温度勾配乱流

温度勾配乱流とは、磁場閉じ込めプラズマ中で温度勾配に起因して発生するドリフト波不安定と、それが非線形に発達した乱流状態を指す。核融合プラズマでは、イオン温度勾配(ITG)モードと電子温度勾配(ETG)モードが代表的であり、これらはプラズマの熱輸送を決定づける主要な機構である。磁気閉じ込め核融合炉の設計では、温度勾配乱流による異常輸送がプラズマの閉じ込め性能を直接左右するため、その線形安定性から非線形飽和、輸送への影響までが精力的に研究されてきた。

温度勾配乱流の駆動機構

温度勾配乱流の本質は、プラズマ中の密度・温度揺動と電場との相互作用にある。磁場に垂直な方向に温度勾配が存在すると、粒子のラーモア運動に伴うドリフト運動が共鳴的に増幅され、揺動が成長する。この過程は、勾配によって蓄えられた自由エネルギーが乱流揺動に変換される現象と理解できる。

トカマクやヘリカル系などの磁気閉じ込め装置では、プラズマ圧力の勾配が自然にドリフト波を駆動する。特にイオン温度勾配が臨界値を超えると、ITGモードが不安定化し、密度・温度・電場に乱流揺動が生じる。この揺動は熱や粒子の輸送を促進し、閉じ込めを劣化させる主要因となる。図は、トカマクプラズマ断面における電位揺動の様子を示したもので、線形段階では特定のモード構造が見えるが、非線形段階では乱れた構造へと発達する様子が分かる。