a superconducting central solenoid (CS) is challenging due to its low loop voltage. Non-inductive start-up using radio-frequency waves such as electron cyclotron (EC) waves has been studied using the trapped-particle configuration (TPC) designed to confine collisionless electrons. In recent years, TPC was found to be effective not only for non-inductive start-up but also for EC assisted ohmic start-up as well. The global phase-space structure of the collisionless electrons during EC heated TPC start-up was numerically analyzed in terms of the orbit-averaged distribution function. Transport of collisionless electrons generated by EC waves was simulated with orbit-averaged Fokker–Planck equation solver that can treat open field-lines. The result of the Fokker–Planck simulation was introduced to equilibrium reconstruction code based on extended magnetohydrodynamics (MHD) that included the kinetic electron current. Finite-orbit effects and relativistic effects were considered consistently for both the Fokker–Planck simulation and the extended MHD equilibrium reconstruction. Time evolution of the global electron distribution function was simulated for the first time starting from the vacuum TPC up to closed flux surface formation. The results of the newly developed model suggest that the kinetic electron current generated by EC heating under the TPC is sufficient to form closed flux surfaces. The electron distribution function was predicted to have a characteristic phase-space structure resulting from strong acceleration of trapped electrons with turning points at the EC resonance layer.
超伝導中心ソレノイド(CS)を備えた大型トカマクの立ち上げは、その低いループ電圧のために困難である。無衝突電子を閉じ込めるように設計された捕捉粒子配位(TPC)を用いて、電子サイクロトロン(EC)波などの高周波波を用いた非誘導立ち上げが研究されてきた。近年、TPCは非誘導立ち上げだけでなく、EC支援オーミック立ち上げにも有効であることが見出されている。EC加熱されたTPC立ち上げ時における無衝突電子の大域的位相空間構造を、軌道平均分布関数の観点から数値解析した。EC波によって生成された無衝突電子の輸送を、開放磁力線を扱える軌道平均フォッカー・プランク方程式ソルバーを用いてシミュレーションした。フォッカー・プランクシミュレーションの結果は、運動論的電子電流を含む拡張磁気流体力学(MHD)に基づく平衡再構成コードに導入された。有限軌道効果と相対論効果は、フォッカー・プランクシミュレーションと拡張MHD平衡再構成の両方で一貫して考慮された。大域的電子分布関数の時間発展が、真空TPCから閉磁気面形成までの間について初めてシミュレーションされた。新たに開発されたモデルの結果は、TPC下でのEC加熱によって生成される運動論的電子電流が閉磁気面を形成するのに十分であることを示唆している。電子分布関数は、EC共鳴層に転回点を持つ捕捉電子の強い加速に起因する特徴的な位相空間構造を持つと予測された。