Buscando mejorar aún más el rendimiento del plasma, del 7 de marzo 2017, experimentos con plasma utilizando iones deuterio, que tienen el doble de masa de hidrógeno, se iniciaron en el Large Helical Device (LHD) en el National Institute for Fusion Science (NIFS). En numerosos experimentos con plasma que se llevan a cabo en países de todo el mundo, el uso de deuterio mejora el confinamiento del calor y las partículas. Es decir, el fenómeno llamado "efecto de masa de iones, "en el que se mejora el rendimiento del plasma, es observado. Sin embargo, todavía no comprendemos el mecanismo físico detallado de cómo el aumento en la masa de iones está relacionado con la mejora del rendimiento. Este ha sido uno de los problemas sin resolver más importantes en la física del plasma y la investigación de la fusión desde sus inicios.

En los plasmas confinados en el campo magnético hay varios tipos de ondas. En condiciones particulares, esas ondas crecen a medida que pasa el tiempo, y ocurre la llamada "inestabilidad" y el plasma se vuelve turbulento. Según la investigación hasta la fecha, Se ha descubierto que se produce una estructura de flujo única denominada "flujo zonal" que se forma espontáneamente en un plasma turbulento. Los flujos zonales toman la estructura de franjas que fluye en la dirección opuesta entre sí, y se sabe que estos flujos desempeñan un papel importante en la supresión de la turbulencia. Sin embargo, Quedan muchos aspectos sin aclarar con respecto a las condiciones por las cuales se forman las turbulencias y los flujos zonales. Si las influencias provocadas por diferencias en la masa de iones se pueden aclarar teóricamente, podemos predecir con precisión las mejoras en el confinamiento que se observan en los experimentos. Y debido a que podemos vincular la mejora del confinamiento con una mayor mejora del rendimiento del plasma, Se anticipan nuevos avances en la investigación.

El grupo de investigación del profesor Motoki Nakata, a través de la investigación colaborativa con el profesor Tomohiko Watanabe de la Universidad de Nagoya, llevó a cabo simulaciones de turbulencia de plasma en cinco dimensiones utilizando el "Plasma Simulator" en NIFS y la supercomputadora de vanguardia "K" en el Instituto Avanzado de Ciencia Computacional RIKEN para analizar inestabilidades (modos de electrones atrapados) causados ​​por electrones que se mueven hacia adelante y hacia atrás a lo largo de las líneas del campo magnético y analizar en detalle las turbulencias generadas por la inestabilidad. Como resultado, Aclaramos que la influencia de la masa iónica apareció notablemente en un plasma de alta densidad y que el detallado mecanismo físico en el que se suprime la turbulencia a través de un efecto provocado por colisiones electrón-ión. Más lejos, descubrimos que esos fenómenos existen en plasmas helicoidales y tokamak. Por lo tanto, pudimos aclarar el "efecto de masa de iones" ampliamente observado y uno de los mecanismos importantes para mejorar el rendimiento del plasma.

El mecanismo detallado que suprime la turbulencia se explica a continuación. La turbulencia causada por la inestabilidad de los electrones atrapados debilita el confinamiento del calor y las partículas del plasma. Las colisiones entre electrones e iones atrapados suprimen las inestabilidades (suprimiendo el crecimiento de ondas). A una temperatura fija, las colisiones ocurren con frecuencia a densidades de plasma más altas. Aquí, los impactos de las colisiones en el plasma de deuterio son notables en comparación con el hidrógeno. Como resultado, la turbulencia se puede suprimir (Figura 1). Más lejos, Aclaramos que en la condición en la que la inestabilidad se ha debilitado, el "flujo zonal" se vuelve más fuerte y suprime aún más la turbulencia al moler grandes remolinos y olas, y eventualmente mejora el confinamiento de calor y partículas (Figura 2).

Como se ha aclarado anteriormente, una imagen completa de la supresión de turbulencias en un plasma con una gran masa iónica puede expresarse esquemáticamente como en la Figura 3. Estos resultados de investigación proporcionan un conocimiento fundamental sobre la aclaración completa del "efecto de masa iónica", que fue un problema sin resolver durante muchos años en la física del plasma. e investigación de la fusión. Más lejos, Se prevé que los resultados sean beneficiosos para mejorar el plasma no solo en dispositivos helicoidales como LHD, sino también en tokamaks representados por el Reactor Termonuclear Experimental Internacional (ITER), que se encuentra actualmente en construcción.