The scenario of toroidal plasma start-up with microwave initiation and heating near the electron cyclotron frequency is suggested and examined in this paper. Microwave irradiation from the high-field side and an anomalously large absorption of the extraordinary waves near the upper hybrid resonance are assumed. The dominant electron energy losses are assumed to be due to magnetic-field curvature and parallel drifts, ionization of neutrals, cooling by ions, and radiation by low-Z impurities. It is shown by particle and energy balance considerations that electron temperatures around 250 eV and densities of 1012-1013 cm−3 can be maintained, at least in a narrow region near the upper hybrid resonance, with modest microwave powers in the Impurity Study Experiment (ISX) (120 kW at 28 GHz) and The Next Step (TNS) (0.57 MW at 120 GHz). The loop voltages required for start-up from these initial plasmas are also estimated. It is shown that the loop voltage can be reduced by a factor of five to ten from that for unassisted start-up without an increase in the resistive loss in volt-seconds. If this reduction in loop voltage is verified in the ISX experiments, substantial savings in the cost of power supplies for the Ohmic heating (OH) and equilibrium field (EF) coils can be realized in future large tokamaks.
本論文では、電子サイクロトロン周波数近傍でのマイクロ波による開始と加熱を用いたトロイダルプラズマ立ち上げのシナリオを提案し、検討する。高磁場側からのマイクロ波照射と、上部ハイブリッド共鳴近傍での異常波の異常に大きな吸収を仮定する。支配的な電子エネルギー損失は、磁場の曲率および平行方向のドリフト、中性粒子の電離、イオンによる冷却、低Z不純物による放射に起因すると仮定する。粒子およびエネルギー収支の考察により、上部ハイブリッド共鳴近傍の少なくとも狭い領域において、電子温度約250 eV、密度10^12〜10^13 cm^−3が、Impurity Study Experiment (ISX) (28 GHzで120 kW) および The Next Step (TNS) (120 GHzで0.57 MW) における適度なマイクロ波電力で維持され得ることが示される。これらの初期プラズマからの立ち上げに必要なループ電圧も評価される。ループ電圧は、ボルト秒における抵抗損失を増加させることなく、補助なしの立ち上げの場合の5分の1から10分の1に低減できることが示される。このループ電圧の低減がISX実験で検証されれば、将来の大型トカマクにおいて、オーミック加熱(OH)および平衡磁場(EF)コイル用電源のコストを大幅に節約できる。