Direct fuelling of the core region of a tokamak by compact torus (CT) injection plays a crucial role for fuelling and burning efficiency in a fusion reactor. However, the penetration and deposition processes of CT in fusion devices involve complex physical mechanisms. The objective of this study is to investigate the dynamic behavior of CT in a tokamak and assess the impact of fuel particle deposition on the bulk plasma parameters profiles, based on fundamental physical mechanisms and actual injection scenarios. This article reports a study which, for the first time, investigates (a) the penetration of a CT in a tokamak with the realistic peaked temperature and density profiles, (b) the influence of magnetic tension force on the CT trajectory and penetration parameters is evaluated, and (c) the effect of CT particle deposition on the tokamak density profile assuming that CT deposits its particles at a constant time rate without changing other CT parameters. A new dynamic model is proposed here to describe the penetration mechanism of CT in fusion devices. This model combines elements of the conducting sphere (CS) model and the nonslipping sphere (NS) model, while also accounting for realistic injection scenarios. The simulations use the HL-3 tokamak configuration as an example, assuming tangential CT injection on the mid-plane. By comparing the CT penetration depth estimated from the new dynamic model with that from the original model, a radial penetration difference of 0.23 m is observed, which corresponds to 35% of the HL-3 tokamak’ s small radius of 0.65 m. Furthermore, the effect of the profiles of the tokamak plasma parameters and CT fuel particle deposition is discussed. The reduced MHD drag force in the outer region with lower temperature and density facilitates CT penetration, while the loss of CT particles and thus the directional CT momentum along the injection direction hinders CT penetration. In a particular set of assumptions, CT penetration depth decreases by 31% when considering the deposition of CT particles compared to the case when the particle deposition is not considered. Finally, the analyses and simulations reveal that CT injection preferentially modifies tokamak density profile at the deepest CT penetration location in the central region.
トカマクの中心領域へのコンパクトトーラス（CT）入射による直接燃料供給は、核融合炉における燃料供給および燃焼効率にとって極めて重要な役割を果たす。しかしながら、核融合装置におけるCTの侵入および堆積過程は複雑な物理メカニズムを含んでいる。本研究の目的は、基本的な物理メカニズムと実際の入射シナリオに基づいて、トカマク内でのCTの動的挙動を調査し、燃料粒子堆積がバルクプラズマのパラメータ分布に及ぼす影響を評価することである。本論文は、初めて以下の項目を調査した研究を報告する：（a）現実的なピーク状の温度・密度分布を有するトカマク内へのCTの侵入、（b）磁気張力がCTの軌道および侵入パラメータに及ぼす影響の評価、（c）CTが他のCTパラメータを変えずに一定の時間率で粒子を堆積すると仮定した場合の、トカマク密度分布に対するCT粒子堆積の影響。ここでは、核融合装置におけるCTの侵入メカニズムを記述するための新しい動的モデルを提案する。このモデルは、導電球（CS）モデルと非滑り球（NS）モデルの要素を組み合わせ、かつ現実的な入射シナリオも考慮している。シミュレーションでは、HL-3トカマクの配位を例として用い、中平面での接線方向CT入射を仮定する。新し動的モデルから推定されたCT侵入深さを元のモデルからのものと比較することにより、0.23 mの半径方向侵入差が観察され、これはHL-3トカマクの小半径0.65 mの35%に相当する。さらに、トカマクプラズマのパラメータ分布とCT燃料粒子堆積の影響について議論する。温度と密度が低い外側領域での低減されたMHD抗力はCTの侵入を促進する一方、CT粒子の損失、ひいては入射方向に沿ったCTの方向性運動量の損失はCTの侵入を妨げる。特定の仮定のセットでは、粒子堆積を考慮しない場合と比較して、CT粒子の堆積を考慮するとCT侵入深さは31%減少する。最後に、解析とシミュレーションにより、CT入射は中心領域の最も深いCT侵入位置においてトカマクの密度分布を優先的に変更することが明らかになった。