大域的5次元第一原理モデルのエクサスケール乱流計算による水素同位体混合現象の解明

磁場閉じ込め核融合プラズマの核融合出力を最適化する上で、燃料となる重水素と三重水素の密度比を制御することが重要な課題となっている。近年、JET装置や大型ヘリカル装置LHDにおいて水素と重水素の水素同位体混合実験が実施され、粒子閉じ込め時間に比べて一桁速い時間スケールの水素同位体混合現象が観測された。本研究では大域的モデルに基づくエクサスケールの5次元第一原理乱流計算を駆使して乱流揺動の雪崩的な伝搬や大域的電場形成による非局所的輸送現象の観点から速い水素同位体混合現象をもたらす物理機構を解明する。今年度は、多種イオン系プラズマにおける粒子輸送の基礎的検証として、炭素不純物の吐き出しが観測されているTore Supra装置のジュール加熱実験データを対象とする数値実験を実施した。この結果、炭素不純物吐き出し後のトレーサーレベルの不純物を含む系（実効電荷Zeff~1.36）ではバルクイオンの重水素と電子の粒子輸送のバランスによって両極性条件が満たされ、粒子閉じ込め時間はエネルギー閉じ込め時間より一桁大きくなるが、炭素不純物の吐き出し現象が発生する高濃度不純物を含む系（実効電荷Zeff~3.06）では炭素不純物の外向き輸送とバルクイオンの重水素の内向き輸送のバランスによって両極性条件が満たされ、電子閉じ込め時間より一桁速い時間スケールのイオン混合現象が発生することを発見した。また、トロイダル角運動量保存則に基づいてこの物理機構を解析し、トロイダル電場揺動と密度揺動の位相関係によって決まるトロイダル電場応力が速いイオン輸送を駆動し、重水素と炭素でこの位相関係が逆転することでイオン混合現象が発生することを明らかにした。

磁場閉じ込め核融合プラズマの核融合出力を最適化する上で、燃料となる重水素と三重水素の密度比を制御することが重要な課題となっている。近年、JET装置や大型ヘリカル装置LHDにおいて水素と重水素の水素同位体混合実験が実施され、粒子閉じ込め時間に比べて一桁速い時間スケールの水素同位体混合現象が観測された。本研究では大域的モデルに基づくエクサスケールの5次元第一原理乱流計算を駆使して乱流揺動の雪崩的な伝搬や大域的電場形成による非局所的輸送現象の観点から速い水素同位体混合現象をもたらす物理機構を解明する。今年度は、多種イオン系プラズマにおける粒子輸送の基礎的検証として、炭素不純物の吐き出しが観測されているTore Supra装置のジュール加熱実験データを対象とする数値実験を実施した。この結果、炭素不純物吐き出し後のトレーサーレベルの不純物を含む系（実効電荷Zeff~1.36）ではバルクイオンの重水素と電子の粒子輸送のバランスによって両極性条件が満たされ、粒子閉じ込め時間はエネルギー閉じ込め時間より一桁大きくなるが、炭素不純物の吐き出し現象が発生する高濃度不純物を含む系（実効電荷Zeff~3.06）では炭素不純物の外向き輸送とバルクイオンの重水素の内向き輸送のバランスによって両極性条件が満たされ、電子閉じ込め時間より一桁速い時間スケールのイオン混合現象が発生することを発見した。また、トロイダル角運動量保存則に基づいてこの物理機構を解析し、トロイダル電場揺動と密度揺動の位相関係によって決まるトロイダル電場応力が速いイオン輸送を駆動し、重水素と炭素でこの位相関係が逆転することでイオン混合現象が発生することを明らかにした。