プラズマ中の乱流の「一人二役」を発見~高精度観測で、乱流が「熱の運搬役」と「熱のつなぎ役」の2つの役割を持つことを世界で初めて明確化~

2025-12-10 核融合科学研究所

自然科学研究機構 核融合科学研究所の研究グループは、大型ヘリカル装置(LHD)での高精度観測により、プラズマ中の乱流が「熱を運ぶ役」と「離れた領域同士を瞬時につなぐ役」という二つの役割を同時に担うことを世界で初めて実験的に示した。プラズマ中心部を短時間だけ急加熱すると、まずプラズマ全体を一気に結びつける非局所的な乱流が立ち上がり、1万分の1秒以下という極めて短時間で遠隔領域に影響が及ぶことが判明した。その後、時間をかけて広がる局所的な乱流が、実際に熱を外側へ運び温度分布を形成する。この「つなぎ役」乱流は加熱時間が短いほど強く働き、熱の広がりを加速させることも分かった。本成果は、核融合炉プラズマにおける急速な熱伝播メカニズムの解明に貢献し、将来の熱輸送の予測・制御法開発の基盤となる。

プラズマ中の乱流の「一人二役」を発見~高精度観測で、乱流が「熱の運搬役」と「熱のつなぎ役」の2つの役割を持つことを世界で初めて明確化~
図1 プラズマ中の乱流が担う「一人二役」のイメージ図。
(上)離れた領域を同時につなぐ「つなぎ役」の乱流は、選手たちが声を掛け合って素早くパスを回す動作に相当し、プラズマ内部で遠隔の領域を瞬時に結びつけて熱の広がりを加速させている。
(下)熱を実際に外側へ運ぶ「運搬役」の乱流は、ボール(熱)を抱えて前へ走るアメフト選手のように、時間をかけて広がりながらプラズマの温度分布を形づくる。

<関連情報>

磁場閉じ込めプラズマにおける局所的乱流と非局所的乱流の共存の実験的同定 Direct observation of coexisting local and nonlocal turbulence in a magnetically confined plasma

Naoki Kenmochi,Katsumi Ida,Tokihiko Tokuzawa,Yoshinori Mizuno,Ryo Yasuhara,Hisamichi Funaba,Hiyori Uehara,Daniel J. Den Hartog,Mikirou Yoshinuma,Yuki Takemura,Hiroe Igami,Ryoma Yanai & Toshiki Takeuchi
Communications Physics  Published:10 December 2025
DOI:https://doi.org/10.1038/s42005-025-02454-x

Abstract

Observing mediating structures in nonlocal transport is a cross-disciplinary challenge that spans disordered materials and turbulent fluids. The difficulty stems from the transient nature of mediators and nonlocal responses to probes, which renders indirect diagnostic and numerical simulations the most commonly used probing strategies. This study introduces a direct method using high-resolution spatiotemporal diagnostics in magnetically confined plasma to isolate two turbulence regimes: high-frequency local turbulence, which scales with temperature gradients and carries heat flux, and low-frequency nonlocal turbulence, which acts as a mediator and rapidly links distant regions. We observe temporal ordering as follows: immediately after heating, nonlocal turbulence appears, followed by local turbulence carrying the heat pulse. Shorter heating shifts the balance toward the nonlocal component. The impact of the mediator is quantified by the scaling vs−1.06 between the heat-pulse speed v and duration s, demonstrating that stronger departures from steady state enhance nonlocal transport. Correspondingly, the intensity ratio of the nonlocal-to-local turbulence increases as s shortens. This direct observation of nonlocal transport offers insights into mediator-enabled pathways and advances the understanding of nonlocal dynamics.

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