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

Dominguez-Palacios, J.; Futatani, S.; Garcia-Munoz, M.; Jansen Van Vuuren, A.; Viezzer, E.; Gonzalez-Martin, J.; Toscano-Jimenez, M.; Oyola, P.; Todo, Y.; Suzuki, Y.; Sanchis, L.; Rueda-Rueda, J.; Galdon-Quiroga, J.; Hidalgo-Salaverri, J.; Chen, H.; Rivero-Rodriguez, J. F.; Velarde, L.; Zoletnik, S.; Zohm, H.; Zito, A.; Zimmermann, C. F. B.; Zilker, M.; Zibrov, A.; Zholobenko, W.; Zhang, W.; Zehetbauer, T.; Zammuto, I.; Zagorski, R.; Yu, Q.; You, C.; Yang, Q.; Wolfrum, E.; Wolf, R.; Wischmeier, M.; Wiringer, B.; Willensdorfer, M.; White, A. E.; Wendler, D.; Weiland, M.; Wang, X.; Wagner, D.; Von Toussaint, U.; Voitsekhovitch, I.; Vierle, T.; Vicente, J.; Vianello, N.; Verdoolaege, G.; Verdier, T.; Varoutis, S.; Varela, P.; Vanovac, B.; Vannini, F.; Van Zeeland, M.; Valovic, M.; Valisa, M.; Usoltseva, M.; Urbanczyk, G.; Ulbl, P.; Tripsky, M.; Trevisan, G.; Treutterer, W.; Told, D.; Tierens, W.; Thoren, E.; Teschke, M.; Terranova, D.; Tardocchi, M.; Tardini, G.; Tang, W.; Tala, T.; Tal, B.; Szepesi, T.; Suttrop, W.; Lopez, G. S.; Strumberger, E.; Stroth, U.; Stober, J.; Stieglitz, D.; Stejner, M.; Stegmeir, A.; Spolaore, M.; Spizzo, G.; Spacek, M.; Sozzi, C.; Sommariva, C.; Solano, E.; Snicker, A.; Sipila, S.; Simpson, J.; Silvagni, D.; Silva, C.; Silva, A.; Sigalov, A.; Sieglin, B.; Siccinio, M.; Sias, G.; Shevelev, A.; Sheikh, U.; Sharapov, S.; Shalpegin, A.; Shabbir, A.; Seibold-Benjak, O.; Sciortino, F.; Schweinzer, J.; Schwarz-Selinger, T.; Schwarz, N.; Schuster, C.; Schubert, M.; Schrittwieser, R.; Schneider, P. A.; Schmitz, O.; Schmid, K.; Scholte, J.; Schluter, A.; Schall, G.; Sauter, O.; Santos, J.; Sanchez, L. S.; Samoylov, O.; Salmi, A.; Salewski, M.; Saarelma, S.; Ryter, F.; Ryan, D. A.; Rubel, M.; Rott, M.; Ronchi, G.; Rohde, V.; Rodriguez-Fernandez, P.; Rocchi, G.; Rodriguez, J. F. R.; Riesch, J.; Riedl, R.; Ricci, D.; Ribeiro, T.; Rettino, B.; Reiter, D.; Reisner, M.; Reiser, D.; Reimold, F.; Reich, M.; Refy, D.; Redl, A.; Raupp, G.; Ratynskaia, S.; Ratta, G.; Rasmussen, J.; Ramisch, M.; Radovanovic, L.; Putterich, T.; Puchmayr, J.; Porte, L.; Popa, A.; Poli, E.; Pokol, G.; Plyusnin, V.; Plockl, B.; Plaum, B.; Plank, U.; Piron, C.; Petersson, P.; Peluso, E.; Peglau, M.; Paz-Soldan, C.; Pautasso, G.; Pau, A.; Papp, G.; Pan, O.; Olsen, J.; Ochoukov, R.; Nowak, S.; Novikau, I.; Nocente, M.; Nishizawa, T.; Nielsen, S. K.; Nielsen, A. H.; Neu, R.; Nem, R. D.; Nazikian, R.; Naulin, V.; Nabais, F.; Muraca, M.; Cabrera, P. M.; Mitterauer, V.; Milanesio, D.; Michelini, M.; Meyer, H.; Merle, A.; Merkel, R.; Meng, G.; Mcdermott, R.; Mccarthy, P. J.; Mayer, M.; Matos, F.; Martin, P.; Marrelli, L.; Markl, M.; Marchetto, C.; Maraschek, M.; Manz, P.; Mantsinen, M.; Mantica, P.; Manhard, A.; Mancini, A.; Maquet, V.; Maljaars, E.; Maj, O.; Maingi, R.; Mailloux, J.; Maier, H.; Magnanimo, A.; Madsen, J.; Maceina, T.; Lyssoivan, A.; Lunt, T.; Luhmann, N. C.; Luda