Abstract Electron-scale turbulence, whose wavelength is the electron Larmor radius, is thought to have the potential to cause stiffness in an electron temperature gradient and degrade the confinement of future burning plasma in which the electron heating by alpha particles is dominant. The dependence of electron-scale turbulence and electron heat flux on the electron temperature inverse gradient length R ax / L T e , were investigated. The electron temperature gradient was successfully varied in the range of − 3 < R ax / L T e < 12 by controlling the injection power of on/off-axis electron cyclotron heating. The results show a significant increase in the electron-scale turbulence with increasing R ax / L T e , especially in conditions where Electron Temperature Gradient (ETG) instability is linearly unstable, suggesting the presence of ETG turbulence at high R ax / L T e . The electron heat flux also increases steeply with increasing R ax / L T e . In addition, the electron-scale turbulence is observed even at R ax / L T e ∼ 0 , which is stable in linear GKV calculations. Finding the cause of this phenomenon is an interesting task for the future.

This paper presents an overview of recent hardware extensions and data analysis developments to the Wendelstein 7-X visible core spectroscopy systems. These include upgrades to prepare the in-vessel components for long-pulse operation, nine additional spectrometers, a new line of sight array for passive spectroscopy, and a coherence imaging charge exchange spectroscopy diagnostic. Progress in data analysis includes ion temperatures and densities from multiple impurity species, a statistical comparison with x-ray crystal spectrometer measurements, neutral density measurements from thermal passive Balmer-alpha emission, and a Bayesian analysis of active hydrogen emission, which is able to infer electron density and main ion temperature profiles.

In this study, we discovered a turbulence transition in a large helical device. The turbulence level and turbulence-driven energy transport decrease to a specific transition density and increase above it. The ruling turbulences below and above the transition density were ion-temperature gradient (ITG) and resistive-interchange (RI) turbulences, consistent with the predictions of gyrokinetic theory and two-fluid MHD model, respectively. Isotope experiments on hydrogen (H) and deuterium (D) clarified the role of transitions. In the ITG regime, turbulence levels and energy transport were comparable in the H and D plasmas. In contrast, in the RI regime, they were clearly suppressed in the D plasma. The results provide crucial knowledge for understanding isotope effects and future optimization of stellarator and heliotron devices. Published by the American Physical Society 2024

Abstract Recently, experiments on basic plasma physics issues for solving future problems in fusion energy have been performed on a Large Helical Device. There are several problems to be solved in future devices for fusion energy. Emerging issues in burning plasma are: alpha-channeling (ion heating by alpha particles), turbulence and transport in electron dominant heating helium ash exhaust, reduction of the divertor heat load. To solve these problems, understanding the basic plasma physics of (1) wave–particle interaction through (inverse) Landau damping, (2) characteristics of electron-scale (high- k ) turbulence, (3) ion mixing and the isotope effect, and (4) turbulence spreading and detachment, is necessary. This overview discusses the experimental studies on these issues and turbulent transport in multi-ion plasma and other issues in the appendix.

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 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.

A preparatory study is underway to investigate the feasibility study of high-energetic, non-thermal electron distribution function measurements using a vertical-viewing electron cyclotron emission (ECE) diagnostic on JT-60SA. The system is designed to detect broad ECE spectra (70–260 GHz) due to the second, third, and fourth harmonics using a focusing optics system with four quasi-optical mirrors in the upper port of JT-60SA. A Gaussian beam optics design is performed in vacuum, and ray tracing calculations are performed in plasma using the TRAVIS code to investigate density characteristics. A ceramic viewing dump is also designed to reduce the effects of multiple reflections from the opposing vacuum vessel surface.

Abstract The experimental findings from the Large Helical Device have demonstrated a fast, nondiffusive behavior during the propagation of heat pulses, with an observed increase in speed with reduction in their temporal width. Concurrent propagation of the temperature gradient and turbulence, in a timeframe spanning from a few milliseconds to tens of milliseconds, aligned with the avalanche model. These results indicate that the more spatiotemporally localized the heat and turbulence pulses are, the greater the deviation of the plasma from its equilibrium state, coupled with faster propagation velocity. This insight is pivotal for future fusion reactors, which necessitate the maintenance of a steady-state, non-equilibrium condition.