ドリフト波乱流

ドリフト波乱流とは、磁場閉じ込めプラズマにおいて密度や温度の空間的不均一性を駆動力として励起されるドリフト波が、多数重ね合わされて非線形に相互作用する状態を指す。ドリフト波はプラズマの逆磁気方向に伝わる低周波の波であり、これが乱流化すると粒子や熱を磁場を横切って運ぶ異常輸送を引き起こす。核融合プラズマの閉じ込め性能を律速する主要因の一つと考えられており、トカマクやスタセレータの中心閉じ込め、ペデスタル、密度限界近傍の挙動まで、その理解は磁場閉じ込め研究の中心課題に位置づけられている。

ドリフト波とその自由エネルギー

ドリフト波の源は、密度勾配という自由エネルギーである。磁場に垂直な方向に密度がなだらかに減少するプラズマでは、電子とイオンが磁力線に沿って動きやすさを異にするため、粒子のラーモア運動や平行電子応答と組み合わさって、プラズマ全体が逆磁気方向に漂うような動きが生じる。これがドリフト波であり、その周波数はイオンのラーモア周波数よりずっと低く、波数スケールはイオンのラーモア半径あるいは音速で規格化したイオン音波半径 ρs 程度のオーダーにある。勾配が十分に急で、電子の平行応答が抵抗などによって完全でない場合、波はプラズマからエネルギーを汲み上げて成長する。これがドリフト波不安定であり、抵抗性ドリフト波不安定や、イオン温度勾配(ITG)不安定などがその代表例である。

乱流としてのドリフト波を理解する鍵は、この系が本質的に二次元的な非線形ダイナミクスを持つことにある。強い磁場に沿った運動は速く緩和されるため、磁場に垂直な断面内の電場 E×B ドリフトが主要な非線形過程を担う。E×B ドリフトは電場に垂直な方向へプラズマを運ぶため、ポテンシャルの空間構造がそのまま流体渦のように変形・輸送され、渦度方程式に従う二次元乱流に近い振る舞いを示す。ただしドリフト波系では、密度勾配に由来する波の伝播と、平行電子応答の緩和(断熱性)が非線形渦運動に重なるため、純粋な二次元乱流とは異なる固有の構造形成が起こる。

実際の乱流状態を時間発展で見ると、初期にほぼ一様な揺らぎから、渦の合体と引き伸ばしを経て、系のスケールに匹敵する大きな構造が形成されていく様子が数値計算で追える。次の図は、ポテンシャル・密度・渦度のスナップショットを時間順に並べたものであり、乱流が小スケールの揺らぎから渦構造へと自己組織化していく過程を示している。