Initial computational plasma physics scoping and a finite element method antenna modeling design workflow for a symmetric center-fed high-field side high harmonic fast wave traveling wave array (TWA) antenna are reported here. The TWA is designed to generate a test population of fast deuterium ions in an existing D–D tokamak by heating neutral beam deuterium ions, accelerating them from 80 keV to several hundred keV. The resulting fast particles are tailored to mimic key reactor energetic particle parameters with regards to exciting Alfven eigenmode instabilities, allowing for a D–D tokamak like DIII-D or ASDEX-U to replicate reactor-relevant conditions experimentally. Initial scenario scoping for high single-pass absorption as well as good preferential fast ion damping relative to electron damping was completed using the ray-tracing/Fokker–Planck codes GENRAY and CQL3D. Python RF network analysis packages were used to create a custom TWA optimization tool to inform a COMSOL flat antenna design, and Petra-M was used to study cold plasma effects. The TWA produced by this workflow has several novel features when compared to previous TWA studies, including symmetric center feeding, and passive end straps for image current cancellation for reduced impurity production. We show here that the antenna design workflow can readily produce TWA antennas optimized for reflection coefficient, image current cancellation, and launched power spectrum shape; and that a population of fast ions can be generated in the correct region of parameter space, warranting future more detailed studies.
ここでは、対称中央給電・高磁場側・高高調波高速波進行波アレイ(TWA)アンテナに対する初期計算プラズマ物理スコーピングと、有限要素法アンテナモデリング設計ワークフローを報告する。TWAは、既存のD–Dトカマクにおいて、中性粒子ビーム重水素イオンを加熱して80 keVから数百keVまで加速することにより、高速重水素イオンの試験集団を生成するように設計されている。得られた高速粒子は、アルヴェン固有モード不安定性の励起に関する核融合炉の主要な高エネルギー粒子パラメータを模擬するように調整されており、DIII-DやASDEX-UのようなD–Dトカマクが炉心関連条件を実験的に再現することを可能にする。高い単一通過吸収と、電子減衰に対する良好な優先的高速イオン減衰のための初期シナリオスコーピングは、光線追跡/フォッカー–プランクコードGENRAYおよびCQL3Dを用いて完了した。PythonのRFネットワーク解析パッケージを用いて、COMSOLフラットアンテナ設計に情報を与えるカスタムTWA最適化ツールを作成し、冷プラズマ効果の研究にはPetra-Mを使用した。このワークフローによって生成されたTWAは、対称中央給電や、不純物生成低減のためのイメージ電流打ち消し用パッシブエンドストラップなど、これまでのTWA研究と比較していくつかの新しい特徴を有する。ここで示すように、アンテナ設計ワークフローは、反射係数、イメージ電流打ち消し、投入パワースペクトル形状に対して最適化されたTWAアンテナを容易に生成でき、また正しいパラメータ空間領域に高速イオン集団を生成できるため、将来のより詳細な研究が正当化される。