Abstract As the newly built tokamak in China, HL-3 will explore high-performance operation scenarios, such as super H-mode. The energy confinement and core parameters in the super H-mode can be much larger than that in the normal H-mode. Based on the pedestal simulation code EPED, the operation space of the super H-mode is obtained in HL-3. Magnetic shear decreases with increasing triangularity; consequently, a super H-mode can be achieved. The threshold of triangularity for accessing a super H-mode in HL-3 is around 0.4. By using BOUT++, a nonlinear simulation study of the pedestal instabilities in the super H-mode equilibrium is executed for the first time. As expected, the low n peeling mode, which can cause much of the energy loss (17%) from the pedestal region, is dominant in the super H-mode. Such a large collapse in the pedestal region would lead to a transition from super H-mode to H-mode. It is crucial to expand the parameter space of the super H-mode or mitigate the edge-localized mode (ELM) size for sustaining the super H-mode operations. The E × B velocity shear is found to play an important role in controlling the ELMs in HL-3. The small E × B velocity shear leads to a large growth rate but results in a small ELM size around the peeling boundary. The ELM size is closely related to both the growth rate of peeling-ballooning mode and the duration time of the linear phase. In contrast, a large E × B velocity shear can stabilize the instabilities near the ballooning boundary. Next, the parameter space of the super H-mode can be enlarged.

Abstract As a promising scenario for fusion reactors, the high poloidal-beta (β p ) scenario is characterized by a strong large radius internal transport barrier (ITB), which significantly enhances the overall confinement quality and the bootstrap current fraction for fully non-inductive operation. It is frequently observed that in the presence of a strong ITB, the pedestal height is lower and is accompanied by small edge localized modes (ELMs), which further improves the compatibility of a high performance core with an edge solution. A mechanism for the formation of the low pedestal is proposed in this paper. It is found that the strong ITB creates an off-axis bootstrap current to clamp the local safety factor q, and thus the magnetic shear in the outer core/pedestal region is increased. Gyrokinetic simulations with CGYRO code show that the higher magnetic shear brings the experimental profiles into the range where the growth rate of drift-wave instabilities and thus transport is higher, and therefore a lower pedestal gradient is expected. The combination of low pedestal and high magnetic shear further enhances the turbulent transport across the whole pedestal, consistent with power balance analysis. Such a positive feedback mechanism ultimately results in a lower pressure pedestal as observed in experiments. Under such a low pedestal, linear simulations with BOUT++ predict the growth rates of peeling–ballooning modes to be lower across the whole toroidal mode number spectra, and the nonlinear BOUT++ simulation exhibits lower saturated fluctuation intensity as well, consistent with the experimentally observed lower ELM size.

Abstract We report the first observation of microtearing mode (MTM) and its interaction with energetic-particle-induced geodesic acoustic mode (EGAM) in the reduction of ambient turbulence, leading to improvements in energy and particle confinements in electron cyclotron resonance heating (ECRH) plasma on HL-3 tokamak. MTM, observed in the magnetic fluctuation spectrum with a frequency range of 80-120 kHz, is found to be driven by the electron temperature gradient. It has been shown that MTM propagates in the electron diamagnetic drift direction with a poloidal normalized wavenumber 0.05 ≤k 0 ρ s ≤ 0.17. The n = 0, m = −2 magnetic structure of EGAM with a frequency range of 14-20 kHz is observed in the magnetic fluctuation spectrum, where n and m are the toroidal and poloidal mode numbers, respectively. The V E x B oscillation of EGAM has also been observed in the Doppler reflectometry phase derivative perturbation spectrum. The frequency of EGAM corresponds to half that of the conventional GAM. Bispectral analysis during ECRH shows pairwise interactions among EGAM, MTM and ambient turbulence (low frequency). It has been found that the reduction of ambient turbulence due to MTM and EGAM leads to the improvement of particle and energy confinements. Experimental results on HL-3 show the interaction between MTM and EGAM provides a possible way to the turbulence control for energy and particle confinement improvements in future reactors.

Abstract A systematic study of the edge localized mode (ELM) characteristics in HL-3 is performed based on a set of scenarios constructed by Kinetic EFIT workflow. The edge localized instabilities in tokamaks equilibria (ELITE) code (an eigenvalue solver) is used to calculate the peeling-ballooning (P-B) instability diagram. It is shown that the reference equilibrium of HL-3 is marginally stable near the peeling boundary. Non-ideal and non-linear simulations are then carried out by 3-field model implemented in BOUT++ code. For ideal case, the linear results from BOUT++ modelling agree well with that calculated by ELITE code. Based on BOUT++ modelling , it is found that diamagnetic drift can significantly stabilize the ELMs. But the effect of the resistivity on ELMs is more complicated, which depends on the transition of the mode structure. Furthermore, non-linear simulations show that the resistivity might trigger the ELMs before the ideal P-B boundary is reached.