The transport of heat in laboratory and astrophysical plasmas is dominated by the complex nonlinear dynamics of plasma turbulence. In magnetically confined plasmas used for fusion energy research, turbulence is responsible for cross-field transport that limits the performance of tokamak reactors. We report a set of novel gyrokinetic simulations that capture ion and electron-scale turbulence simultaneously, revealing the dynamics of cross-scale energy transfer and zonal flow modification that give rise to heat losses. Multi-scale simulations are required to match experimental ion and electron heat fluxes and electron profile stiffness, establishing the applicability of the newly discovered physics to experiment. Importantly, these results provide a likely explanation for the loss of electron heat from tokamak plasmas, the 'great unsolved problem' (Bachelor et al (2007 Plasma Sci. Technol. 9 312–87)) in plasma turbulence and the projected dominant loss channel in ITER.
実験室および天体物理プラズマにおける熱輸送は、プラズマ乱流の複雑な非線形ダイナミクスによって支配されている。核融合エネルギー研究に用いられる磁場閉じ込めプラズマにおいては、乱流が横断方向の輸送を担い、トカマク炉の性能を制限している。我々は、イオンおよび電子スケールの乱流を同時に捕捉する一連の新規ジャイロ運動論的シミュレーションを報告し、熱損失をもたらすクロススケールのエネルギー輸送と帯状流変調のダイナミクスを明らかにする。実験におけるイオンおよび電子の熱流束と電子温度勾配の剛直性を再現するには、マルチスケールシミュレーションが必要であり、新たに発見された物理の実験への適用可能性が確立される。重要なことに、これらの結果は、プラズマ乱流における「未解決の大問題」(Bachelor et al (2007 Plasma Sci. Technol. 9 312–87))であるトカマクプラズマからの電子熱損失と、ITERにおける主要な損失チャネルと予測される現象に対する有力な説明を提供するものである。