聚變能是兩個輕原子核結合形成一個較重原子核(核聚變反應)時釋放的能量。利用聚變能發電(聚變發電廠)利用的是氘和氚結合形成氦時產生的能量。核聚變反應不會產生二氧化碳。此外，由于可以從海水中提取氘和氚，聚變能被視為可持續能源，近年來其實際應用研究進展迅速。要引發聚變反應，必須將氘和氚加熱到1億攝氏度以上以形成等離子體，然后將其保持在強磁“籠”中。但是，當等離子體中激發湍流時，等離子體會從磁“籠”中流出。因此，湍流是聚變研究的重要課題，抑制湍流對于實現聚變發電廠至關重要。對于湍流抑制，了解湍流激發的物理機制至關重要，而 LHD 是應對這一挑戰的完美設備。例如，湍流測量通常并不容易，但我們已成功測量

不僅其振幅，而且其空間輪廓和傳播方向也通過精密激光診斷 *5 (圖1)進行了測量。此外，這一系列實驗是在LHD的氘實驗期間(2017-2022)*6進行的 ，并研究了湍流的離子質量依賴性。

結果

由九州大學應用力學研究所助理教授木下敏樹、國立自然科學研究院核聚變科學研究所教授田中健二和京都大學能源科學研究科教授石澤章宏等人領導的研究小組，在相同的加熱條件下，進行了改變氫等離子體密度(電子和離子的數量)的實驗，以全面了解 LHD 中的湍流。同時，對湍流進行了詳細測量。結果發現，在某一密度(過渡密度)下，湍流受到的抑制最大，在過渡密度以下，隨著密度的增加，湍流減少(圖 2 中的紫色區域)，但在過渡密度以上，湍流開始增加(圖 2 中的橙色區域)。此外，還觀察到湍流傳播方向在過渡密度之后發生逆轉。該結果暗示湍流性質在過渡密度(湍流過渡)附近發生變化。

隨后，為了證實湍流轉變，我們在 Raijin 超級計算機上進行了模擬。結果發現，在轉變密度以下觀察到的湍流主要由離子溫度梯度引起，而在轉變密度以上觀察到的湍流主要由壓力梯度和等離子體電阻率引起。此外，我們還發現湍流的這種變化是湍流抑制的重要物理機制。因此，通過充分利用實驗和模擬，我們揭示了觀察到的湍流抑制是由于湍流模式的變化，即湍流轉變。

此外，在相同條件下對氘等離子體進行了實驗，并與氫等離子體進行了比較。結果發現，對于氘等離子體，在更高密度下會發生湍流躍遷，即湍流在更高密度下受到抑制(圖3)。此外，令人驚訝的是，在躍遷密度以上觀察到的湍流在氘等離子體中明顯受到抑制。在氘等離子體中觀察到的高密度湍流抑制意味著，在設想用于聚變發電的更高密度和更重質量的氘/氚混合等離子體中，湍流將進一步受到抑制。這對于早日實現聚變發電是一個有利的結果。

未來的計劃

這項研究表明，湍流在湍流躍遷過程中受到的抑制最大，并且氘等離子體中的湍流躍遷密度高于氫等離子體。不同的躍遷密度意味著湍流躍遷條件不僅僅由電子??密度決定。下一步是根據湍流的物理背景確定湍流躍遷條件，并為聚變發電廠開發具有低湍流條件的創新運行場景。我們還希望將我們的研究擴展到氘/氚混合等離子體的外推及其在工廠設計中的應用，以找到實現聚變能的有效解決方案。