Abstract A spontaneous reduction in anomalous particle transport in the plasma core is seen experimentally in reproducible, purely neutral beam heated plasma phases at Wendelstein 7-X (W7-X). Heating and fueling the plasma exclusively with the neutral beam injection system for several seconds leads to continuously peaking plasma density profiles with strong gradients inside mid minor radius. A significant acceleration of the density peaking occurs after a certain onset time and is examined with a detailed particle transport analysis in several discharges. By invoking the particle continuity equation, the total experimental radial electron flux is deduced from the time evolution of the electron density profile and the radially resolved particle sources. Subtracting the modeled neoclassical particle flux contribution gives the anomalous particle flux. Exploiting the evolving plasma conditions, anomalous diffusion and convection coefficients are computed from the flux variation with density and density gradients. In several discharges a significant and consistent change of the anomalous transport coefficients is seen when crossing a specific normalized density gradient length.

Abstract The reduction of neoclassical energy transport in stellarators has traditionally focused on optimizing magnetic fields for small values of&#xD;`effective helical ripple' --- \epsilon_{eff}, the geometric factor associated with electron 1/\nu transport --- and relying on the radial electric field, E_r, needed to maintain ambipolarity in the plasma, to simultaneously diminish ion energy losses to a tolerable level. As one must generally expect E_r < 0, such a strategy has a drawback for reactor operation, however, as negative values of E_r tend to hinder the exhaust of helium ash, and this will become intolerable if it results in excessive fuel dilution. Theoretically, one can show that the neoclassical transport of low-Z impurities depends critically on the ratio L_{11}^e/L_{11}^i, where the L_{11}^\sigma are the neoclassical particle diffusion coefficients of the bulk-plasma electrons (\sigma=e) and ions (\sigma=i). Increasing the value of this ratio is shown here to counteract impurity retention, but maintaining good confinement of the bulk species requires this to be achieved by decreasing L_{11}^i rather than increasing $L_{11}^e$, implying the need for more than just minimization of \epsilon_{eff} in reactor design. To assess the prospects of such an endeavor, a predictive 1-D transport code is used here to determine the range of L_{11}^e/L_{11}^i values which arises in simulations of conventionally optimized reactor candidates. This range is found to be considerable, and includes examples with L_{11}^e/L_{11}^i values large enough to provide neoclassical temperature screening of the helium ash and even to flip the sign of the neoclassical convective velocity from inward- to outward-directed. More intriguingly, the strong reduction of L_{11}^i in such cases can also lead to the appearance of E_r > 0 (a so-called `electron root') within the core of plasmas having central densities as large as 2 x 10^{20}$~m$^{-3}. Having E_r > 0 in the plasma core produces the ideal situation in which all thermodynamic forces aid in the exhaust of helium ash, although this benefit is tempered by the small values of L_{11}^z which accompany an electron root (where \sigma=z denotes helium ash). Means are discussed for improving the results presented here, so that avoiding helium-ash retention can be explicitly targeted in future reactor optimizations.

The stellarator is a type of fusion energy device that—if properly designed—could provide clean, safe, and abundant energy to the grid. To generate this energy, a stellarator must keep a hot mixture of charged particles (known as a plasma) sufficiently confined by using a fully shaped magnetic field. If this is achieved, the heat from fusion reactions within the plasma can be harvested as energy. We present a novel method for designing reactor-relevant stellarator magnetic fields, which combine several key physical properties. These include plasma stability, excellent confinement of the fast-moving particles generated by fusion reactions, and reduction of the turbulence that is known to limit the performance of the most advanced stellarator experiment in the world, Wendelstein 7-X. Published by the American Physical Society 2024

Abstract In the Wendelstein 7-X (W7-X) stellarator, turbulence is the dominant transport mechanism in most discharges. This leads to a ‘clamping’ of ion temperature over a wide range of heating power, predominantly flat density profiles where hollow profiles driven by neoclassical thermo-diffusion would be expected and by rapid impurity transport in injection experiments. Significantly reduced turbulent transport is observed in the presence of strong core density gradients found transiently after core pellet injection and irregularly after boronisation or boron pellet injection. Density peaking is also achieved in a controlled manner in purely neutral beam heated discharges where particle transport analysis reveals an abrupt reduction in the main-ion particle flux leading to significant density profile peaking not explained by the NBI particle source alone. The plasmas exhibit a heat diffusivity of around χ = 0.25 ± 0.1   m 2     s − 1  at mid radius, a factor of around 4 lower than ECRH dominated discharges. Despite the improved confinement, the achieved ion temperature is limited by broader heat deposition and the lower power-per-particle given the higher density. This is overcome with limited reintroduction of ECRH power, where the low heat diffusivity diffusivity is maintained, the density rise supressed and ion temperatures above the clamping limit are achieved. The applicability of these plasmas for a high performance scenario on transport relevant time scales is assessed, including initial predictions for planned heating upgrades of W7-X, based on a range of assumptions about particle transport.