The conventional approach for thermal quench (TQ) mitigation in a tokamak disruption is through a high-Z impurity injection that radiates away the plasma’s thermal energy before it reaches the wall. The downside is a robust Ohmic-to-runaway current conversion due to the radiatively clamped low post-thermal-quench electron temperature. An alternative approach is to deploy a low-Z (either deuterium or hydrogen) injection that aims to slow down the TQ, and ideally aligns it with the current quench (CQ). This approach has been investigated here via 3D MHD simulations using the PIXIE3D code. By boosting the hydrogen density, a fusion-grade plasma is dilutionally cooled at approximately the original pressure. Energy loss to the wall is controlled by a Bohm outflow condition at the boundary where the magnetic field intercepts a thin plasma sheath at the wall, in addition to Bremsstrahlung bulk losses. Robust MHD instabilities proceed as usual, while the collisionality of the plasma has been greatly increased and parallel transport is now in the Braginskii regime. The main conclusion of this study is that the decreased transport loss along open field lines due to a sufficient low-Z injection slows down the TQ rate to the order of 20 ms, aligned with the CQ timescale for a 15 MA ITER plasma.
トカマクディスラプションにおける熱クエンチ(TQ)緩和の従来のアプローチは、プラズマの熱エネルギーが壁に到達する前に放射によって失わせる高Z不純物入射によるものである。その欠点は、放射によって低い値に固定されたTQ後電子温度のために、オーミック電流からランナウェイ電流への顕著な転換が生じることである。代替アプローチは、TQを遅くすることを目的とした低Z(重水素または水素)入射を用いることであり、理想的にはそれを電流クエンチ(CQ)と一致させる。このアプローチは、PIXIE3Dコードを用いた3D MHDシミュレーションによってここで調査された。水素密度を増加させることにより、核融合グレードのプラズマはほぼ元の圧力で希釈冷却される。壁へのエネルギー損失は、磁場が壁の薄いプラズマシースと交差する境界におけるボーム流出条件と、制動放射によるバルク損失によって制御される。堅牢なMHD不安定性は通常どおり進行する一方、プラズマの衝突頻度は大幅に増加し、平行輸送は現在ブラジンスキー領域にある。この研究の主な結論は、十分な低Z入射による開いた磁力線に沿った輸送損失の減少が、TQ率を約20 msのオーダーまで遅くし、15 MAのITERプラズマのCQタイムスケールと一致させるということである。