ドリフト波 - fusionpapers

ドリフト波

#用語解説

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ドリフト波（Drift Wave）についての詳細解説

ドリフト波は、プラズマ中の圧力勾配や電場、磁場が作り出す乱流や波動の一種です。トカマク型核融合装置や磁場閉じ込め装置において重要な現象であり、プラズマのエネルギー損失に大きく関与します。

以下では、ドリフト波の基本的なメカニズム、理論的背景、そして実験的特徴について詳しく説明します。

1. ドリフト波の基礎概念

#(1) ドリフト運動とは？

プラズマ中の荷電粒子は磁場中で次のような運動をします：

旋回運動（ジャイロ運動）：磁場に垂直方向に円運動。

平行移動：磁場に沿った自由な移動。

ドリフト運動：磁場に垂直な方向に、電場や圧力勾配、磁場不均一によって引き起こされる緩やかな移動。

このドリフト運動がプラズマ全体として波動構造を生むと、ドリフト波となります。

#(2) ドリフト波の発生条件

ドリフト波は以下の条件で発生します：

1. 圧力勾配が存在する：プラズマ密度や温度が空間的に不均一である。

2. 磁場が存在する：荷電粒子が磁場によって閉じ込められている。

3. プラズマが電中性を保とうとする：電子とイオンの運動の不一致（ドリフト）によって電場が生じる。

2. ドリフト波の物理的メカニズム

#(1) プラズマの振る舞い

プラズマ中では、荷電粒子の運動により次の二つの効果が競合します：

電荷分離（Charge Separation）：密度勾配や圧力勾配により、電子とイオンが異なる速度で動く。

電中性の回復：プラズマは自己の電場（ポテンシャル場）を作り出し、この分離を抑制しようとする。

この電場の形成が波動的な振る舞いを引き起こします。

#(2) ドリフト波の位相速度

ドリフト波の位相速度は、背景の密度勾配に依存します。電子ドリフト速度に基づいて次の式で表されます：

$ v_{\text{ph}} = \frac{\omega}{k} \sim \frac{1}{k_y} \frac{1}{B} \frac{d n}{d x}

ここで、

$ \omega は波動の角振動数

$ k_y は波数

$ B は磁場の強さ

$ \frac{d n}{d x} は密度勾配。

この速度は電子の熱速度やイオン音速よりも小さく、波動は磁場に垂直な面内（主に密度勾配方向）で伝播します。

3. ドリフト波の不安定性

#(1) 不安定性の発生

ドリフト波は単なる波動として振る舞うだけでなく、不安定性として成長する場合があります。

主なドリフト波不安定性は次の2つに分類されます：

共鳴型（Resonant Drift Instability）：電子のドリフト速度が波の位相速度と一致することでエネルギー交換が効率的に行われる。

非共鳴型（Non-resonant Drift Instability）：圧力勾配やイオン温度勾配に起因する乱流的な成長。

#(2) 不安定性の条件

一般的に、以下の条件を満たすと不安定性が発生します：

プラズマ中の密度勾配が大きい。

イオン温度勾配（Ion Temperature Gradient, ITG）が臨界値を超える。

磁気シアが特定の値に調整されている。

4. ドリフト波と乱流輸送

ドリフト波は単独で存在するだけでなく、プラズマ乱流の主要な駆動源となります。

特にトカマク型装置では、以下のような影響が確認されています：

粒子輸送：プラズマ密度の勾配を緩和し、粒子が外部に流出する。

エネルギー輸送：プラズマの温度勾配を緩和し、エネルギーが逃げやすくなる。

乱流の生成：ドリフト波が非線形的に相互作用し、大規模な乱流構造を形成する。

乱流輸送は閉じ込め性能に大きな影響を及ぼすため、これを制御することが核融合炉の設計における重要課題です。

5. 実験的および理論的研究

実験的観測：

ドリフト波はプラズマの電子密度揺動や電位揺動として観測されます。

トカマクやリニア装置では、周波数スペクトルや空間構造が詳細に測定されています。

理論モデル：

線形理論：初期の波動成長を解析し、発生条件や位相速度を予測。

非線形理論：乱流状態への移行やエネルギーカスケードを解析。

シミュレーション：

数値シミュレーション（例えば、粒子シミュレーションや流体モデル）では、ドリフト波乱流の発展と輸送への影響が調査されています。

6. ドリフト波制御の可能性

ドリフト波による乱流輸送を抑制するためには、以下の方法が検討されています：

磁気シアの制御：負シア領域を形成して乱流を抑制。

外部電場の適用：プラズマ流れずれ（Sheared Flow）を作り出し、乱流の成長を抑える。

圧力勾配の最適化：臨界値以下の圧力勾配を維持する。

結論

ドリフト波は、磁場閉じ込めプラズマ中で輸送損失を引き起こす主要な波動・乱流の一種です。密度や温度の勾配によって駆動され、不安定性として成長し、エネルギーや粒子の損失に寄与します。その制御は核融合炉の効率を向上させる上で重要な課題であり、現在も理論的・実験的に活発な研究が行われています。