This chapter reviews the progress accomplished since the redaction of the first ITER Physics Basis (1999 Nucl. Fusion 39 2137–664) in the field of energetic ion physics and its possible impact on burning plasma regimes. New schemes to create energetic ions simulating the fusion-produced alphas are introduced, accessing experimental conditions of direct relevance for burning plasmas, in terms of the Alfvénic Mach number and of the normalised pressure gradient of the energetic ions, though orbit characteristics and size cannot always match those of ITER. Based on the experimental and theoretical knowledge of the effects of the toroidal magnetic field ripple on direct fast ion losses, ferritic inserts in ITER are expected to provide a significant reduction of ripple alpha losses in reversed shear configurations. The nonlinear fast ion interaction with kink and tearing modes is qualitatively understood, but quantitative predictions are missing, particularly for the stabilisation of sawteeth by fast particles that can trigger neoclassical tearing modes. A large database on the linear stability properties of the modes interacting with energetic ions, such as the Alfvén eigenmode has been constructed. Comparisons between theoretical predictions and experimental measurements of mode structures and drive/damping rates approach a satisfactory degree of consistency, though systematic measurements and theory comparisons of damping and drive of intermediate and high mode numbers, the most relevant for ITER, still need to be performed. The nonlinear behaviour of Alfvén eigenmodes close to marginal stability is well characterized theoretically and experimentally, which gives the opportunity to extract some information on the particle phase space distribution from the measured instability spectral features. Much less data exists for strongly unstable scenarios, characterised by nonlinear dynamical processes leading to energetic ion redistribution and losses, and identified in nonlinear numerical simulations of Alfvén eigenmodes and energetic particle modes. Comparisons with theoretical and numerical analyses are needed to assess the potential implications of these regimes on burning plasma scenarios, including in the presence of a large number of modes simultaneously driven unstable by the fast ions.

Abstract The fusion reaction between deuterium and tritium, D ( T,n ) 4 He is the main source of energy in future thermonuclear reactors. Alpha-particles ( 4 He -ions) born with an average energy of 3.5 MeV transferring energy to the thermal plasma during their slowing down, should provide the self-sustained D–T plasma burn. The adequate confinement of α -particles is essential to provide efficient heating of the bulk plasma and steady burning of a reactor plasma. That is why the fusion-born α -particle studies have been a priority task in the second D–T experiments (DTE2) on the Joint European Torus (JET) to understand the main mechanisms of their slowing down, redistribution and losses and to develop optimal plasma scenarios. JET with Be -wall and W -divertor, enhanced auxiliary heating systems and improved energetic-particle diagnostic capabilities, producing significant population of α -particles, provided the possibility for comprehensive studying of the α -particle behaviour. Selected results of the confined and lost α -particle measurements, evidence of α -particle self-heating and assessments of the fusion performance are presented in this paper giving an opportunity for further modelling and extrapolation to the International Thermonuclear Experimental Reactor and burning plasma reactors.

Abstract Burning reactor plasmas will be self-heated by fusion born alpha particles from deuterium-tritium reactions. Consequently, a thorough understanding of the confinement and transport of DT-born alpha particles is necessary to maintain the plasma self-heating. Measurements of fast ion losses provide a direct means to monitor alpha particle confinement. JET’s 2021–2022 second experimental DT-campaign offers burning plasma scenarios with advanced fast ion loss diagnostics for the first time in nearly 25 years. Coherent and non-coherent alpha losses were observed due to a variety of low frequency MHD activity. This manuscript will present the loss mechanisms, spatial and pitch dependencies, scalings with plasma parameters, correlations with wall impurities, and magnitude of DT-alpha born losses.

The aim of the present study is to analyze the effect of the neutral beam current drive (NBCD), thermal plasma density, and NBI operational regime on the stability of pressure gradient-driven modes (PGDM) and Alfvén eigenmodes (AE) in LHD inward-shifted configurations. The stabilization of n/m=1/2 PGDM (n toroidal mode and m poloidal mode) is observed in the discharge 167 800 during the co-NBCD phase. The iota profile evolution measured by motional stark effect diagnostic may indicate the iota profile up-shift caused by the co-NBCD can induce a non-resonant transition of the rational surface 1/2 before the mode stabilization. The evolution of the iota profile and continuum gaps in the discharge 167 805 during the ctr-NBCD phase leads to the stabilization of the AE, caused by the narrowing of the continuum gap as the iota profile down-shift. Opposite stability trends are identified for PGDM and AE stability with respect to the thermal plasma density. A larger thermal plasma density (larger thermal β) further enhances PGDM although the continuum gaps are narrower leading to configurations with stable AEs. The linear stability of AEs is analyzed using the gyro-fluid FAR3d code to reproduce the AE stability trends observed in the experiments with respect to the NBCD and thermal plasma density. The analysis of hypothetical scenarios dedicated to study different NBI operational regimes with respect to EP energy, and β and radial density profiles indicate off-axis NBI operation shows a higher EP β threshold to destabilize AEs compared to on-axis configuration. This is explained by the presence of a TAE gap in the inner plasma region, easily destabilized by an on-axis NBI injection. The control of the NBCD and thermal plasma in the discharge 167 800 shows a transitory stabilization of PGDM and AEs, as well as an improved discharge performance identified by an increment of the neutron fluxes.

