Isotope effects are one of the most important issues for predicting future reactor operations. Large helical device (LHD) is the presently working largest stellarator/helical device using super conducting helical coils. In LHD, deuterium experiments started in 2017. Extensive studies regarding isotope effects on transport have been carried out. In this paper, the results of isotope effect studies in LHD are reported. The systematic studies were performed adjusting operational parameters and nondimensional parameters. In L mode like normal confinement plasma, where internal and edge transport barriers are not formed, the scaling of global energy confinement time (τE) with operational parameters shows positive mass dependence (M0.27; where M is effective ion mass) in electron cyclotron heating plasma and no mass dependence (M0.0) in neutral beam injection heating plasma. The non-negative ion mass dependence is anti-gyro-Bohm scaling. The role of the turbulence in isotope effects was also found by turbulence measurements and gyrokinetic simulation. Better accessibility to electron and ion internal transport barrier (ITB) plasma is found in deuterium (D) plasma than in hydrogen (H). Gyro kinetic non-linear simulation shows reduced ion heat flux due to the larger generation of zonal flow in deuterium plasma. Peaked carbon density profile plays a prominent role in reducing ion energy transport in ITB plasma. This is evident only in plasma with deuterium ions. New findings on the mixing and non-mixing states of D and H particle transports are reported. In the mixing state, ion particle diffusivities are higher than electron particle diffusivities and D and H ion density profiles are almost identical. In the non-mixing state, ion particle diffusivity is much lower than electron diffusivity. Deuterium and hydrogen ion profiles are clearly different. Different turbulence structures were found in the mixing and non-mixing states suggesting different turbulence modes play a role.
同位体効果は、将来の炉心運転を予測する上で最も重要な課題の一つである。大型ヘリカル装置（LHD）は、超伝導ヘリカルコイルを用いた現在稼働中の最大のヘリカル型装置である。LHDでは、2017年に重水素実験が開始された。輸送における同位体効果に関する広範な研究が実施されてきた。本論文では、LHDにおける同位体効果研究の結果を報告する。運転パラメータと無次元パラメータを調整した系統的な研究が行われた。内部輸送障壁と周辺輸送障壁が形成されないLモード類似の閉じ込めプラズマでは、閉じ込めエネルギー閉じ込め時間（τE）の運転パラメータに対するスケーリングは、電子サイクロトロン加熱プラズマにおいて正の質量依存性（M0.27、ここでMは有効イオン質量）を示し、中性粒子ビーム入射加熱プラズマでは質量依存性を示さなかった（M0.0）。この非負の質量依存性は、反ジャイロボームスケーリングである。乱流測定とジャイロ運動論シミュレーションにより、同位体効果における乱流の役割も明らかにされた。電子およびイオンの内部輸送障壁（ITB）プラズマへの到達性は、水素（H）プラズマよりも重水素（D）プラズマにおいて優れていることが見出された。ジャイロ運動論的非線形シミュレーションは、重水素プラズマにおけるより大きな帯状流の生成によるイオン熱流束の低減を示した。炭素不純物密度分布のピーキングは、ITBプラズマにおけるイオンエネルギー輸送の低減に重要な役割を果たす。これは重水素イオンのみで明瞭に観測される。DとHの粒子輸送の混合状態と非混合状態に関する新たな知見が報告される。混合状態では、イオン粒子拡散係数は電子粒子拡散係数よりも高く、DとHのイオン密度分布はほぼ同一である。非混合状態では、イオン粒子拡散係数は電子拡散係数よりもはるかに低く、DとHのイオン密度分布は明確に異なる。混合状態と非混合状態では異なる乱流構造が見出され、異なる乱流モードが役割を果たしていることが示唆される。