High-power microwave beams used for heating and current drive in magnetically confined fusion plasmas can be broadened significantly by plasma turbulence, negatively impacting the efficiency of the machine. The dependence of this beam broadening on plasma and beam parameters is not yet fully understood, particularly where the dependence on one parameter is not separable from the dependence on the other parameters, meaning the dependence must be expressed via functions of linear combinations of parameters, rather than functions of single parameters. The aim of this work is to develop an empirical model for how the broadening depends on plasma and beam parameters, allowing for the easy estimation of beam broadening by turbulence without the need for computationally expensive full-wave simulations. In this paper, a microwave beam is simulated propagating through a turbulent layer of plasma using the 2D full-wave cold plasma code EMIT-2D. The dependence of beam broadening on background plasma density, fluctuation amplitude, turbulence correlation lengths in the radial and poloidal direction, thickness of the turbulence layer, and microwave beam waist are considered. The parameter scans are conducted in pairwise combinations of the parameters in order to determine the separability of the dependencies. We find that the dependence on the radial and poloidal correlation lengths are not separable from each other, and neither are the dependences on the fluctuation level and the background density, but all other dependencies are separable. Ignoring this inseparability in the correlation lengths will usually result in an over-prediction of the broadening in tokamak plasmas. An empirical formula for the beam broadening based on the turbulence and beam parameters is found for fusion-relevant scenarios, making prediction of the effect possible in microseconds, instead of the hours required for full-wave simulation. This could then be of use for integrated modelling of heating and current drive systems.
磁場閉じ込め核融合プラズマ中の加熱および電流駆動に使用される大電力マイクロ波ビームは、プラズマ乱流によって大幅に広がる可能性があり、装置の効率に悪影響を及ぼす。このビーム広がりのプラズマおよびビームパラメータへの依存性は、まだ完全には理解されていない。特に、あるパラメータへの依存性が他のパラメータへの依存性から分離できない場合、つまりその依存性が単一パラメータの関数ではなく、パラメータの線形結合の関数として表現されなければならない場合がある。本研究の目的は、ビーム広がりがプラズマおよびビームパラメータにどのように依存するかについての経験モデルを開発し、計算コストの高い全波シミュレーションを必要とせずに、乱流によるビーム広がりを容易に推定できるようにすることである。本論文では、2次元全波冷プラズマコードEMIT-2Dを用いて、マイクロ波ビームがプラズマの乱流層を伝搬するシミュレーションを行う。ビーム広がりの、背景プラズマ密度、揺動振幅、径方向およびポロイダル方向の乱流相関長、乱流層の厚さ、マイクロ波ビームウェストへの依存性を考察する。依存性の分離可能性を決定するために、パラメータ走査はパラメータのペアワイズ組み合わせで実施される。径方向とポロイダル方向の相関長への依存性は互いに分離不可能であり、揺動レベルと背景密度への依存性も同様に分離不可能であるが、その他のすべての依存性は分離可能であることが分かった。相関長におけるこの分離不可能性を無視すると、通常、トカマクプラズマにおける広がりを過大予測することになる。核融合関連シナリオについて、乱流およびビームパラメータに基づくビーム広がりの経験式が得られ、全波シミュレーションに必要な数時間の代わりに、マイクロ秒単位で効果の予測が可能になる。これはその後、加熱および電流駆動システムの統合モデリングに有用となり得る。