Enhanced performance in fusion plasmas through turbulence suppression by megaelectronvolt ions

Mazzi S.;Garcia J.;Zarzoso D.;Kazakov Y. O.;Ongena J.;Dreval M.;Nocente M.;Stancar Z.;Szepesi G.;Eriksson J.;Sahlberg A.;Benkadda S.;Abid N.;Abraham K.;Abreu P.;Adabonyan O.;Adrich P.;Afzal M.;Ahlgren T.;Aho-Mantila L.;Aiba N.;Airila M.;Akhtar M.;Albanese R.;Alderson-Martin M.;Alegre D.;Aleiferis S.;Aleksa A.;Alessi E.;Aleynikov P.;Algualcil J.;Ali M.;Allinson M.;Alper B.;Alves E.;Ambrosino G.;Ambrosino R.;Andersson Sunden E.;Andrew P.;Angelini B. M.;Angioni C.;Antoniou I.;Appel L. C.;Appelbee C.;Aria S.;Ariola M.;Artaserse G.;Arter W.;Artigues V.;Asakura N.;Ash A.;Ashikawa N.;Aslanyan V.;Astrain M.;Asztalos O.;Auld D.;Auriemma F.;Austin Y.;Avotina L.;Aymerich E.;Baciero A.;Bairaktaris F.;Balbin J.;Balbinot L.;Balboa I.;Balden M.;Balshaw C.;Balshaw N.;Bandaru V. K.;Banks J.;Baranov Y. F.;Barcellona C.;Barnard A.;Barnard M.;Barnsley R.;Barth A.;Baruzzo M.;Barwell S.;Bassan M.;Batista A.;Batistoni P.;Baumane L.;Bauvir B.;Baylor L.;Beaumont P. S.;Beckett D.;Begolli A.;Beidler M.;Bekris N.;Beldishevski M.;Belli E.;Belli F.;Belonohy E.;Ben Yaala M.;Benayas J.;Bentley J.;Bergsaker H.;Bernardo J.;Bernert M.;Berry M.;Bertalot L.;Betar H.;Beurskens M.;Bickerton S.;Bieg B.;Bielecki J.;Bierwage A.;Biewer T.;Bilato R.;Bilkova P.;Birkenmeier G.;Bishop H.;Bizarro J. P. S.;Blackburn J.;Blanchard P.;Blatchford P.;Bobkov V.;Boboc A.;Bohm P.;Bohm T.;Bolshakova I.;Bolzonella T.;Bonanomi N.;Bonfiglio D.;Bonnin X.;Bonofiglo P.;Boocock S.;Booth A.;Booth J.;Borba D.;Borodin D.;Borodkina I.;Boulbe C.;Bourdelle C.;Bowden M.;Boyd K.;Bozicevic Mihalic I.;Bradnam S. C.;Braic V.;Brandt L.;Bravanec R.;Breizman B.;Brett A.;Brezinsek S.;Brix M.;Bromley K.;Brown B.;Brunetti D.;Buckingham R.;Buckley M.;Budny R.;Buermans J.;Bufferand H.;Buratti P.;Burgess A.;Buscarino A.;Busse A.;Butcher D.;de la Cal E.;Calabro G.;Calacci L.;Calado R.;Camenen Y.;Canal G.;Cannas B.;Cappelli M.;Carcangiu S.;Card P.;Cardinali A.;Carman P.;Carnevale D.;Carr M.;Carralero D.;Carraro L.;Carvalho I. S.;Carvalho P.;Casiraghi I.;Casson F. J.;Castaldo C.;Catalan J. P.;Catarino N.;Causa F.;Cavedon M.;Cecconello M.;Challis C. D.;Chamberlain B.;Chang C. S.;Chankin A.;Chapman B.;Chernyshova M.;Chiariello A.;Chmielewski P.;Chomiczewska A.;Chone L.;Ciraolo G.;Ciric D.;Citrin J.;Ciupinski L.;Clark M.;Clarkson R.;Clements C.;Cleverly M.;Coad J. P.;Coates P.;Cobalt A.;Coccorese V.;Coelho R.;Coenen