Op zoek naar verdere verbetering van de plasmaprestaties, vanaf 7 maart 2017, plasma-experimenten met deuteriumionen, die twee keer de massa waterstof hebben, werden geïnitieerd in de Large Helical Device (LHD) van het National Institute for Fusion Science (NIFS). In talloze plasma-experimenten die in landen over de hele wereld worden uitgevoerd, het gebruik van deuterium verbetert de opsluiting van warmte en deeltjes. Dat is, het fenomeen genaamd "ionenmassa-effect, " waarin de plasmaprestaties worden verbeterd, is geobserveerd. Echter, we begrijpen nog niet het gedetailleerde fysieke mechanisme van hoe de toename van de ionenmassa is gekoppeld aan prestatieverbetering. Dit is vanaf het begin een van de belangrijkste onopgeloste problemen in plasmafysica en fusieonderzoek geweest.

In de plasma's opgesloten in het magnetische veld zijn er verschillende soorten golven. Onder bepaalde omstandigheden groeien die golven naarmate de tijd verstrijkt, en de zogenaamde "instabiliteit" treedt op en het plasma wordt turbulent. Volgens onderzoek tot nu toe er is gevonden dat er een unieke stromingsstructuur ontstaat die "zonale stroming" wordt genoemd en die spontaan wordt gevormd in een turbulent plasma. Zonale stromen nemen de streepstructuur die in de tegenovergestelde richting van elkaar stroomt, en het is bekend dat deze stromen een belangrijke rol spelen bij het onderdrukken van de turbulentie. Echter, er blijven veel onduidelijke aspecten over de omstandigheden waaronder turbulentie en zonale stromingen worden gevormd. Als invloeden veroorzaakt door verschillen in ionenmassa theoretisch kunnen worden opgehelderd, we kunnen opsluitingsverbeteringen die in experimenten worden waargenomen nauwkeurig voorspellen. En omdat we verbetering van de opsluiting kunnen koppelen aan verdere verbetering van de plasmaprestaties, nieuwe ontwikkelingen in het onderzoek worden verwacht.

De onderzoeksgroep van professor Motoki Nakata, door middel van gezamenlijk onderzoek met professor Tomohiko Watanabe van de Universiteit van Nagoya, vijfdimensionale plasmaturbulentiesimulaties uitgevoerd met behulp van de "Plasma Simulator" bij NIFS en de geavanceerde supercomputer "K" bij het RIKEN Advanced Institute for Computational Science om instabiliteiten (gevangen elektronenmodi) te analyseren die worden veroorzaakt door elektronen die heen en weer bewegen langs de magnetische veldlijnen en om de turbulentie die door de instabiliteit wordt gegenereerd in detail te analyseren. Als resultaat, we hebben verduidelijkt dat de invloed van de ionenmassa opmerkelijk verscheen in een plasma met hoge dichtheid en dat het gedetailleerde fysieke mechanisme waarin turbulentie wordt onderdrukt door een effect dat wordt veroorzaakt door elektron-ion-botsingen. Verder, we ontdekten dat die verschijnselen zowel in spiraalvormige als in tokamak-plasma's voorkomen. Dus, we waren in staat om het algemeen waargenomen "ionenmassa-effect" te verduidelijken en een van de belangrijke mechanismen om de plasmaprestaties te verbeteren.

Het gedetailleerde mechanisme dat turbulentie onderdrukt, wordt hieronder uitgelegd. Turbulentie veroorzaakt door instabiliteit van ingesloten elektronen verzwakt de opsluiting van plasmawarmte en deeltjes. De botsingen tussen opgesloten elektronen en ionen onderdrukken instabiliteiten (onderdrukken de groei van golven). Bij een vaste temperatuur botsingen komen vaak voor bij hogere plasmadichtheden. Hier, de effecten van botsingen in deuteriumplasma zijn opmerkelijk in vergelijking met waterstof. Als resultaat, turbulentie kan worden onderdrukt (Figuur 1). Verder, hebben we verduidelijkt dat in de toestand waarin de instabiliteit is verzwakt, de "zonale stroming" wordt sterker en onderdrukt de turbulentie verder door grote wervelingen en golven te malen, en verbetert uiteindelijk de opsluiting van warmte en deeltjes (Figuur 2).

Zoals hierboven is verduidelijkt, een volledig beeld van turbulentieonderdrukking in een plasma met een grote ionenmassa kan schematisch worden weergegeven zoals in figuur 3. Deze onderzoeksresultaten bieden fundamentele kennis met betrekking tot de volledige opheldering van het "ionenmassa-effect", dat jarenlang een onopgeloste kwestie was in de plasmafysica en fusieonderzoek. Verder, de resultaten zullen naar verwachting gunstig zijn bij het verbeteren van plasma, niet alleen in spiraalvormige apparaten zoals LHD, maar ook in tokamaks zoals vertegenwoordigd door de International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER), die momenteel in aanbouw is.