Oscillatory relaxation of zonal flows in a multi-species stellarator plasma

The low frequency oscillatory relaxation of zonal potential perturbations is studied numerically in the TJ-II stellarator (where it was experimentally detected for the first time). It is studied in full global gyrokinetic simulations of multi-species plasmas. The oscillation frequency obtained is compared with predictions based on single-species simulations using simplified analytical relations. It is shown that the frequency of this oscillation for a multi-species plasma can be accurately obtained from single-species calculations using extrapolation formulas. The damping of the oscillation and the influence of the different inter-species collisions is studied in detail. It is concluded that taking into account multiple kinetic ions and electrons with impurity concentrations realistic for TJ-II plasmas allows to account for the values of frequency and damping rate in zonal flows relaxations observed experimentally.Comment: 11 figures, 22 page

The lithium stellarator experiment. TJ-II as a benchmark

In the last years, lithium wall conditioning has been carried out in several fusion devices (Tokamaks, Compact Toruses) by different techniques, providing in many instances record values of plasma parameters and enhanced plasma reproducibility. Behind these findings are the low recycling, low contamination and non-coronal enhanced radiative power dissipation properties of Li. Stellarators are best suited for reactor concepts as far as they basically free from extreme thermal load events. However, the potential problem of impurity accumulation must be taken into account. Therefore, the use of low Z elements as PFC would be highly desirable. In the present work, the plasma performance of the TJ-II Heliac under Li-coated wall conditions with lithium is described. Compared to previous coatings, lithium has produced the best plasma performance to date, leading to the achievement of record values in plasma density and energy confinement. In the present work, the impact of the Li coating operation on reactor relevant issues, such as particle exhaust and retention, high-density operation, confinement characteristics and plasma wall interaction issues is stressed.На протязі останніх років обробку стінок літієм було проведено в кількох термоядерних установках (токамаки, компактні тори) з використанням різних методів, що забезпечило у багатьох випадках одержання плазми з рекордними параметрами та покращеним відтворенням результатів. Ці результати пов’язані з низьким рециклінгом, що властивий літію, слабким забрудненням плазми і підвищеним не корональним поглинанням випромінювання. Стеларатори краще за все підходять для концепції реактора, бо в них у принципі не може бути підвищених теплових навантажень. Але треба враховувати можливість накопичення домішок. Тому конче бажано в поверхнях, які повернені до плазми, використовувати елементи з низьким Z. В даній роботі описано експерименти по одержанню плазми в геліаку TJ-II в умовах покриття стінок літієм. Порівняно з покриттями, що використовувалися раніше, літій забезпечив одержання плазми з найкращими на даний час параметрами, дозволивши досягти рекордних значень гущини плазми та утримання енергії. Підкреслена важливість літієвого покриття для таких аспектів реактора, як втрати і затримування частинок, робота при високій гущині, характеристики утримання та взаємодія плазма-стінка.В течение последних лет обработка стенок литием была проведена в нескольких термоядерных установках (токамаки, компактные торы) с использованием различных методов, что обеспечило во многих случаях получение плазмы с рекордными параметрами и улучшенной воспроизводимостью результатов. Эти результаты связаны со свойственными литию низким рециклингом, слабым загрязнением плазмы и повышенным не корональным поглощением излучения. Стеллараторы лучше всего подходят для концепции реактора, ибо у них в принципе не может быть повышенных тепловых нагрузок. Однако, необходимо учитывать возможность накопления примесей. Поэтому весьма желательно в поверхностях, обращённых к плазме, использовать элементы с низким Z. В настоящей работе описаны эксперименты по получению плазмы в гелиаке TJ-II в условиях покрытия стенок литием. По сравнению с покрытиями, которые использовались раньше, литий обеспечил получение плазмы с наилучшими в настоящее время параметрами, позволив достичь рекордных значений плотности плазмы и удержания энергии. Подчёркивается важность литиевого покрытия для таких аспектов реактора, как расход и удерживание частиц, работа при большой плотности, характеристики удержания и взаимодействие плазма-стенка

The study of the radial location of quasi-coherent modes by heavy ion beam probe in the TJ-II stellarator