J. W.;Coffey I. H.;Colangeli A.;Colas L.;Collins C.;Collins J.;Collins S.;Conka D.;Conroy S.;Conway B.;Conway N. J.;Coombs D.;Cooper P.;Cooper S.;Corradino C.;Corrigan G.;Coster D.;Cox P.;Craciunescu T.;Cramp S.;Crapper C.;Craven D.;Craven R.;Crialesi Esposito M.;Croci G.;Croft D.;Croitoru A.;Crombe K.;Cronin T.;Cruz N.;Crystal C.;Cseh G.;Cufar A.;Cullen A.;Curuia M.;Czarski T.;Dabirikhah H.;Molin A. D.;Dale E.;Dalgliesh P.;Dalley S.;Dankowski J.;David P.;Davies A.;Davies S.;Davis G.;Dawson K.;Dawson S.;Day I. E.;De Bock M.;De Temmerman G.;De Tommasi G.;Deakin K.;Deane J.;Dejarnac R.;Del Sarto D.;Delabie E.;Del-Castillo-Negrete D.;Dempsey A.;Dendy R. O.;Devynck P.;Di Siena A.;Di Troia C.;Dickson T.;Dinca P.;Dittmar T.;Dobrashian J.;Doerner R. P.;Donne A. J. H.;Dorling S.;Dormido-Canto S.;Douai D.;Dowson S.;Doyle R.;Dreval M.;Drewelow P.;Drews P.;Drummond G.;Duckworth P.;Dudding H.;Dumont R.;Dumortier P.;Dunai D.;Dunatov T.;Dunne M.;Duran I.;Durodie F.;Dux R.;Dvornova A.;Eastham R.;Edwards J.;Eich T.;Eichorn A.;Eidietis N.;Eksaeva A.;El Haroun H.;Ellwood G.;Elsmore C.;Embreus O.;Emery S.;Ericsson G.;Eriksson B.;Eriksson F.;Eriksson J.;Eriksson L. G.;Ertmer S.;Esquembri S.;Esquisabel A. L.;Estrada T.;Evans G.;Evans S.;Fable E.;Fagan D.;Faitsch M.;Falessi M.;Fanni A.;Farahani A.;Farquhar I.;Fasoli A.;Faugeras B.;Fazinic S.;Felici F.;Felton R.;Fernandes A.;Fernandes H.;Ferrand J.;Ferreira D. R.;Ferreira J.;Ferro G.;Fessey J.;Ficker O.;Field A. R.;Figueiredo A.;Figueiredo J.;Fil A.;Fil N.;Finburg P.;Fiorucci D.;Fischer U.;Fishpool G.;Fittill L.;Fitzgerald M.;Flammini D.;Flanagan J.;Flinders K.;Foley S.;Fonnesu N.;Fontana M.;Fontdecaba J. M.;Forbes S.;Formisano A.;Fornal T.;Fortuna L.;Fortuna-Zalesna E.;Fortune M.;Fowler C.;Fransson E.;Frassinetti L.;Freisinger M.;Fresa R.;Fridstrom R.;Frigione D.;Fulop T.;Furseman M.;Fusco V.;Futatani S.;Gadariya D.;Gal K.;Galassi D.;Galazka K.;Galeani S.;Gallart D.;Galvao R.;Gao Y.;Garcia J.;Garcia-Munoz M.;Gardener M.;Garzotti L.;Gaspar J.;Gatto R.;Gaudio P.;Gear D.;Gebhart T.;Gee S.;Gelfusa M.;George R.;Gerasimov S. N.;Gervasini G.;Gethins M.;Ghani Z.;Gherendi M.;Ghezzi F.;Giacalone J. C.;Giacomelli L.;Giacometti G.;Gibson C.;Gibson K. J.;Gil L.;Gillgren A.;Giovannozzi E.;Giroud C.;Glen R.;Gloggler S.;Goff J.;Gohil P.;Goloborodko V.;Gomes R.;Goncalves B.;Goniche M.;Goodyear A.;Gore S.;Gorini G.;Gorler T.;Gotts N.;Goulding R.;Gow E.;Graham B.;Graves J. P.;Greuner H.;Grierson B.;Griffiths J.;Griph