A direct numerical simulation model for the rocket acceleration of pellets in thermonuclear fusion devices has been developed for PELOTON, a 3D Lagrangian particle pellet code [R. Samulyak et al, Nuclear Fusion 61 (4), 046007 (2021)], and validated using shattered pellet injection (SPI) experiments in JET. The pellet rocket acceleration is driven by grad-B drift of the ablation cloud that creates asymmetry and non-uniform heating of the cloud. The model accounts for non-uniform charging of the ablation cloud by hot plasma electrons as well as local plasma gradients. As a result, the increased pressure on the high-field-side compared to the low-field-side leads to pellet (fragment) rocket acceleration. Pure deuterium and deuterium-neon mixture models have been implemented. The background plasma states have been obtained by using a new plasma cooling model for PELOTON. The cooling model distributes the ablated material within the corresponding flux volumes and accounts for ionization and other energy losses, Ohmic heating by toroidal currents, and the energy exchange between ions and electrons. Plasma profiles predicted by PELOTON’s cooling model have been compared with JOREK and INDEX simulations. PELOTON simulations of rocket acceleration and the corresponding trajectories of deuterium fragments are consistent with experimentally measured trajectories in JET. We show that composite deuterium-neon pellets containing 0.5% of neon experienced smaller deviation of their trajectories compared to the pure deuterium case. We simulate various spatial configurations of pellet fragments and demonstrate the cloud overlap impact on rocket acceleration. Additionally, we demonstrate the effect of plasma state gradients on the rocket acceleration. Future work will focus on the rocket acceleration of SPI in projected ITER plasmas and the development of the corresponding scaling law for the rocket acceleration.
熱核融合装置におけるペレットのロケット加速のための直接数値シミュレーションモデルが、3次元ラグランジアン粒子ペレットコードPELOTON [R. Samulyak et al, Nuclear Fusion 61 (4), 046007 (2021)] 用に開発され、JETにおける破砕ペレット注入（SPI）実験を用いて検証された。ペレットのロケット加速は、アブレーション雲の非対称性と非一様加熱を生み出すその雲のgrad-Bドリフトによって駆動される。このモデルは、高温プラズマ電子によるアブレーション雲の非一様帯電と、局所プラズマ勾配を考慮する。その結果、低磁場側と比較した高磁場側の圧力上昇が、ペレット（フラグメント）のロケット加速を引き起こす。純重水素および重水素-ネオン混合モデルが実装されている。背景プラズマ状態は、PELOTON用の新しいプラズマ冷却モデルを用いて得られている。この冷却モデルは、アブレーションされた物質を対応する磁束体積内に分配し、電離およびその他のエネルギー損失、トロイダル電流によるオーム加熱、イオンと電子の間のエネルギー交換を考慮する。PELOTONの冷却モデルによって予測されたプラズマ分布は、JOREKおよびINDEXシミュレーションと比較されている。ロケット加速と重水素フラグメントの対応する軌跡に関するPELOTONシミュレーションは、JETにおける実験的に測定された軌跡と一致している。我々は、0.5%のネオンを含む複合重水素-ネオンペレットが、純重水素の場合と比較して軌跡の偏差がより小さかったことを示す。我々は、ペレットフラグメントの様々な空間配置をシミュレーションし、雲の重なりがロケット加速に及ぼす影響を実証する。さらに、プラズマ状態勾配がロケット加速に及ぼす影響を持証する。今後の研究は、想定されるITERプラズマにおけるSPIのロケット加速に焦点を当て、ロケット加速の対応するスケーリング則の開発を行う。