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Overview of Gyrokine.c Studies on Electromagne.c Turbulence P.W. Terry 1 , D. Carmody 1 , H. Doerk 2 , W. GuEenfelder 3 , D.R. Hatch 4 , C.C. Hegna 1 , A. Ishizawa 5 , F. Jenko 2,6 , W.M. Nevins 7 , I. Predebon 8 , M.J. Pueschel 1 , J.S. Sarff 1 , and G.G. Whelan 1 1 University of Wisconsin‐Madison 2 Max Planck Ins:tute for Plasma Physics, Garching, Germany 3 Princeton Plasma Physics Laboratory 4 Ins:tute for Fusion Studies, University of Texas at Aus:n 5 Na:onal Ins:tute for Fusion Science, Japan 6 University of California at Los Angeles 7 Lawrence Livermore Na:onal Laboratory 8 Conzorzio RFX, Padua, Italy OV/5‐1

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Page 1: Overview of Gyrokinec Studies on Electromagnec Turbulence...• Quasi‐linear collisionless form of χ e ~(ρ e /L Te) v th,e L c, in good agreement with experiment • Unstable for

Overview of Gyrokine.c Studies on Electromagne.c Turbulence 

P.W. Terry1, D. Carmody1, H. Doerk2, W. GuEenfelder3, D.R. Hatch4, C.C. Hegna1, A. Ishizawa5, F. Jenko 2,6, W.M. Nevins7, I. Predebon8,  

M.J. Pueschel1, J.S. Sarff1, and G.G. Whelan1  

1University of Wisconsin‐Madison 2Max Planck Ins:tute for Plasma Physics, Garching, Germany 3Princeton Plasma Physics Laboratory 4Ins:tute for Fusion Studies, University of Texas at Aus:n 5Na:onal Ins:tute for Fusion Science, Japan 6University of California at Los Angeles 7Lawrence Livermore Na:onal Laboratory 8Conzorzio RFX, Padua, Italy 

OV/5‐1  

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Recent Discoveries from Gyrokine.c Studies of Turbulence and Transport at Finite β 

This overview describes    • Discoveries concerning satura.on of microinstabili.es at finite β  

 –Effect of stable modes  –Effect of stable modes on magne.c fluctua.ons  –Modifica.ons of zonal flows  –Effect magne.c configura.ons with short magne.c field scale lengths 

   • Compara.ve modeling across different magne.c configura.ons  –Special focus: RFP <–> Tokamak 

   • Synthesis of satura.on understanding, modeling and theory allow us to    determine scaling behavior of cri.cal β values for confinement effects 

Key conclusions:    • Stable modes (nonlinearly excited) change satura.on, transport     • Short magne.c length scales push cri.cal β’s and gradients to higher values 

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Background 

Finite β opera.on is highly desirable for fusion   •Fusion reac.ons rates, bootstrap current benefit from high β  Finite β  affects confinement as shown in prior gyrokine.c studies   

OV/5‐1 

 •Various instabili.es arise  Kine.c ballooning mode (KBM)  Microtearing mode (MTM) 

•Overtake electrosta.c modes  Ion temperature gradient (ITG)  Trapped electron mode (TEM) 

•Finite β affects satura.on mechanisms  Zonal flows decrease more slowly    with β than ITG growth rate 

•Damped modes saturate ITG   What does finite β do to them?          

 Pueschel 2010 

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Outline 

         

OV/5‐1 

 Satura.on Studies 

 Tearing parity stable mode  Non zonal transi.on  KBM   

Modeling  MTM in NSTX  MTM in RFX  MTM in MST  TEM/ITG in MST 

 Scaling Analysis         

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Introduc.on:  Gyrokine.cs 

Gyrokine.cs: eliminate the fast gyrophase from the equa.ons of mo.on 

⇒ significant speed up  

 ⇒ gyrokine.c Vlasov,  

 field equa.ons 

OV/5‐1 

Capabili.es used:  

•Nonlinear gyrokine.c equa.ons 

•Radially local simula.ons 

•δf approach 

•Mul.ple geometries and equilibria 

•Electromagne.c, binary collisions 

•Codes: GENE, GYRO, GS2, GKV 

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Satura.on at Finite β Modeling 

Scaling Analysis 

Nonlinearity excites damped modes in unstable k‐space range OV/5‐1 

k k!

k-k!

k!

kx

ky Unstable mode

Stable mode 1

Stable mode 2

Stable mode 3

Stable mode 4

k!

k!

k!