S.;Grist D.;Gromelski W.;Groth M.;Grove R.;Gruca M.;Guard D.;Gupta N.;Gurl C.;Gusarov A.;Hackett L.;Hacquin S.;Hager R.;Hagg L.;Hakola A.;Halitovs M.;Hall S.;Hall S. A.;Hallworth-Cook S.;Ham C. J.;Hamaguchi D.;Hamed M.;Hamlyn-Harris C.;Hammond K.;Harford E.;Harrison J. R.;Harting D.;Hatano Y.;Hatch D. R.;Haupt T.;Hawes J.;Hawkes N. C.;Hawkins J.;Hayashi T.;Hazael S.;Hazel S.;Heesterman P.;Heidbrink B.;Helou W.;Hemming O.;Henderson S. S.;Henriques R. B.;Hepple D.;Herfindal J.;Hermon G.;Hill J.;Hillesheim J. C.;Hizanidis K.;Hjalmarsson A.;Ho A.;Hobirk J.;Hoenen O.;Hogben C.;Hollingsworth A.;Hollis S.;Hollmann E.;Holzl M.;Homan B.;Hook M.;Hopley D.;Horacek J.;Horsley D.;Horsten N.;Horton A.;Horton L. D.;Horvath L.;Hotchin S.;Howell R.;Hu Z.;Huber A.;Huber V.;Huddleston T.;Huijsmans G. T. A.;Huynh P.;Hynes A.;Imrie D.;Imrisek M.;Ingleby J.;Innocente P.;Insulander Bjork K.;Isernia N.;Ivanova-Stanik I.;Ivings E.;Jablonski S.;Jachmich S.;Jackson T.;Jacquet P.;Jarleblad H.;Jaulmes F.;Rodriguez J. J.;Jepu I.;Joffrin E.;Johnson R.;Johnson T.;Johnston J.;Jones C.;Jones G.;Jones L.;Jones N.;Jones T.;Joyce A.;Juarez R.;Juvonen M.;Kalnina P.;Kaltiaisenaho T.;Kaniewski J.;Kantor A.;Kappatou A.;Karhunen J.;Karkinsky D.;Kaufman M.;Kaveney G.;Kazakov Y. O.;Kazantzidis V.;Keeling D. L.;Kelly R.;Kempenaars M.;Kennedy C.;Kennedy D.;Kent J.;Khan K.;Kiefer C.;Kilpelainen J.;Kim C.;Kim H. -T.;Kim S. H.;King D. B.;King R.;Kinna D.;Kiptily V. G.;Kirjasuo A.;Kirov K. K.;Kirschner A.;Kiviniemi T.;Kizane G.;Klas M.;Klepper C.;Klix A.;Kneale G.;Knight M.;Knight P.;Knights R.;Knipe S.;Knolker M.;Knott S.;Kocan M.;Kochl F.;Kodeli I.;Kolesnichenko Y.;Kominis Y.;Kong M.;Korovin V.;Kos B.;Kos D.;Koslowski H. R.;Kotschenreuther M.;Koubiti M.;Kowalska-Strzeciwilk E.;Koziol K.;Krasilnikov V.;Kresina M.;Krieger K.;Krishnan N.;Krivska A.;Kruezi U.;Ksiazek I.;Kukushkin A. B.;Kumpulainen H.;Kurki-Suonio T.;Kurotaki H.;Kwak S.;Kwon O. J.;Laguardia L.;Lagzdina E.;Lahtinen A.;Laing A.;Lam N.;Lambertz H. T.;Lane B.;Lane C.;Lascas Neto E.;Laszynska E.;Lawson K. D.;Lazaros A.;Lazzaro E.;Learoyd G.;Lee C.;Lee S. E.;Leerink S.;Leeson T.;Lefebvre X.;Leggate H. J.;Lehmann J.;Lehnen M.;Leichtle D.;Leipold F.;Lengar I.;Lennholm M.;Leon Gutierrez E.;Lepiavko B.;Leppanen J.;Lerche E.;Lescinskis A.;Lewis J.;Leysen W.;Li L.;Li Y.;Likonen J.;Linsmeier C.;Lipschultz B.;Litaudon X.;Litherland-Smith E.;Liu F.;Loarer T.;Loarte A.;Lobel R.;Lomanowski B.;Lomas P. J.;Lopez J. M.;Lorenzini