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

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.