The assimilation and the penetration of injected materials play significant roles in the mitigation efficiency of shattered pellet injection (SPI) as a disruption mitigation system (DMS), hence an accurate description of the fragment ablation rate is desirable. Current mainstream 3D MHD codes modelling SPIs mostly assume instantaneous thermalization between the previously hot ambient electrons and the newly released cold electrons. This could result in underestimation of the ablation rate if the hot electron thermalization time is comparable or even longer than the fragment flying time across flux tubes, putting the validity of these 3D SPI simulations into question. To resolve this doubt, we hereby investigate the thermalization dynamics and the overall hot-electron impact. The finite-time collisional thermalization of hot-tail electrons in a rapidly cooling plasma, as well as the so-called 'self-limiting' effect are considered. The former effect tends to deplete the colder population within a hot-tail species, while the latter is found to preferentially deplete the higher energy population. The combined result is found to cause an almost self-similar decay of the hot electron distribution function, while its shape does not deviate much from that of Maxwellian distribution and the mean energy does not change much during the thermalization process. Based on this observation, axisymmetric JOREK D2 SPI simulations were carried out with additional hot-tail contribution to evaluate their overall impact onto the injection assimilation and penetration. It is found that the hot-tail effect indeed causes enhanced assimilation and shallower penetration, although the overall effect depends on the exact injection configuration, with the slow injection showing negligible hot-tail effect while the fast single non-shattered pellet case shows drastic hot-tail ablation enhancement. For ITER-like SPI parameters, there is no significant deviation in the total assimilation, but some deviation in the injection penetration is observed for the fast injection velocity cases.
注入材料の同化と浸透は、破砕ペレット注入（SPI）のディスラプション緩和システム（DMS）としての緩和効率において重要な役割を果たすため、フラグメントのアブレーション率の正確な記述が望まれる。SPIをモデル化する現在の主流の3D MHDコードは、ほとんどの場合、以前から存在する高温の周辺電子と新たに放出された低温電子との間の瞬間的な熱化を仮定している。これは、高温電子の熱化時間がフラグメントの磁束管横断飛行時間と同等かそれよりも長い場合、アブレーション率の過小評価につながる可能性があり、これらの3D SPIシミュレーションの妥当性に疑問を投げかけるものである。この疑問を解決するため、我々はここで熱化ダイナミクスと高温電子の全体的な影響を調査する。急速に冷却するプラズマ中のホットテール電子の有限時間衝突熱化、およびいわゆる「自己制限」効果が考慮される。前者の効果はホットテール種内の低温集団を枯渇させる傾向があり、後者は高エネルギー集団を優先的に枯渇させることが見出される。これらの複合結果として、高温電子分布関数のほぼ自己相似的な減衰が生じる一方、その形状はマクスウェル分布から大きく逸脱せず、平均エネルギーも熱化過程の間あまり変化しないことが見出される。この観察に基づき、追加のホットテール寄与を含む軸対称JOREK D2 SPIシミュレーションを実施し、注入同化と浸透へのそれらの全体的な影響を評価した。ホットテール効果は確かに同化の増強と浸透の浅化を引き起こすが、全体的な効果は正確な注入構成に依存し、低速注入ではホットテール効果が無視できる一方、高速の単一非破砕ペレットの場合では劇的なホットテールアブレーション増強が示されることが見出された。ITER類似のSPIパラメータでは、全同化量に有意な偏差はないが、高速注入速度の場合には注入浸透にいくらかの偏差が観察される。