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科学研究補助費 基盤S 2009-2013
乱流プラズマの動的応答と動的輸送の統合研究

 高温磁化不均一プラズマについては、制御核融合を目指し世界的な集中的研究が行われており、プラズマ乱流と構造の詳細研究が世界中で活発に行われています。数十年近いプラズマ物理学の進歩の中で、近年の研究の転換は、(i)帯状流やストリーマーといったメゾスケールの揺動がドリフト波等の微視的乱流と共存すること、(ii)乱流輸送が微視的・局所的な乱流のみによって定まるのではなく、メゾスケール・非局所的な揺動にも規定される、という理解の進展です[Diamond, Itoh, et al.:PPCF 47 (05) R35]。この理解は、磁場閉じ込めプラズマに対し、局所機構に立脚し、拡散的過程として定式化している従来のモデルを根本的に再検討することを求めています。このように「非線型揺動・大域的・確率的」描像へと乱流・輸送研究のパラダイムシフトが世界の当該研究で起こっています。平成16年度に「乱流プラズマの構造形成と選択則の総合的研究」を本チームが発足させ、成果をあげた[J. Plasma Fus. Res. 83 (2007) 241]事は世界的研究潮流の起源となり、その後2-3年のうちに、米・独・仏・英・台湾で類似の研究プロジェクトが相次いで発足しました。我が国でも、直線プラズマでの揺動と流れ(東北大や核融合科学研)、高速流閉じ込め(東大)、純電子プラズマ揺動(京大)研究といった物理実験が展開し、多スケール理論シミュレーションも京大、NIFS、九大、東大、名大、原子力機構、地球シミュレーター等を始め進展し、パラダイムシフトが進んでいます。

 一方、制御核融合をめざした詳細な実験研究では、静的エネルギーバランスに着目してエネルギー閉じ込め時間 を求めたり、局所的な熱流と温度勾配の比として乱流輸送係数を評価する、「静的」研究は充実しているものの、更なる理解の進展が求められています。例えば、エネルギー閉じ込め時間のイオン質量依存性などが未解明であるだけでなく、改善閉じ込め状態の遷移など輸送障壁近傍に起きる変化が、(エネルギー閉じ込め時間程度の)拡散的輸送機構による伝達よりずっと速くプラズマの中を伝播する動的輸送現象が広く観察されていますが、[Stroth, PPCF 38 (96) 1087]未だ理解からはほど遠い状態です。プラズマ燃焼制御のためには輸送状態のダイナミックな変動を制御する必要があり、そのために「動的」輸送現象の理解が希求されています。核融合燃焼を現実化する国際熱核融合実験炉(ITER)計画においても、燃焼状態実現のために乱流輸送機構のより正確な理解が必要なだけでなく、燃焼の制御は極めて重要な課題であり、信頼性ある制御法の確立のためにもダイナミックな輸送応答の理解が強く求められています。

 

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