Abstract The optimized superconducting stellarator device Wendelstein 7-X (with major radius , minor radius , and plasma volume) restarted operation after the assembly of a graphite heat shield and 10 inertially cooled island divertor modules. This paper reports on the results from the first high-performance plasma operation. Glow discharge conditioning and ECRH conditioning discharges in helium turned out to be important for density and edge radiation control. Plasma densities of with central electron temperatures were routinely achieved with hydrogen gas fueling, frequently terminated by a radiative collapse. In a first stage, plasma densities up to were reached with hydrogen pellet injection and helium gas fueling. Here, the ions are indirectly heated, and at a central density of a temperature of with was transiently accomplished, which corresponds to with a peak diamagnetic energy of and volume-averaged normalized plasma pressure . The routine access to high plasma densities was opened with boronization of the first wall. After boronization, the oxygen impurity content was reduced by a factor of 10, the carbon impurity content by a factor of 5. The reduced (edge) plasma radiation level gives routinely access to higher densities without radiation collapse, e.g. well above line integrated density and central temperatures at moderate ECRH power. Both X2 and O2 mode ECRH schemes were successfully applied. Core turbulence was measured with a phase contrast imaging diagnostic and suppression of turbulence during pellet injection was observed.

Abstract The most efficient and promising operational regime for the International Thermonuclear Experimental Reactor tokamak is the high-confinement mode. In this regime, however, periodic relaxations of the plasma edge can occur. These edge-localized modes pose a threat to the integrity of the fusion device. Here we reveal the strong impact of energetic ions on the spatio-temporal structure of edge-localized modes in tokamaks using nonlinear hybrid kinetic–magnetohydrodynamic simulations. A resonant interaction between the fast ions at the plasma edge and the electromagnetic perturbations from the edge-localized mode leads to an energy and momentum exchange. Energetic ions modify, for example, the amplitude, frequency spectrum and crash timing of edge-localized modes. The simulations reproduce some observations that feature abrupt and large edge-localized mode crashes. The results indicate that, in the International Thermonuclear Experimental Reactor, a strong interaction between the fusion-born alpha particles and ions from neutral beam injection, a main heating and fast particle source, is expected with predicted edge-localized mode perturbations. This work advances the understanding of the physics underlying edge-localized mode crashes in the presence of energetic particles and highlights the importance of including energetic ion kinetic effects in the optimization of edge-localized mode control techniques and regimes that are free of such modes.

Abstract After a long device enhancement phase, scientific operation resumed in 2022. The main new device components are the water cooling of all plasma facing components and the new water-cooled high heat flux divertor units. Water cooling allowed for the first long-pulse operation campaign. A maximum discharge length of 8 min was achieved with a total heating energy of 1.3 GJ. Safe divertor operation was demonstrated in attached and detached mode. Stable detachment is readily achieved in some magnetic configurations but requires impurity seeding in configurations with small magnetic pitch angle within the edge islands. Progress was made in the characterization of transport mechanisms across edge magnetic islands: Measurement of the potential distribution and flow pattern reveals that the islands are associated with a strong poloidal drift, which leads to rapid convection of energy and particles from the last closed flux surface into the scrape-off layer. Using the upgraded plasma heating systems, advanced heating scenarios were developed, which provide improved energy confinement comparable to the scenario, in which the record triple product for stellarators was achieved in the previous operation campaign. However, a magnetic configuration-dependent critical heating power limit of the electron cyclotron resonance heating was observed. Exceeding the respective power limit leads to a degradation of the confinement.

The Alfvén instability nonlinearly excited the energetic-particle-driven geodesic acoustic mode on the ASDEX-Upgrade tokamak, as demonstrated experimentally. The mechanism of the energetic-particle-driven geodesic acoustic mode excitation and the mode nonlinear evolution is not yet fully understood. In the present work, a first-principles simulation using the MEGA code investigated the mode properties in both the linear growth and nonlinear saturated phases. Here we show that the simulation successfully reproduced the excitation and coexistence of these two modes, and agreed with the experimental results well. Conclusive evidence showed that the resonance overlap is the excitation mechanism of the energetic-particle-driven geodesic acoustic mode. In the linear growth phase, energetic particles that satisfied different resonance conditions excited the Alfvén instability, which then caused energetic particle redistribution in phase space. These redistributed energetic particles caused resonance overlap, exciting the energetic-particle-driven geodesic acoustic mode in the nonlinear phase.

Abstract The paper reports for the first time the heat and particle exhaust at the plasma boundary through various edge diagnostics for the high-performance plasma obtained after pellet injection on Wendelstein 7-X. The plasma density at the edge is found to be reduced by a factor of 2 in the high-performance phase, supporting the previously reported density peaking at the plasma centre. The plasma beta effect on the magnetic topology is reflected by the appearance of the second strike line, which is well understood with simulation. However, during the rapid decay phase of the enhanced confinement, a transient localized heat flow of up to 16 MW m −2 is observed at the leading edge of a poorly cooled divertor component, which has not been understood but raises concerns about machine safety.

Abstract A support laboratory has been set up to study pellet production, launch and shattering of cryogenic protium, deuterium, and neon pellets for the ITER disruption mitigation system, which plans to use 28.5 × 57 mm (diameter × length) protium, neon an mixture pellets in the Shattered Pellet Injectors. Such large protium pellets have not been produced and launched before, therefore the desublimation and launch process have been studied in detail in two steps. First 19 mm diameter pellets were produced, followed by the demonstration of the final pellet size. Pellet desublimation recipes were established for all pellet types, and it was found that, under certain conditions, even the large neon pellets can be launched with a propellant gas pulse, without requiring a mechanical punch device. This is attributed to cryogenic snow formation on the surface of the pellet. Conditions for the snow formation are studied and tendencies are understood using simple calculations.

Measurements of ion temperature profiles are required to assess the energy and particle transport processes in the Wendelstein 7-X stellarator. This device is equipped with a diagnostic alkali beam, which can be utilized to determine local impurity temperatures and densities by Charge Exchange Recombination Spectroscopy (CXRS). It could provide such profiles in the edge plasma, where other diagnostics are less efficient. With this contribution, first results of CXRS measurements on the sodium beam from the scientific operation phase OP2.1 are presented. The spectroscopic system was in commissioning phase lacking some of the final optical components. Thus, the aim of the diagnostics during this campaign was to explore the measurement capabilities. Based on the processed spectra, the prospects of C5+ and C6+ ion temperature and concentration measurements are discussed. The results indicate that with the final optical setup under installation, the diagnostics could provide ion temperature profiles in the edge with 3 mm radial resolution and at least 1 s temporal resolution.