Tearing Parity Stable Modes Non Zonal Transi.on Kine.c Ballooning Mode 

Energy transfer:  • High k modes (tradi.onal cascade)          • Damped modes at same k 

 Damped modes: • Thousands excited 

         • Significant sink for satura.on  

In CBC ITG turbulence: O(104) damped modes excited  

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kyρi = 0.2 

Makwana 2014 

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Satura.on at Finite β Modeling 

Scaling Analysis 

A significant subset of damped modes have tearing parity 

• Damped modes sample z, v|| 

• Unstable mode: ballooning parity 

• Damped modes: ballooning, tearing,    mixed pari.es 

Zonal flows catalyze transfer to tearing parity modes, leading to 

 • Stochas.c field at low β  • FluEer‐induced electron heat      transport 

OV/5‐1 

Tearing Parity Stable Modes Non Zonal Transi.on Kine.c Ballooning Mode  OV/5‐1 

 

Hatch 2012, 2013 

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Satura.on at Finite β Modeling 

Scaling Analysis 

Tearing parity modes: outward magne.c fluctua.on‐induced electron heat flux 

  Unstable (ITG) mode: inward flux (low k) 

  Tearing parity modes: outward flux at     lowest k’s and high k   

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Tearing Parity Stable Modes Non Zonal Transi.on Kine.c Ballooning Mode 

Away from kyρs = 0.2, flux not aEributable  to unstable mode 

Not captured by quasilinear theory  

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Hatch 2013 

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Satura.on at Finite β Modeling 

Scaling Analysis Above a cri.cal β zonal flows are disabled and transport ‘runs away’ to high values 

   • Very large fluxes 

   •    ~ 0.9%  Cyclone base case  Zonal flows are disabled through magne.c field stochas.city 

   •Allows charge to stream        from flux surfaces    •Confirmed by residual       flow calcula.on     

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Tearing Parity Stable Modes Non Zonal Transi.on Kine.c Ballooning Mode 

!

"critNZT

OV/5‐1  

Pueschel 2013, Terry 2013 

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Satura.on at Finite β Modeling 

Scaling Analysis 

     set by a form of overlap criterion •When  

 •   is radial displacement of perturbed  field  <Bx>  in ½ poloidal turn  •λBxx  is radial correla.on length 

 •    depends on gradients through <Bx>  =>    increases with weaker gradients    

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Tearing Parity Stable Modes Non Zonal Transi.on Kine.c Ballooning Mode 

!

"critNZT

!

"critNZT

!

"critNZT

"critKBM #

1$T %$T ,crit( )& / 2 (0.5 < & < 1)

!r1/2 " !Bxx!r1/2

!r1/2

!T =!T!r

R0Twhere 

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Pueschel 2013 

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Satura.on at Finite β Modeling 

Scaling Analysis 

In absence of zonal flows (high β) kine.c ballooning mode saturates by developing par.cular structures 

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Tearing Parity Stable Modes Non Zonal Transi.on Kine.c Ballooning Mode 

ITG  %2.0=β

φ

 Radial direc.on

Linear 

Nonlinear 

KBM (Tokamak)   KBM (Helical)   %7.1=β.%2=β

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Ishizawa 2013 

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Satura.on at Finite β Modeling 

Scaling Analysis  OV/5‐1 

Tearing Parity Stable Modes Non Zonal Transi.on Kine.c Ballooning Mode 

• Tokamak: twisted modes along the field line saturate KBM  • LHD: most unstable KBM has finite radial wavenumber, kr   =>  Satura.on caused by nonlinear interac.ons between oppositely inclined finite kr modes

KBM (beta=1.7%) regulated by oppositely inclined modes

ITG (beta=0.2%) regulated by zonal flows

KBM (beta=1.7%) regulated by oppositely inclined modes

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Satura.on at Finite β Modeling 

Scaling Analysis  OV/5‐1 

Tearing Parity Stable Modes Non Zonal Transi.on Kine.c Ballooning Mode 

 ITG

Transport at finite‐beta

•  Zonal flow of KBM turbulence is much weaker than that of ITG turbulence 

•  KBM turbulence is less effec.ve in driving transport than ITG turbulence 

 

Zonal flow

220 /5 niTiii LvTnQ ρ=

220 /3 niTiii LvTnQ ρ= KBM

Ishizawa 2014 , IAEA‐FEC TH/P6-40

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Satura.on at Finite β Modeling 

