The isotope effect on impurities and bulk ion particle transport is investigated by using the deuterium, hydrogen, and isotope mixture plasma in the Large Helical Device (LHD). A clear isotope effect is observed in the impurity transport but not the bulk ion transport. The isotope effects on impurity transport and ion heat transport are observed as a primary and a secondary effect, respectively, in the plasma with an internal transport barrier (ITB). In the LHD, an ion ITB is always transient because the impurity hole triggered by the increase of ion temperature gradient causes the enhancement of ion heat transport and gradually terminates the ion ITB. The formation of an impurity hole becomes slower in the deuterium (D) plasma than the hydrogen (H) plasma. This primary isotope effect on impurity transport contributes the longer sustainment of the ion ITB state because the low ion thermal diffusivity can be sustained as long as the normalized carbon impurity gradient R/Ln,c, where , is above the critical value (∼−5). Therefore, the longer sustainment of the ITB state in the deuterium plasma is considered to be a secondary isotope effect due to the mitigation of the impurity hole. The radial profile of H and D ion density is measured using bulk charge exchange spectroscopy inside the isotope mixture plasma. The decay time of H ion density after the H-pellet injection and the decay time of D ion density after D-pellet injection are almost identical, which demonstrates that there is no significant isotope effect on ion particle transport.
重水素、水素、および同位体混合プラズマを大型ヘリカル装置(LHD)で用いることにより、不純物およびバルクイオン粒子輸送に対する同位体効果を調査した。不純物輸送には明確な同位体効果が観測されるが、バルクイオン輸送には観測されない。内部輸送障壁(ITB)を有するプラズマでは、不純物輸送およびイオン熱輸送に対する同位体効果が、それぞれ一次効果および二次効果として観測される。LHDでは、イオンITBは常に過渡的である。なぜなら、イオン温度勾配の増大によって引き起こされる不純物ホールがイオン熱輸送の増大を引き起こし、イオンITBを徐々に終焉させるからである。不純物ホールの形成は、水素(H)プラズマよりも重水素(D)プラズマにおいて遅くなる。不純物輸送に対するこの一次同位体効果は、イオンITB状態のより長い維持に寄与する。なぜなら、規格化炭素不純物勾配R/Ln,c(ここで)が臨界値(∼−5)を上回っている限り、低いイオン熱拡散率を維持できるからである。したがって、重水素プラズマにおけるITB状態のより長い維持は、不純物ホールの緩和による二次同位体効果であると考えられる。同位体混合プラズマ内部のHおよびDイオン密度の動径分布を、バルク電荷交換分光法を用いて測定した。Hペレット入射後のHイオン密度の減衰時間とDペレット入射後のDイオン密度の減衰時間はほぼ同一であり、これはイオン粒子輸送に有意な同位体効果がないことを示している。