Glow discharge cleaning (GDC) is a common technique for the conditioning of tokamak vessel walls in order to improve plasma performance and will be one of the primary conditioning techniques in ITER. The GDC discharge is a dc low-temperature plasma discharge, operated in the absence of the toroidal magnetic field, between one or more anodes inserted into the vessel, and the entire vessel wall serving as a cathode. This paper presents a self-consistent 2D model of the GDC discharge with the aim of improving fundamental understanding and predicting the wall ion current density distribution in ITER. The model combines a standard fluid model of the quasineutral plasma bulk with non-standard fluid equations for the fast electrons accelerated by the cathode sheath, based on transport coefficients and rate coefficients deduced from a Monte Carlo simulation. Examples of model results are shown in order to illustrate the general principles of the GDC discharge and the influence of the model input parameters. An important insight gained from this work is that the GDC discharge operates basically as a hollow-cathode discharge: the plasma is sustained mainly by ionization by secondary electrons emitted from the cathode, accelerated ballistically through a thin cathode sheath, penetrating the plasma as a fast electron beam, and trapped by the cathode fall surrounding the plasma on all sides. The electric field distribution inside the plasma, which determines the ion flux distribution on the vessel walls, is controlled by low-energy plasma bulk electrons. The relatively small surface area of the anode leads to the formation of an anode glow affecting the plasma uniformity. Comparisons with experimental data and predictions for ITER are presented in a companion paper.
グロー放電洗浄（GDC）は、プラズマ性能を向上させるためのトカマク容器壁のコンディショニングにおける一般的な手法であり、ITERにおける主要なコンディショニング手法の一つとなるであろう。GDC放電は、トロイダル磁場が存在しない状態で、容器内に挿入された1つまたは複数の陽極と、容器壁全体が陰極として機能する間で行われる直流低温度プラズマ放電である。本論文では、ITERにおける壁面イオン電流密度分布の基礎的理解を深め、予測することを目的として、GDC放電の自己無撞着な2次元モデルを提示する。本モデルは、準中性プラズマバルクの標準的な流体モデルと、陰極シースによって加速された高速電子に対する非標準的な流体方程式を組み合わせたものであり、輸送係数および反応係数はモンテカルロシミュレーションから導出される。GDC放電の一般的な原理とモデル入力パラメータの影響を説明するために、モデル結果の例を示す。本研究から得られた重要な知見は、GDC放電が基本的に中空陰極放電として動作するという点である。すなわち、プラズマは主として、陰極から放出され、薄い陰極シースを通って弾道的に加速され、高速電子ビームとしてプラズマ中に侵入し、周囲を囲む陰極降下によって捕捉される二次電子による電離によって維持される。容器壁におけるイオンフラックス分布を決定するプラズマ内部の電界分布は、低エネルギーのプラズマバルク電子によって制御される。陽極の表面積が比較的小さいことにより、プラズマの均一性に影響を与える陽極グローが形成される。実験データとの比較およびITERに対する予測は、併報論文で提示される。