A hydrogen cryogenic pellet injection system was fabricated and applied to high-density experiments in a Heliotron J device. The fueling through pellet injection was conducted in Heliotron J by using an injection barrel with a tapered structure for a small pellet with low speed. A single pellet with a speed of 260 ± 30 m s−1 and a typical size of 1.1–1.2 mm was injected into NBI + ECH plasmas and NBI-only plasmas. In both cases, a significant increase in electron density was observed upon pellet injection. The increase in line-averaged electron density due to pellet injection was 4.0 ± 0.7 × 1019 m−3 in both cases. Pellet fueling leads to high stored energy in the high-electron-density regime. A peaked electron density profile with high core density is obtained in NBI-only plasmas after pellet injection, while the edge density is kept at a lower level. An innovative Hα array measurement shows that the pellet has penetrated into the magnetic axis in NBI + ECH plasmas, while the penetration depth in NBI-only plasmas is beyond the magnetic axis, which is deeper than that in NBI + ECH plasmas. The difference in penetration depth cannot be explained by the simulation results of the ablation code, in which the effect of fast electrons/ions on pellet ablation is not considered. These results suggest that the effect of fast electrons/ions should be taken into account in the ablation code in order to explain the present experimental results.
水素ペレット入射システムを製作し、ヘリオトロンJ装置における高密度実験に適用した。ペレット入射による燃料供給は、テーパー構造を有する入射バレルを用いて、低速の小型ペレットをヘリオトロンJ装置で実施した。速度260±30 m s⁻¹、代表的なサイズ1.1–1.2 mmの単一ペレットを、NBI+ECHプラズマおよびNBIのみのプラズマに入射した。いずれの場合も、ペレット入射により電子密度の有意な増加が観測された。ペレット入射による線平均電子密度の増加は、両方の場合で4.0±0.7×10¹⁹ m⁻³であった。ペレット燃料供給は、高電子密度領域において高い蓄積エネルギーをもたらす。NBIのみのプラズマでは、ペレット入射後に高コア密度を有するピーク状の電子密度分布が得られ、一方で周辺密度は低いレベルに維持された。革新的なHαアレイ計測により、NBI+ECHプラズマではペレットが磁気軸まで浸透したことが示されたが、NBIのみのプラズマでは浸透深さが磁気軸を超えており、NBI+ECHプラズマの場合よりも深かった。この浸透深さの差異は、高速電子・高速イオンのペレットアブレーションへの影響を考慮していないアブレーションコードのシミュレーション結果では説明できなかった。これらの結果は、現在の実験結果を説明するためには、アブレーションコードに高速電子・高速イオンの効果を考慮すべきであることを示唆している。