This paper is about the dynamics of gas jet injection and propagation into the cold, current quench (CQ) discharge following the thermal quench (TQ) phase of a disruption event. Understanding the processes involved in the interpenetration between a dense, fast-moving supersonic gas jet and a magnetized plasma is fundamental to the solution of the disruption mitigation problem using massive gas injection. An analytical model was developed that provides the penetration depth of the jet in the CQ discharge. The model developed incorporates the injector, the vacuum space between injector and plasma, and the low beta CQ plasma through which the jet penetrates. The radially moving gas stagnates at some point inside the plasma by formation of a 'bottle shock', resulting in a certain penetration depth. Consistent with experimental findings, it is shown that high fuelling efficiency >70% and good penetration beyond the q = 2 surface is possible in such plasma discharges, but in normal (unquenched) plasma discharges penetration of dense gas jets will be quite poor. The paper also sheds light on how the external plasma responds to allow interpenetration of perfectly insulating gas jet through a strong magnetic field B2/2μ0 ≫ ρu2. The paper also develops semi-analytical models for the response of the cold, high-current, collision-dominated plasma to the insertion of a dense neutral jet: the propagation of cooling waves out along the magnetic field lines, the heated and ionized surface layer which also expands outwards along the magnetic field lines, and the electrical breakdown of the neutral gas within the jet volume. Although good penetration in the ITER post-TQ discharge can be achieved, the plasma resistivity is only marginally enhanced. This may render repetitive gas inject ineffective, as the concept requires a sizable resistivity enhancement to initiate a current profile contraction, and resulting kink-tearing activity to suppress runaway avalanching.
本論文は、ディスラプション事象の熱クエンチ（TQ）相に続く、冷たい電流クエンチ（CQ）放電へのガスジェット注入とその伝播のダイナミクスに関するものである。高密度で高速の超音速ガスジェットと磁化プラズマとの間の相互侵入に関わるプロセスを理解することは、大規模ガス注入を用いたディスラプション緩和の解決に不可欠である。CQ放電中におけるジェットの侵入深さを提供する解析モデルが開発された。本モデルは、インジェクター、インジェクターとプラズマの間の真空領域、およびジェットが貫通する低ベータCQプラズマを組み込んでいる。径方向に移動するガスは、「ボトルショック」の形成によりプラズマ内部のある点で停滞し、その結果として特定の侵入深さが生じる。実験結果と一致して、このようなプラズマ放電では、高い燃料充填効率（>70%）とq=2面を超える良好な侵入が可能であることが示されているが、通常の（非クエンチ）プラズマ放電では、高密度ガスジェットの侵入はかなり貧弱である。本論文はまた、完全絶縁性ガスジェットが強い磁場B²/2μ₀≫ρu²を透過して相互侵入することを可能にする外部プラズマの応答機構についても解明している。さらに、高密度中性ジェットの挿入に対する、低温・高電流・衝突支配プラズマの応答に関する半解析モデルを開発した：磁力線に沿った冷却波の伝播、磁力線に沿って外側にも膨張する加熱・電離表面層、およびジェット体積内の中性ガスの電気的絶縁破壊である。ITERのポストTQ放電では良好な侵入が達成可能であるが、プラズマ抵抗率の増大はわずかである。このことは、反復ガス注入の有効性を損なう可能性がある。なぜなら、この概念は、電流分布の収縮とそれに続くキンク・テアリング活動を開始して runaway 電子の雪崩増倍を抑制するために、かなりの抵抗率増大を必要とするからである。