Impact of turbulence on the transport of energetic particles

磁場閉じ込め型核融合装置において燃焼プラズマを維持するためには、燃焼によって生じた高エネルギー粒子とそれによって加熱される燃料プラズマそれぞれの良好な閉じ込めを両立させることが必要である。本研究は、この燃焼プラズマの閉じ込め悪化を引きおこす主要な原因となる電磁流体不安定性（MHD）と乱流輸送を、世界最先端である大域的電磁的ジャイロ運動論シミュレーションを用いて評価することに成功した。高エネルギー粒子の閉じ込めは高エネルギー粒子駆動のマクロな電磁流体不安定性（トロイダルアルフェン固有モード、TAE）によって劣化され、一方、ミクロスケールを持つドリフト波乱流による輸送は燃料プラズマの閉じ込めを低下させる。本研究では、従来の研究と異なり、TAEと乱流のマルチスケール相互作用を初めて計算し、この相互作用の下で高エネルギー粒子および燃料プラズマの熱・粒子輸送を同時に評価した。その結果、TAEとドリフト波乱流の相互作用は、乱流揺動を波数空間と実空間の両方で同時に広げることを新たに示した。そしてその結果、揺動振幅は増大し、高エネルギー粒子の輸送及び燃料プラズマの輸送両方を増大させ、燃焼プラズマの閉じ込めを悪化させることを明らかにした。本年度は、乱流のマルチスケール相互作用を定量的に評価するために、非線形エントロピー（自由エネルギー）移送を調べた。その結果、イオン温度勾配乱流は、実空間におけるE×B乱流対流によるグローバルなエントロピー移動に起因する新たなメカニズムによって飽和することを明らかにした。乱流に付随するエントロピーの径方向への移動は、磁場揺動の影響を避けるために乱流の最も活発な領域の両側でグローバルな帯状流を生成し、その結果グローバルな帯状流の励起が抑制されず、乱流の定常状態を導く。この成果をNulcear Fusion誌に発表した。

磁場閉じ込め型核融合装置において燃焼プラズマを維持するためには、燃焼によって生じた高エネルギー粒子とそれによって加熱される燃料プラズマそれぞれの良好な閉じ込めを両立させることが必要である。本研究は、この燃焼プラズマの閉じ込め悪化を引きおこす主要な原因となる電磁流体不安定性（MHD）と乱流輸送を、世界最先端である大域的電磁的ジャイロ運動論シミュレーションを用いて評価することに成功した。高エネルギー粒子の閉じ込めは高エネルギー粒子駆動のマクロな電磁流体不安定性（トロイダルアルフェン固有モード、TAE）によって劣化され、一方、ミクロスケールを持つドリフト波乱流による輸送は燃料プラズマの閉じ込めを低下させる。本研究では、従来の研究と異なり、TAEと乱流のマルチスケール相互作用を初めて計算し、この相互作用の下で高エネルギー粒子および燃料プラズマの熱・粒子輸送を同時に評価した。その結果、TAEとドリフト波乱流の相互作用は、乱流揺動を波数空間と実空間の両方で同時に広げることを新たに示した。そしてその結果、揺動振幅は増大し、高エネルギー粒子の輸送及び燃料プラズマの輸送両方を増大させ、燃焼プラズマの閉じ込めを悪化させることを明らかにした。本年度は、乱流のマルチスケール相互作用を定量的に評価するために、非線形エントロピー（自由エネルギー）移送を調べた。その結果、イオン温度勾配乱流は、実空間におけるE×B乱流対流によるグローバルなエントロピー移動に起因する新たなメカニズムによって飽和することを明らかにした。乱流に付随するエントロピーの径方向への移動は、磁場揺動の影響を避けるために乱流の最も活発な領域の両側でグローバルな帯状流を生成し、その結果グローバルな帯状流の励起が抑制されず、乱流の定常状態を導く。この成果をNulcear Fusion誌に発表した。