Cherchant à améliorer encore les performances du plasma, à partir du 7 mars 2017, expériences plasma utilisant des ions deutérium, qui ont deux fois la masse d'hydrogène, ont été initiés dans le Large Helical Device (LHD) du National Institute for Fusion Science (NIFS). Dans de nombreuses expériences sur le plasma menées dans des pays du monde entier, l'utilisation du deutérium améliore le confinement de la chaleur et des particules. C'est-à-dire, le phénomène appelé « effet de masse ionique, " dans lequel les performances du plasma sont améliorées, Est observé. Cependant, nous ne comprenons pas encore le mécanisme physique détaillé de la façon dont l'augmentation de la masse ionique est liée à l'amélioration des performances. Cela a été l'un des problèmes non résolus les plus importants de la physique des plasmas et de la recherche sur la fusion depuis ses débuts.

Dans les plasmas confinés dans le champ magnétique, il existe différents types d'ondes. Dans des conditions particulières, ces ondes grandissent avec le temps, et la soi-disant "instabilité" se produit et le plasma devient turbulent. Selon les recherches à ce jour, il s'est avéré qu'il se produit une structure d'écoulement unique appelée « écoulement zonal » qui se forme spontanément dans un plasma turbulent. Les flux zonaux prennent la structure en bandes qui s'écoule dans le sens opposé les uns aux autres, et ces écoulements sont connus pour jouer un rôle important dans la suppression de la turbulence. Cependant, il reste de nombreux aspects non clarifiés concernant les conditions par lesquelles la turbulence et les écoulements zonaux se forment. Si les influences provoquées par les différences de masse ionique peuvent être clarifiées théoriquement, nous pouvons prédire avec précision les améliorations de confinement qui sont observées dans les expériences. Et parce que nous pouvons lier l'amélioration du confinement à une amélioration supplémentaire des performances du plasma, de nouveaux développements dans la recherche sont attendus.

Le groupe de recherche du professeur Motoki Nakata, grâce à des recherches en collaboration avec le professeur Tomohiko Watanabe de l'Université de Nagoya, a mené des simulations de turbulence de plasma en cinq dimensions à l'aide du « simulateur de plasma » du NIFS et du superordinateur de pointe « K » du RIKEN Advanced Institute for Computational Science afin d'analyser les instabilités (modes électroniques piégés) causées par les électrons qui se déplacent d'avant en arrière le long des lignes de champ magnétique et d'analyser en détail les turbulences générées par l'instabilité. Par conséquent, nous avons clarifié que l'influence de la masse ionique apparaissait remarquablement dans un plasma à haute densité et que le mécanisme physique détaillé dans lequel la turbulence est supprimée par un effet causé par les collisions électron-ion. Plus loin, nous avons découvert que ces phénomènes existent à la fois dans les plasmas hélicoïdaux et tokamak. Ainsi, nous avons pu clarifier "l'effet de masse ionique" largement observé et l'un des mécanismes importants pour améliorer les performances du plasma.

Le mécanisme détaillé qui supprime la turbulence est expliqué ci-dessous. La turbulence causée par l'instabilité des électrons piégés affaiblit le confinement de la chaleur et des particules du plasma. Les collisions entre les électrons et les ions piégés suppriment les instabilités (supprimant la croissance des ondes). A température fixe, les collisions se produisent fréquemment à des densités de plasma plus élevées. Ici, les impacts des collisions dans le plasma de deutérium sont remarquables par rapport à l'hydrogène. Par conséquent, la turbulence peut être supprimée (Figure 1). Plus loin, nous avons précisé que dans l'état dans lequel l'instabilité s'est affaiblie, le "flux zonal" devient plus fort et supprime davantage la turbulence en broyant de gros tourbillons et des vagues, et améliore à terme le confinement de la chaleur et des particules (Figure 2).

Comme cela a été précisé ci-dessus, une image complète de la suppression de la turbulence dans un plasma avec une grande masse ionique peut être exprimée schématiquement comme sur la figure 3. Ces résultats de recherche fournissent des connaissances fondamentales concernant la clarification complète de "l'effet de masse ionique" qui était un problème non résolu pendant de nombreuses années en physique des plasmas et la recherche sur la fusion. Plus loin, les résultats devraient être bénéfiques pour l'amélioration du plasma non seulement dans les dispositifs hélicoïdaux tels que le LHD, mais aussi dans les tokamaks représentés par l'International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER), qui est actuellement en construction.