Di Cortemiglia, T.; Lu, Z.; Liu, Y.; Lipschultz, B.; Lindl, H.; Linder, O.; Likonen, J.; Li, L.; Leuthold, N.; Lerche, E.; Leppin, L.; Lauber, P.; Lang, P. T.; Lainer, P.; Lahtinen, A.; Laggner, F.; Lackner, K.; Labit, B.; Kurzan, B.; Kurki-Suonio, T.; Kulla, D.; Kudlacek, O.; Krieger, K.; Kreuzeder, A.; Krebs, I.; Krause, M.; Kramer-Flecken, A.; Kong, M.; Komm, M.; Koleva, M.; Kocsis, G.; Klossek, F.; Klevarova, V.; Hansen, S. K.; Kirk, A.; Kircher, M.; Khilkevitch, E.; Kernbichler, W.; Kendl, A.; Kazakov, Y.; Kasilov, S.; Kasemann, C. -P.; Karhunen, J.; Kappatou, A.; Kalis, J.; Kallenbach, A.; Joffrin, E.; Jensen, T.; Jenko, F.; Jaulmes, F.; Jaksic, N.; Jacob, W.; Ivanova-Stanik, I.; Ionita-Schrittwieser, C.; Bjork, K. I.; Illerhaus, J.; Iliasova, M.; Igochine, V.; Hunger, K.; Huber, A.; Hubbard, A.; Houben, A.; Hoschen, T.; Horvath, L.; Hopf, C.; Holzl, M.; Holm, J. H.; Hormann, S.; Hofler, K.; Hobirk, J.; Hitzler, F.; Heyn, E.; Herrmann, A.; Heuraux, S.; Herschel, M.; Hennequin, P.; Henderson, S.; Hellsten, T.; Heinrich, P.; Heinemann, B.; Hayward-Schneider, T.; Hauer, V.; Harrison, J.; Harrer, G.; Den Harder, N.; Happel, T.; Ham, C.; Hakola, A. H.; Hachmeister, D.; Gunter, S.; Guimarais, L.; Gude, A.; Grover, O.; Groth, M.; Griener, M.; Greuner, H.; Grenfell, G.; Grater, A.; Granucci, G.; Gradic, D.; Gorler, T.; Gorini, G.; Goodman, T.; Gonzalez, J. C.; Gobbin, M.; Gloggler, S.; Gleiter, T.; Girka, O.; Girka, I.; Giovannozzi, E.; Gil, L.; Gibson, S.; Giannone, L.; Geiger, B.; Garavaglia, S.; Gao, Y.; Gallo, A.; Escola, D. G.; Galazka, K.; Futatani, S.; Funfgelder, H.; Fuchs, J. C.; Fuchert, G.; Froschle, M.; Frassinetti, L.; Ford, O.; Fischer, R.; Figueredo, A.; Ficker, O.; Felici, F.; Faugel, H.; Farnik, M.; Fantz, U.; Jimenez, D. F.; Faitsch, M.; Fable, E.; Esposito, B.; Encheva, A.; Elgeti, S.; Eich, T.; Dux, R.; Duval, B. P.; Dunne, M.; Dreval, M.; Dunai, D.; Duran, J. J. D. -P.; Dibon, M.; Siena, A. D.; Denner, P.; Delogu, R.; De Marne, P.; De