Studies have been performed on the release mechanism for large pellets using high pressure gas in a shattered pellet injector. Typically, pellets are dislodged from the cryogenic surface and accelerated down a barrel using high pressure gas delivered by a fast-acting propellant valve. The pellets impact an angled surface which shatters the pellet into many small fragments before entering the plasma. This technique was initially demonstrated on DIII-D (Commaux et al 2016 Nucl. Fusion 56 046007) and is now deployed on JET, KSTAR, ASDEX-Upgrade, and other tokamaks around the world in support of ITER's disruption mitigation system design and physics basis. The large hydrogen, 28.5 mm diameter, 2 length-to-diameter ratio, pellets foreseen for ITER SPI operation have low material strength and low heat of sublimation, which cause the pellets to be fragile and highly reactive to the impact of warm propellant gas. Due to the size of the pellets, significantly more propellant gas is required to dislodge and accelerate them. This creates a potentially significant propellant gas removal issue as 2–6 bar-L of gas is expected to be required for release and speed control. The research presented in this paper is an in-depth exploration of the parameters that are keys to reliable pellet release and speed control. Computational fluid dynamics (CFD) modeling of propellant flows through various breech designs was conducted to determine the force generated on the back surface of a pellet. These simulations assumed the use of the ORNL designed flyer plate valve. CFD modeling combined with experimental measurements provide adequate insight to determine a path to an optimal valve and breech design for ITER SPI pellet release and speed control while minimizing propellant gas usage.
破砕ペレット入射器における高圧ガスを用いた大型ペレットの放出機構に関する研究が行われてきた。通常、ペレットは極低温表面から剥離され、高速作動式推進ガスバルブによって供給される高圧ガスを用いてバレル内を加速される。ペレットは角度の付いた表面に衝突し、プラズマに入る前に多数の小さな破片に破砕される。この技術は当初DIII-Dで実証され（Commaux et al 2016 Nucl. Fusion 56 046007）、現在はJET、KSTAR、ASDEX-Upgrade、および世界中の他のトカマクに導入されており、ITERのディスラプション緩和システムの設計と物理的基盤を支援している。ITER SPI運転で想定されている、直径28.5 mm、長さ対直径比2の大型水素ペレットは、材料強度と昇華熱が低く、そのためにペレットは脆く、温かい推進ガスの衝撃に対して非常に反応しやすい。ペレットのサイズのため、それらを剥離して加速するには、著しく多くの推進ガスが必要となる。これは、放出と速度制御に2–6 bar-Lのガスが必要と見込まれるため、潜在的に重大な推進ガス除去問題を引き起こす。本論文で提示される研究は、信頼性の高いペレット放出と速度制御の鍵となるパラメータの詳細な探求である。各種ブリーチ設計を通る推進ガス流れの数値流体力学（CFD）モデリングを実施し、ペレット背面に生じる力を決定した。これらのシミュレーションは、ORNL設計のフライヤープレートバルブの使用を仮定した。CFDモデリングと実験的測定を組み合わせることで、推進ガス使用量を最小限に抑えながら、ITER SPIペレットの放出と速度制御のための最適なバルブおよびブリーチ設計への道筋を決定するための十分な洞察が得られる。