R.;Loreti S.;Losada U.;Loschiavo V. P.;Loughlin M.;Louka Z.;Lovell J.;Lowe T.;Lowry C.;Lubbad S.;Luce T.;Lucock R.;Luna C.;de la Luna E.;Lungaroni M.;Lungu C. P.;Lunt T.;Lutsenko V.;Lyons B.;Lyssoivan A.;Machielsen M.;Macusova E.;Maenpaa R.;Maggi C. F.;Maggiora R.;Magness M.;Mahesan S.;Maier H.;Mailloux J.;Maingi R.;Malinowski K.;Manas P.;Mantica P.;Mantsinen M. J.;Manyer J.;Manzanares A.;Maquet P.;Marceca G.;Marchetto C.;Marchuk O.;Mariani A.;Mariano G.;Marin M.;Marinelli M.;Markovic T.;Marocco D.;Marot L.;Marsden S.;Marsh J.;Marshall R.;Martellucci L.;Martin A.;Martin A. J.;Martone R.;Maruyama S.;Maslov M.;Masuzaki S.;Matejcik S.;Mattei M.;Matthews G. F.;Matveev D.;Matveeva E.;Mauriya A.;Maviglia F.;Mayer M.;Mayoral M. -L.;Mazzi S.;Mazzotta C.;McAdams R.;McCarthy P. J.;McClements K. G.;McClenaghan J.;McCullen P.;McDonald D. C.;McGuckin D.;McHugh D.;McIntyre G.;McKean R.;McKehon J.;McMillan B.;McNamee L.;McShee A.;Meakins A.;Medley S.;Meekes C. J.;Meghani K.;Meigs A. G.;Meisl G.;Meitner S.;Menmuir S.;Mergia K.;Merriman S.;Mertens P.;Messiaen A.;Michling R.;Middleton P.;Middleton-Gear D.;Mietelski J.;Milanesio D.;Milani E.;Militello F.;Militello Asp A.;Milnes J.;Milocco A.;Miloshevsky G.;Minghao C.;Minucci S.;Miron I.;Miyamoto M.;Mlynar J.;Moiseenko V.;Monaghan P.;Monakhov I.;Moody T.;Moon S.;Mooney R.;Moradi S.;Morales J.;Morales R. B.;Mordijck S.;Moreira L.;Morgan L.;Moro F.;Morris J.;Morrison K. -M.;Moser L.;Moulton D.;Mrowetz T.;Mundy T.;Muraglia M.;Murari A.;Muraro A.;Muthusonai N.;N'Konga B.;Na Y. -S.;Nabais F.;Naden M.;Naish J.;Naish R.;Napoli F.;Nardon E.;Naulin V.;Nave M. F. F.;Nedzelskiy I.;Nestoras I.;Neu R.;Ng S.;Nicassio M.;Nielsen A. H.;Nina D.;Nishijima D.;Noble C.;Nobs C. R.;Nocente M.;Nodwell D.;Nordlund K.;Nordman H.;Normanton R.;Noterdaeme J. -M.;Nowak S.;Nunn E.;Nystrom H.;Oberparleiter M.;Obryk B.;O'Callaghan J.;Odupitan T.;Oliver H. J. C.;Olney R.;O'Mullane M.;Ongena J.;Organ E.;Orsitto F.;Orszagh J.;Osborne T.;Otin R.;Otsuka T.;Owen A.;Oya Y.;Oyaizu M.;Paccagnella R.;Pace N.;Packer L. W.;Paige S.;Pajuste E.;Palade D.;Pamela S. J. P.;Panadero N.;Panontin E.;Papadopoulos A.;Papp G.;Papp P.;Parail V. V.;Pardanaud C.;Parisi J.;Parra Diaz F.;Parsloe A.;Parsons M.;Parsons N.;Passeri M.;Patel A.;Pau A.;Pautasso G.;Pavlichenko R.;Pavone A.;Pawelec E.;Soldan C. P.;Peacock A.;Pearce M.;Peluso E.;Penot C.;Pepperell K.;Pereira R.;Pereira T.;Cippo E. P.;Pereslavtsev P.;von Thun C. P.;Pericoli V.;Perry D.;Peterka M.;Petersson