In fusion devices strongly localized intensive sources of impurities may arise unexpectedly from plasma–wall interactions or can be created deliberately through impurity injection. The spreading of impurities from such sources is essentially a three-dimensional and non-stationary phenomenon involving physical processes of extremely different time scales. Numerical modelling of such events is still a very challenging task, even using most modern computers. To diminish the calculation time drastically, a new quasi-three-dimensional description is proposed, combining a 'shell' model for the impurity penetration process and a two-zone approximation for the main plasma components. This approach allows us to reduce fluid equations for particle, parallel momentum and energy balances of the main and impurity plasma species to one-dimensional equations describing the time evolution of radial profiles of the most characteristic parameters. The assumptions in the approach are verified by comparing its predictions with direct numerical solutions of transport equations. The results of modelling for the penetration process of argon species into hot H-mode plasma during impurity puffing experiments are presented.
核融合装置において、強く局在化した不純物源は、プラズマ・壁相互作用によって予期せず発生することもあれば、不純物入射実験によって意図的に生成されることもある。このような源からの不純物の拡散は、本質的に三次元的かつ非定常的な現象であり、極めて異なる時間スケールを持つ物理過程を含む。このような事象の数値モデリングは、最新のコンピュータを用いてもなお非常に困難な課題である。計算時間を大幅に短縮するため、不純物侵入過程に対する「シェル」モデルと、主プラズマ成分に対する二領域近似を組み合わせた、新しい準三次元的記述が提案されている。このアプローチにより、主プラズマ種および不純物種の粒子、平行方向運動量、エネルギーに関する流体方程式を、最も特徴的なパラメータの動径プロファイルの時間発展を記述する一次元方程式に簡約することができる。このアプローチにおける仮定は、その予測結果を輸送方程式の直接数値解と比較することによって検証されている。不純物パフ実験中における高温Hモードプラズマへのアルゴン種の侵入過程のモデリング結果が提示される。