The injection of high-pressure supersonic jets into the tokamak plasma is considered a promising method of future thermonuclear reactor fuelling and as a tool for disruption mitigation. Successful experiments were correspondingly performed on Tore Supra and DIII-D. In the present paper the evolution of such a jet is analysed. The jet expansion, deceleration of the ambient electrons and ions by the jet, self-consistent electric field, elementary processes, radiation and adiabatic cooling of the ambient plasma are taken into account. The jet is simulated by a MHD code, which is similar to the code previously used for pellets. It is demonstrated that the ionization degree of the jet strongly depends on the jet parameters. Several simulations were performed for the range of parameters typical for DIII-D. The jet of initial density 4 × 1024 m−3 remains almost neutral, and only the outer regions are ionized. When the initial jet density is reduced by a factor of 2 or more the main part of the jet becomes ionized rather fast. It is demonstrated that ionization at the jet edge in the poloidal (perpendicular to the magnetic field) direction of the jet is sufficient to stop poloidal expansion of the jet by force. The final poloidal size of the jet remains of the order of its initial poloidal dimension (of the order of ten centimetres). The jet motion in the radial direction (direction of the injection) is provided by the polarization poloidal electric field and the corresponding drift. In the paper two mechanisms of polarization reduction are considered: Alfvén conductivity of the ambient plasma and the ∇B-induced drift. It is shown that an almost neutral jet can penetrate deep into the tokamak while a modest ionization degree should prevent its penetration for the case of low field side injection.
高圧超音速ジェットのトカマクプラズマへの入射は、将来の核融合炉における燃料供給およびディスラプション緩和のための有望な方法と考えられている。対応する実験は、Tore SupraおよびDIII-Dにおいて成功裏に実施された。本論文では、そのようなジェットの時間発展を解析する。ジェットの膨張、周辺電子およびイオンの減速、自己無撞着電場、素過程、放射、および周辺プラズマの断熱冷却を考慮する。ジェットは、ペレットに対して以前使用されたコードと類似のMHDコードによってシミュレートされる。ジェットの電離度は、ジェットのパラメータに強く依存することが示される。DIII-Dに典型的なパラメータに対して複数のシミュレーションが実施された。初期密度が4×10^20 m^-3のジェットは、ほぼ中性のままであることが示され、外側領域のみが電離される。初期密度が2×10^20 m^-3に低減されると、ジェットの主要部分は比較的急速に電離される。ジェット端部における電離が、ポロイダル（磁場に垂直な方向）におけるジェットの膨張を停止させるのに十分であることが示される。ジェットの最終的なポロイダルサイズは、初期ポロイダルサイズのオーダー（約10 cm）のままである。ジェットの径方向（入射方向）の運動は、ポロイダル電場および対応するE×Bドリフトによって提供される。本論文では、ポロイダル電場の低減をもたらす2つのメカニズムが考慮される：周辺プラズマのアルヴェン伝導度、および∇Bドリフトによる電荷分離の低減である。ほぼ中性のジェットはトカマク深部へ浸透できる一方、適度な電離度は低磁場側入射の場合の浸透を妨げることが示される。