P.;Petravich G.;Petrella N.;Peyman M.;Pillon M.;Pinches S.;Pintsuk G.;de Sa W. P.;dos Reis A. P.;Piron C.;Piron L.;Pironti A.;Pitts R.;van de Plassche K. L.;Platt N.;Plyusnin V.;Podesta M.;Pokol G.;Poli F. M.;Pompilian O. G.;Popovichev S.;Poradzinski M.;Porfiri M. T.;Porkolab M.;Porosnicu C.;Porton M.;Poulipoulis G.;Predebon I.;Prestopino G.;Price C.;Price D.;Price M.;Primetzhofer D.;Prior P.;Provatas G.;Pucella G.;Puglia P.;Purahoo K.;Pusztai I.;Putignano O.;Putterich T.;Quercia A.;Rachlew E.;Radulescu G.;Radulovic V.;Rainford M.;Raj P.;Ralph G.;Ramogida G.;Rasmussen D.;Rasmussen J. J.;Ratta G.;Ratynskaia S.;Rebai M.;Refy D.;Reichle R.;Reinke M.;Reiser D.;Reux C.;Reynolds S.;Richiusa M. L.;Richyal S.;Rigamonti D.;Rimini F. G.;Risner J.;Riva M.;Rivero-Rodriguez J.;Roach C. M.;Robins R.;Robinson S.;Robson D.;Rodrigues P.;Rodriguez Ramos M.;Rodriguez-Fernandez P.;Romanelli F.;Romanelli M.;Romanelli S.;Romazanov J.;Rossi R.;Rowe S.;Rowlands D.;Rubel M.;Rubinacci G.;Rubino G.;Ruchko L.;Ruiz M.;Ruiz J. R.;Ruset C.;Rzadkiewicz J.;Saarelma S.;Safi E.;Sahlberg A.;Salewski M.;Salmi A.;Salmon R.;Salzedas F.;Sanders I.;Sandiford D.;Santos B.;Santucci A.;Sarkimaki K.;Sarwar R.;Sarychev I.;Sauter O.;Sauwan P.;Scapin N.;Schluck F.;Schmid K.;Schmuck S.;Schneider M.;Schneider P. A.;Schworer D.;Scott G.;Scott M.;Scraggs D.;Scully S.;Segato M.;Seo J.;Sergienko G.;Sertoli M.;Sharapov S. E.;Shaw A.;Sheikh H.;Sheikh U.;Shepherd A.;Shigin P.;Shinohara K.;Shiraiwa S.;Shiraki D.;Short M.;Sias G.;Silburn S. A.;Silva A.;Silva C.;Silva J.;Silvagni D.;Simfukwe D.;Simpson J.;Sinclair D.;Sipila S. K.;Sips A. C. C.;Siren P.;Sirinelli A.;Sjostrand H.;Skinner N.;Slater J.;Smith N.;Smith P.;Snell J.;Snoep G.;Snoj L.;Snyder P.;Soare S.;Solano E. R.;Solokha V.;Somers A.;Sommariva C.;Soni K.;Sorokovoy E.;Sos M.;Sousa J.;Sozzi C.;Spagnolo S.;Spelzini T.;Spineanu F.;Spong D.;Sprada D.;Sridhar S.;Srinivasan C.;Stables G.;Staebler G.;Stamatelatos I.;Stancar Z.;Staniec P.;Stankunas G.;Stead M.;Stefanikova E.;Stephen A.;Stephens J.;Stevenson P.;Stojanov M.;Strand P.;Strauss H. R.;Strikwerda S.;Strom P.;Stuart C. I.;Studholme W.;Subramani M.;Suchkov E.;Sumida S.;Sun H. J.;Susts T. E.;Svensson J.;Svoboda J.;Sweeney R.;Sytnykov D.;Szabolics T.;Szepesi G.;Tabia B.;Tadic T.;Tal B.;Tala T.;Tallargio A.;Tamain P.;Tan H.;Tanaka K.;Tang W.;Tardocchi M.;Taylor D.;Teimane A. S.;Telesca G.;Teplukhina A.;Terentyev D.;Terra A.;Terranova D.;Terranova N.;Testa D.;Tholerus E.;Thomas