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A. Bottino
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Effect of energetic ions on edge-localized modes in tokamak plasmas

J. Domínguez-Palacios et al.Jan 6, 2025
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.
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Modulational instability of geodesic-acoustic-mode packets

David Korger et al.Jan 10, 2025
Isolated, undamped geodesic-acoustic-mode (GAM) packets have been demonstrated to obey a (focusing) nonlinear Schrödinger equation (NLSE) (E. Poli, Phys. Plasmas , 2021). This equation predicts susceptibility of GAM packets to the modulational instability (MI). The necessary conditions for this instability are analysed analytically and numerically using the NLSE model. The predictions of the NLSE are compared with gyrokinetic simulations performed with the global particle-in-cell code ORB5, where GAM packets are created from initial perturbations of the axisymmetric radial electric field $E_r$ . An instability of the GAM packets with respect to modulations is observed both in cases in which an initial perturbation is imposed and when the instability develops spontaneously. However, significant differences in the dynamics of the small scales are discerned between the NLSE and gyrokinetic simulations. These discrepancies are mainly due to the radial dependence of the strength of the nonlinear term, which we do not retain in the solution of the NLSE, and to the damping of higher radial spectral components $k_r$ . The damping of the high- $k_r$ components, which develop as a consequence of the nonlinearity, can be understood in terms of Landau damping. The influence of the ion Larmor radius $\rho _i$ as well as the perturbation wavevector $k_\text {pert}$ on this effect is studied. For the parameters considered here the aforementioned damping mechanism hinders the MI process significantly from developing to its full extent and is strong enough to stabilize some of the (according to the undamped NLSE model) unstable wavevectors.
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Linear and nonlinear dynamics of self-consistent collisionless tearing modes in toroidal gyrokinetic simulations

Fabien Widmer et al.Nov 1, 2024
We investigate tearing modes (TM) driven by current density gradient in collisionless tokamak plasmas by using the electromagnetic gyrokinetic simulation code ORB5. We elucidate the TM width by simulations for flat profiles, as the absence of background diamagnetic flows implies a small rotation speed, while finite gradients are included to investigate the TM rotation. For flat profiles, the initial saturation width of nonlinearly driven magnetic islands is related to the TM linear growth rate; however, large islands in the initial saturation phase are prone to current density redistribution that reduces the island width in the following evolution. Island-induced E×B and diamagnetic sheared flows develop at the separatrix, able to destabilize the Kelvin–Helmholtz instability (KHI). The KHI turbulence enhances a strong quadrupole vortex flow that reinforces the island decay, resulting in a strong reduction of the island width in an eventual steady state. This process is enhanced by trapped electrons. For finite gradients profile, the TM usually rotates in the electron diamagnetic direction but can change direction when the ion temperature gradient dominates the other gradients. The reduced growth of the TM by diamagnetic effects results in a moderate island size, which remains almost unchanged after the initial saturation. At steady state, strong zonal flows are nonlinearly excited and dominate the island rotation, as expected from previous theoretical and numerical studies. When Î² is increased, the TM mode is suppressed and a mode with the same helicity but with twisting parity, coupled with the neighboring poloidal harmonics, is destabilized, similar to the kinetic ballooning mode.