Recent experiments in low magnetic shear flexible heliac TJ-II have shown that steady frequency and chirping Alfvén Eigenmodes take place with 100 kHz< fAE <300 kHz at both pure NBI and combined ECR and NBI heated plasmas with low line-averaged density ne = (0.3…1.5)×10¹⁹ m⁻³ at Low Field Side (LFS) and High Field Side (HFS) of the plasma column. Furthermore, several types of low-frequency modes with f < 30 kHz, such as suprathermal electrostatic modes, tearing-like modes, quasicoherent modes with long-range potential correlations, were also observed. Power spectra for electrostatic and electromagnetic oscillations for all types of modes are presented along with their spatial location detected by dual Heavy Ion Beam Probe (HIBP).Експерименти на стелараторі TJ-II показують, що альфвеновські моди у частотному діапазоні 100 кГц< fAE <300 кГц збуджуються в режимах з інжекцією пучка нейтральних атомів, а також в режимах з комбінованим ЕЦР-нагріванням і нейтральною інжекцією при середньохордовій густині електронів ne = (0,3 … 1,5)×10¹⁹ м⁻³. Моди збуджуються як на стороні слабкого, так і на стороні сильного поля. Крім того, у плазмі TJ-II спостерігаються моди з частотами f <30 кГц, а саме моди, що збуджуються швидкими електронами, тірінг-подібні моди, а також моди, що характеризуються далекими кореляціями електричного потенціалу. Деякі моди мають тільки електростатичну компоненту коливань, інші також видно на спектрах коливань густини електронів і полоїдального магнітного поля. У рамках даної роботи була визначена радіальна локалізація кожного типу згаданих квазікогерентних мод. Для цього використовувалися два діагностичних комплекси на пучках важких іонів, магнітні зонди і болометри (AXUV-детектори).Эксперименты на стеллараторе TJ-II показывают, что альфвеновские моды в частотном диапазоне 100 кГц< fAE <300 кГц возбуждаются в режимах с инжекцией пучка нейтральных атомов, а также в режимах с комбинированным ЭЦР-нагревом и нейтральной инжекцией при среднехордовой плотности электронов ne = (0,3…1,5)×10¹⁹ м⁻³. Моды возбуждаются как на стороне слабого, так и на стороне сильного поля. Кроме того, в плазме TJ-II наблюдаются моды с частотами f < 30 кГц, а именно моды, возбуждаемые быстрыми электронами, тиринг-подобные моды, а также моды, характеризующиеся дальними корреляциями электрического потенциала. Некоторые моды имеют только электростатическую компоненту колебаний, другие также видны на спектрах колебаний плотности электронов и полоидального магнитного поля. В рамках данной работы была определена радиальная локализация каждого типа упомянутых квазикогерентных мод. Для этого использовалось два диагностических комплекса на пучках тяжелых ионов, магнитные зонды и болометры (AXUV-детекторы)

High-intensity cesium ion beams for HIBP diagnostics

The goal of the research is to expand the capabilities of the heavy ion beam probing (HIBP) diagnostic. HIBP is a unique diagnostic, capable to measure plasma potential, density and their fluctuations, as well as the poloidal magnetic field fluctuations in the core and edge plasmas. The sensitivity of the diagnostic is determined by the level of the output signal related to the instrumental noise. The level of the probing beam current should be as high as possible, especially for measurements at the periphery with low output signal due to low plasma density, and in the core, where the beam is attenuated due to the high plasma density. Optimization experiments have shown the possibility of ion beam forming in the current range from 40 to 800 μA.Мета дослідження – розширити можливості діагностики за допомогою зондування плазми пучком важких іонів (ЗППВІ). ЗППВІ – це унікальна діагностика, здатна вимірювати потенціал, густину плазми і їх флуктуації, а також флуктуації полоідального магнітного поля в центрі та периферії плазми. Чутливість діагностики визначається рівнем вихідного сигналу, щодо інструментального шуму. Рівень струму зондувального пучка повинен бути якомога більш високим, особливо для вимірювань на периферії з низьким вихідним сигналом через низьку густину плазми, а також у центрі, де пучок послаблюється через високу густину плазми. Експерименти з оптимізації показали можливість формування іонного пучка в діапазоні струму 40…800 мкА.Цель исследования – расширить возможности диагностики с помощью зондирования плазмы пучком тяжелых ионов (ЗППТИ). ЗППТИ – это уникальная диагностика, способная измерять потенциал, плотность плазмы и их флуктуации, а также флуктуации полоидального магнитного поля в центре и периферии плазмы. Чувствительность диагностики определяется уровнем выходного сигнала относительно инструментального шума. Уровень тока зондирующего пучка должен быть как можно более высоким, особенно для измерений на периферии с низким выходным сигналом из-за низкой плотности плазмы, а также в центре, где пучок ослабляется из-за высокой плотности плазмы. Эксперименты по оптимизации показали возможность формирования ионного пучка в диапазоне тока 40…800 мкА

