A magnetohydrodynamic numerical model for hydrogenic pellet ablation in the electrostatic approximation has been developed based on the method of front tracking. The main features of the model are the explicit tracking of interfaces that separate the solid pellet from the ablated gas and the cold, dense and weakly ionized ablation cloud from the highly conducting fusion plasma, a surface ablation model, a kinetic model for the electron heat flux and an equation of state accounting for atomic processes in the ablation cloud. The interaction of the pellet ablation flow with the magnetic field including the J × B Lorentz force is studied here systematically for the first time. The model has also been validated through the comparison with the semi-analytic Transonic Flow model and previous purely hydrodynamic simulations. Contrary to prevailing expectations, the ablation rate is reduced only slightly when the geometry is changed from spherically symmetric to axially symmetric, in the case of purely hydrodynamic models. However, in the magnetohydrodynamic simulations the J × B force funnels the flow into an extended plasma shield, which intercepts the incident plasma heat flux and reduces the ablation rate, depending on the rise time of heat flux seen by the pellet. Shorter 'warm-up' times lead to narrower ablation channels, stronger shielding and reduced ablation rates. This new feature implies that pellets traversing strong plasma gradients, as in the edge pedestal region of the ITER plasma, could have significantly lower ablation rates if injected at higher velocity.
静電近似における水素ペレットアブレーションのための磁気流体力学数値モデルが、フロントトラッキング法に基づいて開発された。このモデルの主な特徴は、固体ペレットとアブレーションされたガスを分離する界面、および冷たく高密度で弱電離したアブレーション雲と高伝導性の核融合プラズマを分離する界面の明示的追跡、表面アブレーションモデル、電子熱流束のための運動論モデル、ならびにアブレーション雲内の原子過程を考慮した状態方程式である。ペレットアブレーション流と磁場の相互作用、すなわちJ×Bローレンツ力が、ここで初めて系統的に研究された。このモデルはまた、半解析的トランスソニックモデルおよび従来の純粋な流体力学シミュレーションとの比較を通じて検証された。従来の予想に反して、純粋な流体力学モデルの場合、アブレーション率は球対称から軸対称への幾何学的変更によってわずかに減少するのみである。しかしながら、磁気流体力学シミュレーションでは、J×B力が流れを拡張されたプラズマシールドへと導き、これが入射プラズマ熱流束を遮断してアブレーション率を減少させるが、その程度はペレットが受ける熱流束の立ち上がり時間に依存する。より短い「ウォームアップ」時間は、より狭いアブレーションチャネル、より強いシールド効果、およびより低いアブレーション率をもたらす。この新たな知見は、ITERプラズマのエッジペデスタル領域のような強いプラズマ勾配を通過するペレットは、より高速で入射された場合、アブレーション率が有意に低下し得ることを示唆している。