J.;Thoren E.;Thorman A.;Tierens W.;Tinguely R. A.;Tipton A.;Todd H.;Tokitani M.;Tolias P.;Tomes M.;Tookey A.;Torikai Y.;von Toussaint U.;Tsavalas P.;Tskhakaya D.;Turner I.;Turner M.;Turner M. M.;Turnyanskiy M.;Tvalashvili G.;Tyrrell S.;Tyshchenko M.;Uccello A.;Udintsev V.;Urbanczyk G.;Vadgama A.;Valcarcel D.;Valisa M.;Vallejos Olivares P.;Vallhagen O.;Valovic M.;Van Eester D.;Varje J.;Vartanian S.;Vasilopoulou T.;Vayakis G.;Vecsei M.;Vega J.;Ventre S.;Verdoolaege G.;Verona C.;Rinati G. V.;Veshchev E.;Vianello N.;Viezzer E.;Vignitchouk L.;Vila R.;Villari R.;Villone F.;Vincenzi P.;Viola B.;Virtanen A. J.;Vitins A.;Vizvary Z.;Vlad G.;Vlad M.;Vondracek P.;de Vries P.;Wakeling B.;Walkden N. R.;Walker M.;Walker R.;Walsh M.;Wang E.;Wang N.;Warder S.;Warren R.;Waterhouse J.;Watts C.;Wauters T.;Weckmann A.;Wedderburn Maxwell H.;Weiland M.;Weisen H.;Weiszflog M.;Welch P.;Wendler N.;West A.;Wheatley M.;Wheeler S.;Whitehead A.;Whittaker D.;Widdowson A.;Wiesen S.;Wilkinson J.;Williams J. C.;Willoughby D.;Wilson I.;Wilson J.;Wilson T.;Wischmeier M.;Wise P.;Withenshaw G.;Withycombe A.;Witts D.;Wojcik-Gargula A.;Wolfrum E.;Wood R.;Woodley C.;Woodley R.;Woods B.;Wright J.;Wright J. C.;Xu T.;Yadikin D.;Yajima M.;Yakovenko Y.;Yang Y.;Yanling W.;Yanovskiy V.;Young I.;Young R.;Zabolockis R. J.;Zacks J.;Zagorski R.;Zaitsev F. S.;Zakharov L.;Zarins A.;Zarzoso D.;Zastrow K. -D.;Zayachuk Y.;Zerbini M.;Zhang W.;Zhou Y.;Zlobinski M.;Zocco A.;Zohar A.;Zoita V.;Zoletnik S.;Zotta V. K.;Zoulias I.;Zwingmann W.;Zychor I.

2022-01-01

---

Abstract

Alpha particles with energies on the order of megaelectronvolts will be the main source of plasma heating in future magnetic confinement fusion reactors. Instead of heating fuel ions, most of the energy of alpha particles is transferred to electrons in the plasma. Furthermore, alpha particles can also excite Alfvénic instabilities, which were previously considered to be detrimental to the performance of the fusion device. Here we report improved thermal ion confinement in the presence of megaelectronvolts ions and strong fast ion-driven Alfvénic instabilities in recent experiments on the Joint European Torus. Detailed transport analysis of these experiments reveals turbulence suppression through a complex multi-scale mechanism that generates large-scale zonal flows. This holds promise for more economical operation of fusion reactors with dominant alpha particle heating and ultimately cheaper fusion electricity.