Abstract The first observations and classification of deuterium beam-driven sub-cyclotron frequency range Alfvén eigenmodes (AEs) are presented for the MAST-Upgrade tokamak. Sets of observed eigenmodes are separated in frequency by approximately 200 kHz. We observe a lower frequency separation of ~10 kHz within each set, and the toroidal mode number n increases with frequency sequentially. The ~200 kHz step between the sets coincides with the interval between successive curves of the Shear Alfvén continuum according to linear ideal MHD modeling. The sub-cyclotron frequency AEs can be identified as the global Alfvén Eigenmodes (GAE) localized at the continuum extrema regions. Each set contains the same range of n. These observations are consistent with our GAE modeling. In low plasma current (Ip) discharges, we observe only GAEs propagating counter to the plasma current and the beam direction. These GAEs are located near the magnetic axis. We observe counter and co-propagating GAEs simultaneously in higher Ip discharges. The co-propagating GAEs occur because of the formation of second continuum minima. Very flat safety factor profiles in higher Ip MAST-U discharges give rise to these minima. They are located at around half of the plasma radius. The GAEs have properties that are very different to those of compressional (CAE) Alfvén Eigenmodes previously reported for the MAST tokamak with low magnetic fields [S. E. Sharapov et al 2014 Physics of Plasmas 21 082501] before the upgrade.

Abstract The generation of shear flows (SFs) by Alfven Eigenmodes (AEs) and energetic particle modes (EPMs) have important effects on the operation of future nuclear fusion reactors, because SFs regulate the saturation of the AEs/EPMs, the transport of EPs and thermal plasma, as well as the formation of transport barriers among other consequences. The aim of this study is the analysis of SFs generation during the saturation phase of AEs and EPMs in LHD plasma. Experiments performed in the 23rd and 24th LHD experimental campaigns are dedicated to explore the destabilization of AEs/EPMs in discharges with different heating patterns, thermal plasma and magnetic field configurations. In particular, the shots 176490 and 179697 show the destabilization of MHD bursts and energetic-ion-driven resistive interchange modes (EIC), respectively. Charge exchange spectroscopy measurements in both discharges indicate that the generation of SFs by AE/EPM is uncorrelated with the perturbation induced by the neutral beam injector (NBI). Nonlinear simulations performed using the gyro-fluid code FAR3d show the generation of zonal structures, especially SFs, induced during the saturation phase of Toroidal Alfven Eigenmodes (TAEs) triggered in the MHD burst as well as by the 1 / 1 EIC in the bursting phase. The simulations indicate that SFs are caused by the radial electric fields powered by energy transfers from the unstable AE/EPM towards the thermal plasma. The strongest SFs are measured during the EIC bursting phase once the 1 / 1 EPM overlaps with nearby resonances at the plasma periphery. Likewise, the largest SFs during the MHD burst are observed once TAEs radially overlap in the inner-middle plasma region.

Abstract High amplitude energetic particle geodesic acoustic mode (EGAM) oscillations driven by Neutral Beam (NBI) injected in the direction counter to the toroidal plasma current are observed in the TCV tokamak. The modes appear at frequencies close to the geodesic acoustic mode (GAM) frequency, corresponding to the mode radii calculated without plasma elongation corrections. The spatial structure of the EGAM density oscillation is analyzed using multichannel Soft X-Ray (SXR) and broadband light emission diagnostics. The analysis of spatiotemporal emission data shows a non-rotating structure of the density oscillations. The non-rotating mode discrimination is the additional new capability of the multichannel spatiotemporal SXR data analysis technique in TCV. We present the discrimination method of assessing the standing character of the EGAM wave. The structure of EGAM density oscillations in TCV is consistent with the theoretical GAM poloidal structure, namely a m=1 standing wave with density oscillations amplitude proportional to sin(θ), where the poloidal angle θ is measured from the equatorial plane. The poloidal structure of magnetic the field oscillations is analyzed using a poloidal array of magnetic coils. The structure of the EGAM-induced magnetic field oscillations in TCV is a m=2 standing wave. Time evolution of EGAMs suggests that a nonlinear EGAM chirping is observed. The chirping depends on the EGAM radial location, which varies as the NBI deposition is varied through a vertical shift of the plasma magnetic axis. The chirping disappears at the plasma periphery. A fast periodic radial shift of the EGAMs radial location is also observed to occur during the single chirp.