För att ytterligare förbättra plasmaprestanda, från 7 mars, 2017, plasmaexperiment med deuteriumjoner, som har dubbelt så mycket väte, initierades i Large Helical Device (LHD) vid National Institute for Fusion Science (NIFS). I många plasmaexperiment som genomförs i länder runt om i världen, användningen av deuterium förbättrar inneslutningen av värme och partiklar. Det är, fenomenet som kallas "jonmasseffekt, " där plasmaprestanda förbättras, är observerad. Dock, vi förstår ännu inte den detaljerade fysiska mekanismen för hur ökningen av jonmassa är kopplad till prestandaförbättring. Detta har varit ett av de viktigaste olösta problemen inom plasmafysik och fusionsforskning från början.

I plasman som är instängda i magnetfältet finns olika typer av vågor. Under speciella förhållanden växer dessa vågor med tiden, och den så kallade "instabiliteten" uppstår och plasman blir turbulent. Enligt hittills forskning, det har visat sig förekomma en unik flödesstruktur som kallas "zonflöde" som bildas spontant i ett turbulent plasma. Zonala flöden tar bandstrukturen som flyter i motsatt riktning mot varandra, och dessa flöden är kända för att spela en viktig roll i undertryckandet av turbulensen. Dock, det återstår många oklara aspekter angående de förhållanden under vilka turbulens och zonflöden bildas. Om påverkan orsakad av skillnader i jonmassa kan klargöras teoretiskt, vi kan exakt förutsäga instängningsförbättringar som observeras i experiment. Och eftersom vi kan koppla förbättring av inneslutning till ytterligare förbättring av plasmaprestanda, ny utveckling inom forskningen väntas.

Forskargruppen av professor Motoki Nakata, genom forskningssamarbete med professor Tomohiko Watanabe vid Nagoya University, genomförde femdimensionella plasmaturbulenssimuleringar med användning av "Plasma Simulator" vid NIFS och den banbrytande superdatorn "K" vid RIKEN Advanced Institute for Computational Science för att analysera instabiliteter (fångade elektronlägen) orsakade av elektroner som rör sig fram och tillbaka längs magnetfältslinjerna och för att i detalj analysera turbulensen som genereras av instabiliteten. Som ett resultat, vi klargjorde att jonmassans inflytande uppträdde anmärkningsvärt i en högdensitetsplasma och att den detaljerade fysiska mekanismen där turbulens undertrycks genom en effekt orsakad av elektron-jonkollisioner. Ytterligare, vi upptäckte att dessa fenomen existerar i både spiralformade och tokamakplasma. Således, vi kunde klargöra "jonmasseffekten" som i stort sett observeras och en av de viktiga mekanismerna för att förbättra plasmaprestanda.

Den detaljerade mekanismen som undertrycker turbulens förklaras nedan. Turbulens orsakad på grund av infångad elektroninstabilitet försvagar inneslutningen av plasmavärme och partiklar. Kollisionerna mellan fångade elektroner och joner undertrycker instabiliteter (undertrycker tillväxten av vågor). Vid en fast temperatur, kollisioner inträffar ofta vid högre plasmadensiteter. Här, effekterna av kollisioner i deuteriumplasma är anmärkningsvärda i jämförelse med väte. Som ett resultat, turbulens kan undertryckas (Figur 1). Ytterligare, vi klargjorde att i det tillstånd där instabiliteten har försvagats, "zonflödet" blir starkare och dämpar turbulensen ytterligare genom att mala stora virvlar och vågor, och förbättrar så småningom inneslutningen av värme och partiklar (Figur 2).

Som har klargjorts ovan, en fullständig bild av turbulensundertryckning i ett plasma med stor jonmassa kan uttryckas schematiskt som i figur 3. Dessa forskningsresultat ger grundläggande kunskap om det fullständiga klargörandet av "jonmasseffekten" som var en olöst fråga under många år inom plasmafysik och fusionsforskning. Ytterligare, resultaten förväntas vara fördelaktiga för att förbättra plasma, inte bara i spiralformade enheter som LHD, men också i tokamaks som representeras av International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER), som för närvarande är under uppbyggnad.