プラズマ閉じ込め性能を決める新たなメカニズムを発見~大きい渦が小さい渦を引き伸ばしたり抑えつけたりしている~

2025-10-22 核融合科学研究所,総合研究大学院大学,京都大学

核融合科学研究所(NIFS)・総合研究大学院大学・京都大学の共同研究チームは、大型ヘリカル装置(LHD)で高温プラズマ中の乱流を詳細に観測し、「大きい渦が小さい渦を引き伸ばして抑制する」という新しい相互作用メカニズムを発見した。研究では、異なるスケールの揺らぎを同時に捉える高精度乱流計測器を独自開発し、従来モデルでは考慮されていなかった多階層乱流の連鎖的相互作用を実証。これにより、プラズマ閉じ込め性能の限界要因の一端が明らかになった。これまでミクロスケールの乱流を抑制しても閉じ込めが頭打ちとなる理由が不明だったが、本成果はその原因がマクロスケールとの干渉にある可能性を示唆する。発見は将来の核融合炉設計や性能予測モデルの高度化に直結し、エネルギー損失低減の鍵となる重要知見である。研究成果は『Communications Physics』誌に掲載され、IAEA核融合エネルギー会議でも報告された。

プラズマ閉じ込め性能を決める新たなメカニズムを発見~大きい渦が小さい渦を引き伸ばしたり抑えつけたりしている~
図1 異なる二つのサイズの乱流の特性を調べるため、ミリ波散乱計測装置を設置した。青い二つのアンテナはサイズの小さい方の乱流を二方向から同時に観測し、緑色のアンテナは同じ位置でサイズの大きい方の乱流を観測する。

<関連情報>

高温プラズマのマルチスケール乱流におけるスケール間非線形相互作用と分岐 Cross-scale nonlinear interaction and bifurcation in multi-scale turbulence of high-temperature plasmas

Tokihiko Tokuzawa,Tatsuhiro Nasu,Daiki Nishimura,Katsumi Ida,Mikirou Yoshinuma,Tatsuya Kobayashi,Kenji Tanaka,Shigeru Inagaki,Akihide Fujisawa,Ichihiro Yamada & Kimitaka Itoh
Communications Physics  Published:06 October 2025
DOI:https://doi.org/10.1038/s42005-025-02245-4

Abstract

The structural formation of magnetized high-temperature plasmas, which are ubiquitous in nature, is often controlled by turbulence. Such plasma turbulence is characterized by multiple scales and thus cross-scale nonlinear interactions are key to understanding its dynamics and structural formation. This is also the case for laboratory plasmas, for which multi-scale turbulence data are most abundant. The interactions of components on the meso- and ion-gyroradius (micro)-scales have been extensively studied. Here we report, the experimental discovery of the cross-scale nonlinear interactions between fluctuations at micro-scale and hyper-fine (HF)-scale (whose scale is about an electron gyroradius). Cross-scale bifurcation is found, in which micro-scale turbulence is suppressed, and the amplitude of HF-scale turbulence simultaneously increases. There is also an abrupt change in the isotropy of HF-scale components. We discuss a possible mechanisms in which nonlinear interactions, related to the weakening of the electric field generated by micro-scale turbulence, enhance HF-scale turbulence.

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