A dual heavy ion beam probe diagnostic on the TJ-II stellarator

The aim of the report is to show the development of HIBP diagnostics on the TJ-II stellarator and, as a result, the expansion of the range of plasma parameters measurements. The first Heavy Ion Beam Probe (HIBP-1) diagnostic is being used on TJ-II stellarator since 2000. It has been shown significant progress in the measurements of plasma profiles and oscillations. The second HIBP-2 system was installed on TJ-II in 2012. Dual HIBP system, consisting of two identical HIBP-1 and HIBP-2 located ¼ torus apart, provides the measurement of the long-range correlations of plasma parameters in the full plasma column. Low noise high gain (10⁷ V/A) preamplifiers with 1 Hz bandwidth sampling is used. They allow to study broadband turbulence and quasi-coherent modes like geodesic acoustic modes, Alfven eigenmodes, suprathermal electron induced modes, etc. New capabilities of the dual HIBP diagnostic in plasma potential and density investigations were demonstrated on TJ-II stellarator in the measurements of the correlation between fluctuations in different poloidal and toroidal locations: on the same field line, on the same magnetic surface or on different magnetic surfaces at different points, separated toroidally and/or poloidally.На стелараторі TJ-II створена подвійна система зондування плазми пучком важких іонів (ЗППВІ). Система складається з двох ідентичних комплексів, розташованих на відстані ¼ тора. Перший діагностичний комплекс почав діяти в 2000 році. Другий комплекс був встановлений в 2012 році. Використання підсилювачів детекторних сигналів з низьким рівнем шуму (10⁷ В/A) з пропускною здатністю 1 МГц дозволяє вивчати широкосмугову турбулентність та квазікогерентні режими, такі як геодезичні акустичні моди; альфвенівські моди; супертермальні моди, які збурюються швидкими електронами, тощо. Нові можливості подвійної системи були продемонстровані при вимірюваннях далеких кореляцій між флуктуаціями в різних полоїдальних та тороїдальних місцях: на одній лінії магнітного поля, на одній або на різних магнітних поверхнях у різних точках, розташованих тороїдально та/або полоїдально.На стеллараторе TJ-II создана двойная система зондирования плазмы пучком тяжелых ионов (ЗППТИ). Система состоит из двух идентичных комплексов, расположенных на расстоянии ¼ тора. Первый диагностический комплекс начал действовать в 2000 году. Второй комплекс был установлен в 2012 году. Использование усилителей детекторных сигналов с низким уровнем шума (10⁷ В/A) и полосой пропускания 1 МГц позволяет изучать широкополосную урбулентность и квазикогерентные моды, такие как геодезические акустические моды; альфвеновские собственные моды; моды, индуцированные надтепловыми электронами и т.д. Новые возможности двойной системы были продемонстрированы при измерениях дальних корреляций между флуктуациями, измеренными в различных полоидальних и тороидальных положениях: на одной или на разных магнитных поверхностях, в различных точках, смещенных тороидально и/или полоидально

Do differences in understory light contribute to species distributions along a tropical rainfall gradient?

In tropical forests, regional differences in annual rainfall correlate with differences in plant species composition. Although water availability is clearly one factor determining species distribution, other environmental variables that covary with rainfall may contribute to distributions. One such variable is light availability in the understory, which decreases towards wetter forests due to differences in canopy density and phenology. We established common garden experiments in three sites along a rainfall gradient across the Isthmus of Panama in order to measure the differences in understory light availability, and to evaluate their influence on the performance of 24 shade-tolerant species with contrasting distributions. Within sites, the effect of understory light availability on species performance depended strongly on water availability. When water was not limiting, either naturally in the wetter site or through water supplementation in drier sites, seedling performance improved at higher light. In contrast, when water was limiting at the drier sites, seedling performance was reduced at higher light, presumably due to an increase in water stress that affected mostly wet-distribution species. Although wetter forest understories were on average darker, wet-distribution species were not more shade-tolerant than dry-distribution species. Instead, wet-distribution species had higher absolute growth rates and, when water was not limiting, were better able to take advantage of small increases in light than dry-distribution species. Our results suggest that in wet forests the ability to grow fast during temporary increases in light may be a key trait for successful recruitment. The slower growth rates of the dry-distribution species, possibly due to trade-offs associated with greater drought tolerance, may exclude these species from wetter forests