p Buscando melhorar ainda mais o desempenho do plasma, de 7 de março, 2017, experimentos de plasma utilizando íons de deutério, que tem o dobro da massa de hidrogênio, foram iniciados no Large Helical Device (LHD) no National Institute for Fusion Science (NIFS). Em vários experimentos de plasma realizados em países ao redor do mundo, o uso de deutério está melhorando o confinamento de calor e partículas. Isso é, o fenômeno chamado "efeito de massa iônica, "em que o desempenho do plasma é melhorado, é observado. Contudo, ainda não entendemos o mecanismo físico detalhado de como o aumento na massa de íons está ligado à melhoria de desempenho. Este tem sido um dos problemas não resolvidos mais importantes na física do plasma e na pesquisa de fusão desde o seu início. p Nos plasmas confinados no campo magnético, existem vários tipos de ondas. Em condições particulares, essas ondas crescem com o passar do tempo, e ocorre a chamada "instabilidade" e o plasma torna-se turbulento. De acordo com a pesquisa até o momento, descobriu-se que ocorre uma estrutura de fluxo única chamada "fluxo zonal" que se forma espontaneamente em um plasma turbulento. Os fluxos zonais levam a estrutura de faixa que flui na direção oposta entre si, e esses fluxos são conhecidos por desempenhar um papel importante na supressão da turbulência. Contudo, permanecem muitos aspectos não esclarecidos sobre as condições pelas quais a turbulência e os fluxos zonais são formados. Se as influências causadas por diferenças na massa de íons podem ser esclarecidas teoricamente, podemos prever com precisão as melhorias de confinamento que são observadas em experimentos. E porque podemos vincular a melhoria do confinamento a uma maior melhoria do desempenho do plasma, novos desenvolvimentos em pesquisa são antecipados.

p O grupo de pesquisa do Professor Motoki Nakata, por meio de pesquisa colaborativa com o professor Tomohiko Watanabe da Universidade de Nagoya, conduziu simulações de turbulência de plasma em cinco dimensões utilizando o "Simulador de Plasma" no NIFS e o supercomputador "K" de ponta no RIKEN Advanced Institute for Computational Science para analisar instabilidades (modos de elétrons presos) causadas por elétrons que se movem para frente e para trás ao longo das linhas do campo magnético e analisar em detalhes a turbulência gerada pela instabilidade. Como resultado, esclarecemos que a influência da massa iônica apareceu notavelmente em um plasma de alta densidade e que o mecanismo físico detalhado no qual a turbulência é suprimida por um efeito causado por colisões elétron-íon. Avançar, descobrimos que esses fenômenos existem em plasmas helicoidais e tokamak. Assim, fomos capazes de esclarecer o "efeito de massa de íons" amplamente observado e um dos mecanismos importantes para melhorar o desempenho do plasma.

p O mecanismo detalhado que suprime a turbulência é explicado abaixo. A turbulência causada pela instabilidade do elétron preso enfraquece o confinamento do calor e das partículas do plasma. As colisões entre elétrons e íons aprisionados suprimem instabilidades (suprimindo o crescimento das ondas). A uma temperatura fixa, colisões ocorrem freqüentemente em densidades de plasma mais altas. Aqui, os impactos das colisões no plasma de deutério são notáveis ​​em comparação com o hidrogênio. Como resultado, turbulência pode ser suprimida (Figura 1). Avançar, esclarecemos que na condição em que a instabilidade enfraqueceu, o "fluxo zonal" se torna mais forte e suprime ainda mais a turbulência, moendo grandes redemoinhos e ondas, e, eventualmente, melhora o confinamento de calor e partículas (Figura 2).

p Como foi esclarecido acima, uma imagem completa da supressão de turbulência em um plasma com grande massa de íons pode ser expressa esquematicamente como na Figura 3. Esses resultados de pesquisa fornecem conhecimento fundamental sobre o esclarecimento completo do "efeito de massa de íons", que era uma questão não resolvida por muitos anos na física do plasma e pesquisa de fusão. Avançar, prevê-se que os resultados sejam benéficos na melhoria do plasma, não apenas em dispositivos helicoidais, como LHD, mas também em tokamaks representados pelo International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER), que está atualmente em construção.