九州大學應用力學研究所的木下稔基助教和核融合科學研究所的田中讓治教授，以及京都大學研究生院能源科學研究科石澤明宏教授等組成的研究團隊發表研究成果稱，成功地捕捉到了大螺旋裝置（LHD）中亂流被抑制的現象。利用雷射進行的高精度測量和實驗以及使用超級計算機進行的類比表明，這種抑制現象是在亂流類型產生變化時發生的。上述成果有望推動高效核融合反應爐的設計。相關研究結果已發表在美國物理可用能學會出版的國際學術期刊《Physical Review letters》6月7日號上。
圖1 LHD中的亂流測量（供圖：核融合科學研究所）
核融合發電也就是利用氘和氚聚變成氦時產生的能量來發電。由於不排放二氧化碳，而且可以從海水中回收氘和氚，因此作爲可持續能源，全世界都在推進實際應用研究。原則上，爲了產生核融合反應，需要將氘和氚加熱到1億攝氏度以上的電漿溫度，並將這種電漿束縛在磁場形成的「磁籠」中。
然而，電漿中的亂流會導致電漿流出磁籠，導致溫度和密度降低，進而降低氘和氚的碰撞效率。因此，抑制亂流便成爲實施核融合發電必須解決的關鍵課題。
對此，研究團隊透過核融合科學研究所的LHD進行了實驗，並使用超級計算機進行類比來闡明亂流的特徵。核融合科學研究所的LHD配備了多個測量系統，還能夠使用核融合科學研究所的專門用於核融合領域的超級計算機「電漿模擬器·雷神」來進行類比計算。
在實驗中，研究團隊首先使用輕氫在熱力爲1.4MW的條件下，使電漿的密度在每10萬億個/立方厘米到50萬億個粒子/立方厘米的範圍内變化，並利用雷射高精度地測量了各個密度下產生的亂流。這個測量系統能夠以每秒100萬次的速度測量亂流。
測量結果顯示，亂流在達到特定密度（轉變密度）前先逐漸減小，之後開始增大。此外，還觀察到亂流方向以轉變密度爲分模線發生逆轉（亂流移動）的現象。
當使用超級計算機對這種亂流轉變進行類比分析時，發現低於轉變密度時觀察到的亂流主要由離子溫度梯度驅動，而高於轉變密度時觀察到的亂流主要由氣壓梯度和電漿電阻驅動。
此外，研究團隊還使用氘進行了相同的實驗並對比了實驗結果。
結果發現，具有較大質量的氘會在更高密度下發生亂流轉變，並且亂流明顯受到抑制。實際的核融合發電計劃使用比實驗中質量更大的氘和氚，因此預計亂流會被進一步抑制。
木下助教表示：「本次研究揭示了亂流轉變條件就是亂流抑制條件。但是，當加熱條件等發生變化時，亂流抑制條件也相應發生變化。所以今後我們會將機器學習應用於各種條件下的電漿實驗，以闡明亂流抑制條件。然後，我們將進行即時電漿控制以滿足這些條件，從而驗證在抑制亂流的條件下實施良好束縛的電漿運動。」
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
雜誌：Physical Review Letters
論文：Turbulence transition in magnetically confined hydrogen and deuterium plasmas
DOI：10.1103/PhysRevLett.132.235101