Baar, M.; Day, C.; David, P.; Molin, A. D.; D'Arcangelo, O.; Cziegler, I.; Cseh, G.; Zabala, D. J. C.; Croci, G.; Creely, A. J.; Cote, T.; Coster, D.; Costea, S.; Conway, G.; Colas, L.; Coenen, J. W.; Coelho, R.; Coda, S.; Clairet, F.; Cianfarani, C.; Chomiczewska, A.; Chankin, A.; Challis, C.; Cazzaniga, C.; Cavedon, M.; Cathey, A.; Castillo, A. C.; Castaldo, C.; Carvalho, P.; Carr, M.; Carlton, D.; Megas, P. C.; Cannas, B.; Camenen, Y.; Burckhart, A.; Buhler, A.; Buchanan, J.; Brochard, F.; Brida, D.; Brezinsek, S.; Brenzke, M.; Van Den Brand, H.; Bottino, A.; Bottereau, C.; Boswirth, B.; Bortolon, A.; Bonanomi, N.; Bolzonella, T.; Body, T.; Bock, L.; Bock, A.; Bobkov, V.; Blanken, T.; Birkenmeier, G.; Bilato, R.; Bielajew, R.; Biancalani, A.; Bernert, M.; Bernardo, J.; Bergmann, M.; Bergmann, A.; Bauer, M.; Navarro, A. B.; Bandaru, V.; Balden, M.; Asunta, O.; Etxezarreta, M. A.; Artigues, V.; Arden, N.; Angioni, C.; Alessi, E.; Zuin, M.; Zisis, A.; Zebrowski, J.; Zaplotnik, R.; Zanca, P.; Zaloga, D.; Xiang, L.; Wu, K.; Wilkie, G.; Wiesenberger, M.; Wiesen, S.; Wensing, M.; Weinzettl, V.; Wauters, T.; Walkden, N.; N. M. T., Vu; Vondracek, P.; Voltolina, D.; Villone, F.; Vermare, L.; Verhaegh, K.; Vega, J.; Vasilovici, O.; Vartanian, S.; Varju, J.; Varje, J.; Vugt, D. V.; Olivares, P. V.; Vallar, M.; Urban, J.; Tudisco, O.; Tsui, C.; Tsironis, C.; Tomes, M.; Tolias, P.; Tilia, B.; Thornton, A.; Theiler, C.; Testa, D.; Teplukhina, A.; Sytnykov, D.; Sun, H.; Strand, P.; Stipani, L.; Sperduti, A.; Sorokovoy, E.; Soria-Hoyo, C.; Hansen, S. K.; Solano, E. R.; Smith, S.; Sheeba, R. R.; Seliunin, E.; Seidl, J.; Schneider, P.; Schneider, B. S.; Scheffer, M.; Scannell, R.; Sassano, M.; Sarkimaki, K.; Sanchis-Sanchez, L.; Samaddar, D.; Rubino, G.; Rubinacci, G.; Rosato, J.; Romano, A.; Rodriguez-Ramos, M.; Rispoli, N.; Reznik, S.; Reux, C.; Reimerdes, H.; Ravensbergen, T.; Ratta, G. A.; Rasmussen, J. J.; Rabinski, M.; Puiatti, M. E.; Pucella, G.; Por, G.; Popovic, Z.; Popov, T.; Poloskei, P.; Piron, L.; Piovesan, P.; Pigatto, L.; Piergotti, V.; Petrzilka, V.; Peterka, M.; Pesamosca, F.; Radolfini, V. P.; Perek, A.; Pavlichenko, R.; Passeri, M.; Parra, F.; Perez, I. P.; Panjan, M.; Panek, R.; Panaccione, L.; Palha, A.; Paccagnella, R.; Orsitto, F. P.; Orain, F.; Ongena, J.; Omotani, J.; Ollus, P.; Oberkofler, M.; Nikolaeva, V.; Newton, S.; Nespoli, F.; Naydenkova, D.; Moulton, D.; Moro, A.; Moret, J. M.; Morales, J.; Cabrera, P. A. M.; Moiseenko, V.; Mlynar, J.; Miron, I. G.; Militello, F.; Micheletti, D.; Messmer, M.; Meshcheriakov, D.; Menkovski, V.; Meineri, C.; Mcmillan, B.; Mcclements, K.; Carthy, P. M.; Mazzotta, C.; Mazon, D.; Mayoral, M. L.; Matthews, G.; Mastrostefano, S.; Martitsch, A.; Solis, J. R. M.; Markovic, T.; Marini, C.; Mariani, A.; Marchenko, V.; Mantsinen, M. J.; Manas, P.; Maljaars, B.; Maggiora, R.; Macusova, E.; Loschiavo, V. P.; Lorenzini, R.; Lombroni, R.; Liu, F.; Lang, P.; Laguardia, L.; Kwiatkowski, R.; Kulyk, Y.; Krivska, A.; Kripner, L.; Krawczyk, N.; Kovacic, J.; Koubiti, M.; Korovin, V.; Kelemen, M.; Keeling, D.; Kazantzidis, P. V.; Karpushov, A.; Jonsson, T.; Jardin, A.; Janky, F.; Jakubowski, M.; Jacobsen, A.; Isliker, H.; Innocente, P.; Iglesias, D.; Iantchenko, A.; Huang, Z.; Hron, M.; Horacek, J.; Hoppe, M.; Hogeweij, D.; Hoelzl, M.; Hnat, B.; Hesslow, L.; Hawke, J.; Havranek, A.; Hakola, A.; Hacek, P.; Gyergyek, T.; Gruca, M.; Grekov, D.; Gospodarczyk, M.; Goodman, T. P.; Giruzzi, G.; Giacomelli, L.; Gath, J.; Garzotti, L.; Garcia-Lopez, J.; Garcia, J.; Galperti, C.; Gallart, D.; Galeani, S.; Galassi, D.; Gahle, D.; Gadariya, D.; Gabellieri, L.; Fuchs, C.; Francesco, M.; Fontana, M.; Fil, A.; Figueiredo, A.; Figini, L.; Fevrier, O.; Ferro, G.; Ferreira, J.; Feng, X.; Feng, S.; Fedorczak, N.; Faustin, J.; Faust, I.; Fanni, A.; Erdos, B.; Embreus, O.; Elmore, S.; Dudson, B.; Drenik, A.; Douai, D.; Duran, J. J. D. -P.; Dolizy, F.; Dimitrova, M.; Dejarnac, R.; Decker, J.; Oliveira, H. D.; Carolis, G. D.; Dal Molin, A.; Czarnecka, A.; Cordella, F.; Cordaro, L.; Colette, D.; Ciraolo, G.; Choi, D.; Chmielewski, P.; Chapman, S.; Cerovsky, J.; Ceccuzzi, S.; Cecconello, M.; Causa, F.; Casolari, A.; Carraro, L.; Carralero, D.; Carpanese, F.; Carnevale, D.; Megias, P. C.; Calacci, L.; Calabro, G.; Buratti, P.; Buller, S.; Bufferand, H.; Buermans, J.; Bucalossi, J.; Brunetti, D.; Bowman, C.; Bouquey, F.; Boncagni, L.; Bombarda, F.; Bohm, P.; Bogar, O.; Bogar, K.; Boeyaert, D.; Blanchard, P.; Bin, W.; Bilkova, P.; Biletskyi, O.; Bettini, P.; Barrera-Orte, L.; Barnes, M.; Bandaru, V. K.; Bagnato, F.; Ayllon-Guerola, J. M.; Avdeeva, G.; Auriemma, F.; Arnichand, H.; Aradi, M.; Apruzzese, G.; Andrebe, Y.; Ambrosino, R.; Albert, C.; Albanese, R.; Akers, R.; Aguiam, D.; Agostini, M.; Adamek, J.; Maurizio, R.; Dunne, M. G.; Harrer, G. F.

doi:10.1038/s41567-024-02715-6

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.

Effect of energetic ions on edge-localized modes in tokamak plasmas / Dominguez-Palacios, J., Futatani, S., Garcia-Munoz, M., Jansen van Vuuren, A., Viezzer, E., Gonzalez-Martin, J., Toscano-Jimenez, M., Oyola, P., Todo, Y., Suzuki, Y., Sanchis, L., Rueda-Rueda, J., Galdon-Quiroga, J., Hidalgo-Salaverri, J., Chen, H., Rivero-Rodriguez, J.F., Velarde, L., Zoletnik, S., Zohm, H., Zito, A., et al.. - In: NATURE PHYSICS. - ISSN 1745-2473. - 21:1(2025), pp. 43-51. [10.1038/s41567-024-02715-6]