Scaling Analysis  OV/5‐1 

NSTX RFX‐mod MST 

• Transport from magnetic “flutter” χe,em~v||,eδBr

• Unclear what sets overall saturation and scaling of δBr

•Threshold in ∇Te, or βe •γ and χe depend on νe (.me‐dependent thermal force) • χe~νe consistent with global confinement trends ΩτE~ν*‐1 

NSTX: MTM drives large χe  (high β , high ν)

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GuEenfelder 2013 

Gyrokine.c simula.on:  MTM in standard tokamaks (Doerk 2011)  

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Satura.on at Finite β Modeling 

Scaling Analysis  OV/5‐1 

NSTX RFX‐mod MST 

•  MTM: most unstable mode in transport barriers of helical states (QHS)  •  Quasi‐linear collisionless form of  χe~(ρe/LTe) vth,eLc, in good agreement with experiment 

•  Unstable for a/LTe~2.5 – 3 for typical values of β  

MTM in the RFP is sensi.ve to grad‐B/curvature drixs in ωd.    Collisionless MTMs exist, even neglec.ng trapped electron dynamics.  Retaining δφ  is always destabilizing.    

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Predebon 2013 

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Satura.on at Finite β Modeling 

Scaling Analysis MTM is unstable in standard MST discharges at low θ  Study with toroidal Bessel func.on equilibrium Thresholds:  

Finite growth rate as collisionality ‐> 0 Requires weak to moderate shear Theory: 

Start with DKE, take high freq. fluid limit  Instability as ν ‐> 0 if φ ≠ 0  Enabled by  ωDe  (ωDe in RFP is larger than tokamak value by R/a) 

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NSTX RFX‐mod MST  OV/5‐1 

 

(low θ => low magne.c shear) β = few % a/LTe = 3 ‐ 4 

Carmody 2013 

s = !0.4

s = !0.7

s = !1.3

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Satura.on at Finite β Modeling 

Scaling Analysis MST enhanced‐confinement discharges show surprising absence of electrosta.c turbulence    Gyrokine.c modeling (fiyng experimental equilibrium): TEM/ITG 

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NSTX RFX‐mod MST  OV/5‐1 

 

Flat current profile (reduce global tearing) High θ  (high shear) Instability in outer region (β  small)  

• Density gradient driven TEM (frequency in electron direc.on) • At β ~ 1 – 2%, discharge is below cri.cal β for MTM, NZT, etc. 

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Satura.on at Finite β Modeling 

Scaling Analysis 

Saturated turbulence:   Large zonal flows  Large Dimits shix  Transport rates: weaker than experiment by x10 

Mock up tearing mode ac.vity using external magne.c perturba.on at experimental level 

   •Weaker zonal flow    •Lower Dimits shix – close to exp. gradient    • χe at experimental level 

Key issue:  Despite rela.vely high β, RPF is below cri.cal β for   electromagne.c effects  Why?     

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NSTX RFX‐mod MST  OV/5‐1 

 

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Satura.on at Finite β Modeling 

Scaling Analysis 

RFP equilibrium has smaller length scales than standard tokamak      Smaller equilibrium scales generally push instability thresholds to higher values Gyrokine.cs:           (for both electrosta.c and electromagne.c) 

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Preliminaries Cri.cal Thresholds   OV/5‐1 

 

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1LcritRFP

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Lcrittok

ITG  TEM  MTM 

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Satura.on at Finite β Modeling 

Scaling Analysis In RFP all β thresholds for electromagne.c effects pushed to much higher values Primary causes: 

 Shorter magne.c shear scale lengths:  Smaller q 

 ITG stabiliza.on  NZT   KBM  

Larger shear, smaller q push electromagne.c effects to higher β Higher cri.cal gradients allow steeper gradients in experiment 

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Preliminaries Cri.cal thresholds   OV/5‐1 

 

LSTokLSRFP

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*

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>> !critTokKBM

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Conclusions 

Microturbulence at finite β subject to new effects   •Stable tearing parity fluctua.ons excited by ITG => electron heat transport   •Magne.c fluctua.ons can disable zonal flows => much higher transport   •New instabili.es arise (microtearing, kine.c ballooning mode)   •Shorter magne.c scale lengths push these effects to higher gradients, beta  Satura.on of microturbulence at finite β involves complex feedback loops, especially with zonal flows and magne.c fluctua.ons (both stable and unstable)  Have demonstrated:   •How interplay between instability, nonlinearly excited stable modes, zonal flows affects      satura.on and transport    (varia.on of β changes balances to reveal physics)   •Magne.c field scales push cri.cal gradients and β to higher values 

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