Effect of energetic ions on edge-localized modes in tokamak plasmas
Authors: 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. ,   the ASDEX Upgrade Team, 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. ,   the EuroFUSION MST1 Team, 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. , Vu N. M. T. , 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. 
Published: January 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.