A 3D numerical model for the ablation of pellets and shattered pellet injection fragments in tokamaks in the plasma disruption mitigation and fueling parameter space has been developed based on the Lagrangian particle (LP) method Samulyak et al (2018 J. Comput. Phys.362 1–19). The pellet code implements the low magnetic Reynolds number MHD equations, kinetic models for the electronic heating, a pellet surface ablation model, an equation of state that supports multiple ionization states, radiation, and a model for grad-B drift of the ablated material across the magnetic field. The LP algorithm is highly adaptive, capable of simulating a large number of fragments in 3D while eliminating numerical difficulties of dealing with the tokamak background plasma. The code has achieved good agreement with theory for spherically symmetric ablation flows. Axisymmetric simulations of neon and deuterium pellets in magnetic fields ranging from 1 to 6 Tesla have been compared with previous simulations using the FronTier code, and very good agreement has also been obtained. The main physics contribution of the paper is a detailed study of the influence of 3D effects, in particular grad-B drift, on pellet ablation rates and properties of ablation clouds. Smaller reductions of ablation rates in magnetic fields compared to axially symmetric simulations have been demonstrated because the ablated material is not confined to narrowing channels in the presence of grad-B drift. Contribution of various factors in the grad-B drift model has also been quantified.
トカマクにおけるプラズマ擾乱緩和および燃料供給パラメータ空間でのペレットおよび破砕ペレット入射フラグメントのアブレーションに関する3次元数値モデルを、Lagrange粒子(LP)法(Samulyak et al (2018 J. Comput. Phys.362 1–19))に基づいて開発した。このペレットコードは、低磁気レイノルズ数MHD方程式、電子加熱の運動論的モデル、ペレット表面アブレーションモデル、多重電離状態をサポートする状態方程式、放射、および磁場を横切るアブレーション物質のgrad-Bドリフトのモデルを実装している。LPアルゴリズムは高度に適応的であり、トカマク背景プラズマを扱う際の数値的困難を排除しつつ、3次元で多数のフラグメントをシミュレーションできる。このコードは、球対称アブレーション流に対する理論と良好な一致を示した。1〜6テスラの磁場におけるネオンおよび重水素ペレットの軸対称シミュレーションを、FronTierコードを用いた従来のシミュレーションと比較したところ、非常に良好な一致も得られた。本論文の主な物理的貢献は、3次元効果、特にgrad-Bドリフトがペレットのアブレーション率とアブレーション雲の特性に及ぼす影響の詳細な研究である。grad-Bドリフトの存在下ではアブレーション物質が狭小化するチャネルに閉じ込められないため、軸対称シミュレーションと比較して、磁場中でのアブレーション率のより小さな低減が実証された。grad-Bドリフトモデルにおける様々な因子の寄与も定量化された。