日本综合研究大学院大学自然科学研究机构核融合科学研究所（岐阜县土岐市）的德泽季彦教授、居田克巳特任教授、综合研究大学院大学博士课程学生那须达丈，以及京都大学稻垣滋教授所率领的研究团队，成功开发出一种高性能湍流测量仪器，能够同时观测同一区域中不同尺寸的波动，并将其应用于大型螺旋装置（LHD）中高温等离子体微观波动的观测。研究首次发现，大尺度湍流涡旋会拉伸小尺度湍流涡旋，从而抑制其增长。这一存在于两种波动之间的相互作用机制，在过去的等离子体约束模型中从未被考虑，却对等离子体约束性能具有重要影响。该发现为未来聚变反应堆的性能预测提供了关键科学依据。
相关研究成果已于10月6日发表于学术期刊《Communications Physics》，并于10月15日在第30届国际原子能机构（IAEA）核聚变能会议上发布。
研究背景
全球范围内正积极开展核聚变等离子体高效约束研究，旨在为实现聚变发电储存足够能量。已知等离子体约束性能会受到其中各种尺度的波动与湍流※¹影响，这些扰动会导致能量与粒子流失，从而降低约束性能。因此，理解其物理机制并抑制性能恶化成为关键课题。特别是，从世界各地的实验装置所开展的高温等离子体约束研究中发现，尺度为数厘米左右（微观尺度）的湍流涡旋对约束性能退化具有显著影响。此前研究已知，通过抑制此类微观尺度湍流，约束性能可“在一定程度上”得到提升※²。然而，为何性能无法进一步提升，始终是未解之谜。此外，理论与模拟研究预测，在未来核聚变堆中，比微观尺度更小的湍流将通过与不同尺度湍流的相互作用影响约束性能，亟待实验验证。但由于此类小尺度湍流的观测对测量技术要求极高，一直未能实现有效检测。
研究成果
为探究两种不同尺度湍流的特性，德泽季彦教授、居田克巳特任教授、那须达丈以及稻垣滋教授所组成的研究团队，开发了分别适配不同尺度湍流涡旋的测量仪器※³，如图1所示，将其置于大型螺旋装置（LHD）※⁴中等离子体的同一位置进行同步观测，分析各湍流强度的变化规律。特别针对小尺度湍流涡旋，通过双向同步观测，成功捕捉到其拉伸率的变化。通过分析湍流涡旋的拉伸程度，可推断该位置等离子体所受力的状态。
对LHD等离子体的观测结果显示：当大尺度湍流（图2蓝色涡旋）强度突然减弱时，小尺度湍流（图2红色涡旋）强度反而增强，同时小尺度湍流涡旋的拉伸程度也随之减弱。该现象可通过以下模型解释：大尺度湍流涡旋产生的电场力会拉伸小尺度湍流涡旋，从而抑制其增长。也就是说，当大尺度湍流较强时，小尺度湍流受其拉伸作用而被抑制；一旦大尺度湍流减弱，小尺度湍流便开始增长。研究推测，这种小尺度湍流的增长机制，或许正是此前悬而未决的问题——即尽管微观尺度湍流（在本研究中属大尺度湍流）减弱，约束性能改善却仍停留在“一定程度”——背后的关键原因。
研究成果的意义
日本参与国际合作的ITER※⁵项目所追求的目标，是实现通过核聚变反应产生的α粒子加热等离子体，从而维持持续聚变反应的“自燃条件”等离子体。在这种状态下，本研究观测到的小尺度湍流预计将比当前更为活跃，并对等离子体约束产生更大影响。因此，目前全球已开始积极开展小尺度湍流的实验验证。本研究团队较早认识到该问题，并率先开发测量方法，不仅成功观测湍流响应，更实现了对湍流涡旋拉伸程度的检测，从而引领了这一世界首次的重大发现。
未来展望
从核聚变堆开发的视角来看，本次发现的小尺度与大尺度湍流之间的相互作用，已在近年来借助高性能计算机构建的最新理论与模拟研究中有所提示。而本次实验观测的首度成功，使得对模拟计算所用理论模型进行验证成为可能，有望推动模型进一步精确化。在此基础上，未来核聚变堆的运行性能将有望得到显著提升。
从学术研究的角度来看，不同尺度湍流之间的相互作用以及湍流涡旋结构的突变现象，不仅存在于实验室内核聚变等离子体，也同样出现于宇宙等离子体中。本次在LHD高温等离子体中获得的精细实验观测结果，预计也将为其他领域的等离子体物理研究提供重要参考。
