聚变能是两个轻原子核结合形成一个较重原子核(核聚变反应)时释放的能量。利用聚变能发电(聚变发电厂)利用的是氘和氚结合形成氦时产生的能量。核聚变反应不会产生二氧化碳。此外，由于可以从海水中提取氘和氚，聚变能被视为可持续能源，近年来其实际应用研究进展迅速。要引发聚变反应，必须将氘和氚加热到1亿摄氏度以上以形成等离子体，然后将其保持在强磁“笼”中。但是，当等离子体中激发湍流时，等离子体会从磁“笼”中流出。因此，湍流是聚变研究的重要课题，抑制湍流对于实现聚变发电厂至关重要。对于湍流抑制，了解湍流激发的物理机制至关重要，而 LHD 是应对这一挑战的完美设备。例如，湍流测量通常并不容易，但我们已成功测量
不仅其振幅，而且其空间轮廓和传播方向也通过精密激光诊断 *5 (图1)进行了测量。此外，这一系列实验是在LHD的氘实验期间(2017-2022)*6进行的 ，并研究了湍流的离子质量依赖性。
结果
由九州大学应用力学研究所助理教授木下敏树、国立自然科学研究院核聚变科学研究所教授田中健二和京都大学能源科学研究科教授石泽章宏等人领导的研究小组，在相同的加热条件下，进行了改变氢等离子体密度(电子和离子的数量)的实验，以全面了解 LHD 中的湍流。同时，对湍流进行了详细测量。结果发现，在某一密度(过渡密度)下，湍流受到的抑制最大，在过渡密度以下，随着密度的增加，湍流减少(图 2 中的紫色区域)，但在过渡密度以上，湍流开始增加(图 2 中的橙色区域)。此外，还观察到湍流传播方向在过渡密度之后发生逆转。该结果暗示湍流性质在过渡密度(湍流过渡)附近发生变化。
随后，为了证实湍流转变，我们在 Raijin 超级计算机上进行了模拟。结果发现，在转变密度以下观察到的湍流主要由离子温度梯度引起，而在转变密度以上观察到的湍流主要由压力梯度和等离子体电阻率引起。此外，我们还发现湍流的这种变化是湍流抑制的重要物理机制。因此，通过充分利用实验和模拟，我们揭示了观察到的湍流抑制是由于湍流模式的变化，即湍流转变。
此外，在相同条件下对氘等离子体进行了实验，并与氢等离子体进行了比较。结果发现，对于氘等离子体，在更高密度下会发生湍流跃迁，即湍流在更高密度下受到抑制(图3)。此外，令人惊讶的是，在跃迁密度以上观察到的湍流在氘等离子体中明显受到抑制。在氘等离子体中观察到的高密度湍流抑制意味着，在设想用于聚变发电的更高密度和更重质量的氘/氚混合等离子体中，湍流将进一步受到抑制。这对于早日实现聚变发电是一个有利的结果。
未来的计划
这项研究表明，湍流在湍流跃迁过程中受到的抑制最大，并且氘等离子体中的湍流跃迁密度高于氢等离子体。不同的跃迁密度意味着湍流跃迁条件不仅仅由电子密度决定。下一步是根据湍流的物理背景确定湍流跃迁条件，并为聚变发电厂开发具有低湍流条件的创新运行场景。我们还希望将我们的研究扩展到氘/氚混合等离子体的外推及其在工厂设计中的应用，以找到实现聚变能的有效解决方案。
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