In ITER, pellets are calculated to require more than 8 times the mass than currently planned to reliably trigger edge-localized modes (ELMs). Unmitigated heat flux impulses from ELMs are intolerable in ITER at full power and current. Therefore, ITER operation relies on multiple approaches to control ELM heat fluxes. One method is pellet ELM pacing to instigate small rapid ELMs with low heat flux. Predicting the performance of pellet pacing is critical for ITER, which is expected to operate in a regime with a low-collisionality, peeling-limited pedestal. However, to trigger ELMs the local pressure increase in the expanding pellet cloud pushes the equilibrium over the ballooning stability limit. In this work, linear and nonlinear M3D-C1 simulations are used to predict pellet mass thresholds in DIII-D discharges and ITER scenarios with peeling-limited pedestals. It is found that the distance of the equilibrium's operational point from the ballooning branch of the pedestal stability boundary strongly changes thresholds. Linear M3D-C1 simulations find a strong dependence of the pellet mass threshold on the poloidal injection location for ITER's 15 MA, Q = 10 scenario. The required pellet mass at the planned injection locations is 8 to 17 times larger than currently considered. However, such linear simulations do not include pellet ablation physics or time evolution of density and temperature. A new scheme of 2D nonlinear simulations, coupled with linear stability analysis at various steps throughout the nonlinear time evolution, was developed to include such physics and improve on the linear results. These new nonlinear-to-linear simulations confirm previous findings. This result suggests that pellet ELM triggering in ITER could require pellets much larger than those currently planned, which makes ELM-pacing operationally challenging. On the other hand, fueling pellets injected from the high-field side will likely not unintentionally trigger ELMs in an otherwise ELM-stable plasma.
ITERでは、ELM(周辺局在モード)を確実に引き起こすためには、ペレットは現在計画されている質量の8倍以上が必要であると計算されている。緩和されていないELMからの熱流束インパルスは、ITERのフルパワー・フル電流運転では許容できない。したがって、ITER運転はELM熱流束を制御するための複数のアプローチに依存している。その一つの方法が、低熱流束の小さく高速なELMを誘発するペレットELMペーシングである。ペレットペーシングの性能予測は、低衝突性・ピーリング限界ペデスタルという領域での運転が予想されるITERにとって極めて重要である。しかしながら、ELMを引き起こすには、膨張するペレット雲内の局所的な圧力上昇が平衡をバルーニング安定性限界を超えて押し上げる。本研究では、ピーリング限界ペデスタルを持つDIII-D放電とITERシナリオにおけるペレット質量閾値を予測するために、線形および非線形M3D-C1シミュレーションを用いる。平衡の動作点とペデスタル安定性境界のバルーニング分岐との距離が、閾値を大きく変化させることが見出された。線形M3D-C1シミュレーションでは、ITERの15 MA、Q = 10シナリオにおいて、ペレット質量閾値がポロイダル入射位置に強く依存することが判明した。計画された入射位置での必要ペレット質量は、現在検討されている値の8倍から17倍である。しかしながら、そのような線形シミュレーションは、ペレットアブレーション物理や密度・温度の時間発展を含んでいない。そのような物理を含め、線形結果を改善するために、非線形時間発展の様々な段階で線形安定性解析と結合した2D非線形シミュレーションの新しいスキームが開発された。これらの新しい非線形から線形へのシミュレーションは、以前の知見を確認するものである。この結果は、ITERでのペレットELMトリガリングが現在計画されているものよりはるかに大きなペレットを必要とする可能性があり、ELMペーシングを運転上困難にすることを示唆している。一方、高磁場側から入射される燃料ペレットは、そうでなければELM安定なプラズマにおいて、意図せずELMを引き起こす可能性は低いだろう。