Current drive in reactor grade tokamak plasmas with a pulsed, high power free electron laser (FEL) is investigated. The stimulated Raman process generates fast, longitudinal electron plasma waves which accelerate electrons to relativistic energies. The fast electrons with vi ≫ v⊥ are not trapped toroidally and the resulting current decays slowly. The paper presents a systematic study on different combinations of Raman forward and backward scattering and FEL polarization. The optimal FEL frequencies fall within the range 2.2-4.0ωp (left circularly polarized case) and 3.8-7.0ωp (right circularly polarized case) in a typical tokamak plasma with Ωe ≃ 1.5ωp In a reactor grade plasma the best current drive efficiency, 5 × 10l9 A/W⋅m2, is obtained by using the stimulated Raman forward process and a left circularly polarized FEL beam. The FEL driven current can be localized to the plasma centre and amplified by the bootstrap effect to further enhance the overall efficiency. Raman current drive in high temperature reactor plasmas is quite different from small scale experiments with Te ∼ 1 keV, where the Raman backward process dominates and the current drive efficiency remains rather low.
パルス状の高出力自由電子レーザー(FEL)を用いた炉級トカマクプラズマにおける電流駆動を調査した。誘導ラマン過程は、電子を相対論的エネルギーまで加速する高速の縦波電子プラズマ波を生成する。vi ≫ v⊥ の高速電子はトロイダル方向に捕捉されず、結果として生じる電流はゆっくりと減衰する。本論文では、ラマン前方散乱・後方散乱とFEL偏光の様々な組み合わせに関する体系的な研究を提示する。典型的なトカマクプラズマ(Ωe ≃ 1.5ωp)における最適なFEL周波数は、2.2-4.0ωp(左円偏光の場合)および3.8-7.0ωp(右円偏光の場合)の範囲内にある。炉級プラズマでは、誘導ラマン前方散乱過程と左円偏光FELビームを用いることで、最高の電流駆動効率5 × 10l9 A/W⋅m2が得られる。FEL駆動電流はプラズマ中心部に局在させることができ、ブートストラップ効果によって増幅され、全体の効率をさらに向上させることができる。高温の炉プラズマにおけるラマン電流駆動は、Te ∼ 1 keVの小規模実験とはかなり異なり、後者ではラマン後方散乱過程が支配的であり、電流駆動効率はかなり低いままである。