Electron Bernstein waves (EBWs) are theorised to efficiently drive current in spherical tokamak power plants, e.g. Spherical Tokamak for Energy Production (STEP). At high temperatures (keV), relativistic effects can significantly impact wave propagation. This work presents relativistic calculations of EBW wave propagation, damping, and current drive (CD) in a conceptual STEP plasma. Kramers–Kronig relations are exploited to efficiently evaluate the fully-relativistic dispersion relation for arbitrary wave-vectors, leading to a speed-up compared to previous efforts. CD efficiency is calculated using both linear and quasilinear codes. Thus, for the first time, large parametric scans of fully-relativistic EBW CD simulations are performed through ray-tracing. In STEP, three main classes of rays are identified. The first class propagate deep into the core (ρ < 0.5), but exist only if relativistic effects are accounted for. They damp strongly at the fundamental harmonic on nearly-thermal electrons and thus drive little current. A second class of rays propagate to intermediate depths () before damping at the 2nd harmonic. Their CD efficiencies are significantly altered due to relativistic changes to trajectory and polarisation. The third class of rays damp strongly far off-axis (ρ > 0.7), predominantly at the second harmonic. These ray trajectories are sufficiently short and 'cold' that relativistic effects are unimportant. In linear CD simulations, the optimal launch point corresponds to this third class of rays, suggesting that non-relativistic simulations are adequate. However, quasilinear calculations indicate that, at reactor relevant powers, CD is maximised at ρ ≈ 0.6. This quasilinear optimal point corresponds to the second class of rays, for which relativistic propagation does matter.
電子バーンスタイン波(EBW)は、球状トカマク発電所、例えばSpherical Tokamak for Energy Production (STEP)において、効率的に電流を駆動すると理論化されている。高温(keV)では、相対論効果が波動伝播に大きな影響を与え得る。本稿では、概念的なSTEPプラズマにおけるEBWの波動伝播、減衰、および電流駆動(CD)の相対論的計算を示す。Kramers–Kronig関係式を利用して、任意の波数ベクトルに対する完全相対論的分散関係を効率的に評価し、従来の取り組みと比較して高速化を実現した。CD効率は、線形および準線形コードの両方を用いて計算される。これにより、初めて、完全相対論的EBW CDシミュレーションの大規模パラメトリックスキャンが、レイトレーシングを通じて実行された。STEPでは、3つの主要なレイのクラスが特定された。最初のクラスはコア深部(ρ < 0.5)まで伝播するが、相対論効果を考慮した場合にのみ存在する。それらはほぼ熱的な電子に基本高調波で強く減衰し、したがってほとんど電流を駆動しない。2番目のクラスのレイは、中間の深さ()まで伝播してから、第2高調波で減衰する。それらのCD効率は、軌道と偏波の相対論的変化により大きく変化する。3番目のクラスのレイは、主に第2高調波で、軸から遠く離れた位置(ρ > 0.7)で強く減衰する。これらのレイ軌道は十分に短く、かつ「低温」であるため、相対論効果は重要ではない。線形CDシミュレーションでは、最適な入射点はこの3番目のクラスのレイに対応し、非相対論的シミュレーションで十分であることを示唆している。しかし、準線形計算は、原子炉に関連する出力では、CDはρ ≈ 0.6で最大化されることを示している。この準線形最適点は2番目のクラスのレイに対応し、そこでは相対論的伝播が確かに重要である。