Isotope effect allows fusion devices to perform better when heavier hydrogen isotopes are used as fuel, but the reason for this improvement is not yet understood. We present the first direct evidence of the isotope effect on particle confinement in the FT-2 tokamak and investigate it via gyrokinetic simulations. Experimental measurements for comparable hydrogen and deuterium discharges show that the particle confinement time increases by 40% for the heavier isotope species. The isotope effect on particle flux is reproduced in global and local gyrokinetic simulations. Global ELMFIRE simulations demonstrate a systemic reduction in particle fluxes across the radial range, showing a ratio of fluxes at the edge and at . Local GENE simulations agree qualitatively with the result. Besides the fluctuation level, smaller scales and a favorable shift in the cross-phase between the turbulent fluctuations are found to contribute to the isotope effect in the simulations.
同位体効果により、より重い水素同位体を燃料として使用すると核融合装置の性能が向上するが、その改善理由はまだ解明されていない。我々は、FT-2トカマクにおける粒子閉じ込めに対する同位体効果の直接的な証拠を初めて提示し、ジャイロ運動論シミュレーションを用いてこれを調査した。同等の水素および重水素放電に対する実験的測定により、より重い同位体種では粒子閉じ込め時間が40%増加することが示された。粒子フラックスに対する同位体効果は、大域的および局所的ジャイロ運動論シミュレーションの両方で再現された。大域的ELMFIREシミュレーションは、動径範囲全体にわたる粒子フラックスの系統的な減少を示し、端部でのフラックス比は であり、中心部では であった。局所的GENEシミュレーションは、この結果と定性的に一致した。シミュレーションにおいて、乱流揺動レベルの低下に加えて、より小さなスケールと乱流揺動間のクロスフェーズの好ましいシフトが、同位体効果に寄与することが見出された。