The understanding and predictive capability of transport physics and plasma confinement is reviewed from the perspective of achieving reactor-scale burning plasmas in the ITER tokamak, for both core and edge plasma regions. Very considerable progress has been made in understanding, controlling and predicting tokamak transport across a wide variety of plasma conditions and regimes since the publication of the ITER Physics Basis (IPB) document (1999 Nucl. Fusion 39 2137–2664). Major areas of progress considered here follow. (1) Substantial improvement in the physics content, capability and reliability of transport simulation and modelling codes, leading to much increased theory/experiment interaction as these codes are increasingly used to interpret and predict experiment. (2) Remarkable progress has been made in developing and understanding regimes of improved core confinement. Internal transport barriers and other forms of reduced core transport are now routinely obtained in all the leading tokamak devices worldwide. (3) The importance of controlling the H-mode edge pedestal is now generally recognized. Substantial progress has been made in extending high confinement H-mode operation to the Greenwald density, the demonstration of Type I ELM mitigation and control techniques and systematic explanation of Type I ELM stability. Theory-based predictive capability has also shown progress by integrating the plasma and neutral transport with MHD stability. (4) Transport projections to ITER are now made using three complementary approaches: empirical or global scaling, theory-based transport modelling and dimensionless parameter scaling (previously, empirical scaling was the dominant approach). For the ITER base case or the reference scenario of conventional ELMy H-mode operation, all three techniques predict that ITER will have sufficient confinement to meet its design target of Q = 10 operation, within similar uncertainties.

A multi-species fluid model is described for the steady state parallel and radial force balance equations in axisymmetric tokamak plasmas. The bootstrap current, electrical resistivity, and particle and heat fluxes are evaluated in terms of the rotation velocities and friction and viscosity coefficients. A recent formulation of the neoclassical plasma viscosity for arbitrary shape and aspect ratio (including the unity aspect ratio limit), arbitrary collisionality, and orbit squeezing from strong radial electric fields is used to illustrate features of the model. The bootstrap current for the very low aspect ratio National Spherical Torus Experiment [J. Spitzer et al., Fusion Technol. 30, 1337 (1996)] is compared with other models; the largest differences occur near the plasma edge from treatment of the collisional contributions. The effects of orbit squeezing on bootstrap current, thermal and particle transport, and poloidal rotation are illustrated for an enhanced reverse shear plasma in the Tokamak Fusion Test Reactor [D. Meade and the TFTR Group, Plasma Physics and Controlled Nuclear Fusion Research, 1990 (International Atomic Energy Agency, Vienna, 1991), Vol. I, p. 9]. Multiple charge states of impurities are incorporated using the reduced ion charge state formalism for computational efficiency. Because the force balance equations allow for inclusion of external momentum and heat sources and sinks they can be used for general plasma rotation studies while retaining the multi-species neoclassical effects.

CRONOS is a suite of numerical codes for the predictive/interpretative simulation of a full tokamak discharge. It integrates, in a modular structure, a 1D transport solver with general 2D magnetic equilibria, several heat, particle and impurities transport models, as well as heat, particle and momentum sources. This paper gives a first comprehensive description of the CRONOS suite: overall structure of the code, main available models, details on the simulation workflow and numerical implementation. Some examples of applications to the analysis of experimental discharges and the predictions of ITER scenarios are also given.