Transport dynamics in linearly magnetized plasmas through the formation of higher-order nonlinear structures

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 21K03508
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 14020:Nuclear fusion-related
• Research Institution: Kyushu University (2022-2023); Shimane University (2021)
• Principal Investigator: Arakawa Hiroyuki 九州大学, 医学研究院, 准教授 (00615106)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: プラズマ乱流 / 帯状流 / 乱流輸送 / 輸送ダイナミクス / 高次非線形構造 / レーザー誘起蛍光法 / ベクトルトモグラフィー

Outline of Final Research Achievements

We evaluated energy transport driven by higher-order nonlinear structures in frequency regime of drift waves in linearly magnetized plasmas. Under systematically varied neutral gas pressure and magnetic field strength, we assessed temporal energy transfer among azimuthal flow, lower-order nonlinear structures, and higher-order nonlinear structures. The magnitude of energy transfer has nonlinear relation with the energy of each structure; multiple conditions were observed where structures with lower energy still influenced the entire plasma. As a related study, we developed the radially Langmuir probes with 10 channels and a reconstruction method for two-dimensional flow vector fields using vector tomography.

Free Research Field

プラズマ物理学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

プラズマ乱流輸送の研究では、これまで乱流(ドリフト波)と流れ(帯状流)の相互作用が中心で、高次非線形構造の影響はほとんど無視されてきた。しかし最近の研究で、特定の条件下では高次非線形構造がプラズマ全体に重要な影響を与えることがわかってきた。本研究では、系統的に外部制御パラメータを変化させ、種々の乱流条件において高次非線形構造と流れ、基本波構造とのエネルギー移送を評価した。その結果、エネルギーが相対的に小さい高次非線形構造でもプラズマ全体に大きく影響する条件が複数得られた。本研究により、乱流輸送理論の改善や磁場閉じ込め核融合炉の性能向上に寄与する可能性がある。