This work presents a model for predicting electron energy gain from electron cyclotron (EC) wave–particle interactions during the breakdown phase of tokamak pre-ionization. Investigation of this phase to infer the EC requirements inevitably demands high-fidelity simulation study covering gas breakdown physics, plasma dynamics, and EC absorption. Under the significantly low density and temperature, electrons interact nonlinearly with EC wave and gain energy of which picture is distinct from the linear or quasilinear EC heating. For room temperature electrons, analytic estimates of energy gain have been derived using adiabatic nonlinear theory (Farina 2018 Nucl. Fusion58 066012). However, electrons with large incident perpendicular energy can be generated from the ionization reactions and even be present in the Maxwellian tail during the breakdown. In this work, we refined the theory into a semi-analytic form that predicts nonlinear energy gain of arbitrary perpendicular energy. The semi-analytic model is demonstrated to be accurate and efficient in calculating macroscopic electron energy absorption: the expected total absorbed energies agree well with the numerical counterparts for key characteristic electron distributions, and computation time is significantly reduced by several orders of magnitude. This work is envisaged to offer a practical tool for electron avalanche dynamics study, contributing to development of predictive capability on EC pre-ionization phase of future tokamaks such as ITER and K-DEMO.
本稿では、トカマク予備電離の絶縁破壊段階における電子サイクロトロン(EC)波–粒子相互作用から得られる電子エネルギー利得を予測するモデルを提示する。この段階を調査してEC要件を推定するには、ガス絶縁破壊物理、プラズマ動力学、EC吸収を網羅する高忠実度シミュレーション研究が不可欠である。極めて低い密度と温度の条件下では、電子はEC波と非線形に相互作用してエネルギーを獲得し、その様相は線形または準線形のEC加熱とは異なる。室温の電子については、断熱非線形理論を用いてエネルギー利得の解析的推定が導出されている(Farina 2018 Nucl. Fusion58 066012)。しかし、大きな入射垂直エネルギーを持つ電子は、電離反応から生成され得るだけでなく、絶縁破壊中にマクスウェル分布の尾部に存在することもある。本稿では、この理論を、任意の垂直エネルギーの非線形エネルギー利得を予測する半解析形式に精緻化した。この半解析モデルは、巨視的な電子エネルギー吸収の計算において正確かつ効率的であることが実証された。すなわち、主要な特性電子分布に対する期待総吸収エネルギーは数値計算の結果とよく一致し、計算時間は数桁大幅に短縮される。本稿は、電子なだれ動力学研究のための実用的ツールを提供し、ITERやK-DEMOといった将来のトカマクにおけるEC予備電離相の予測能力の開発に貢献することが期待される。