Spherical tokamaks have relatively low toroidal field which means that the fast-ion Larmor radius is relatively large fi>0.04 ap) and the fast ion velocity is much greater than the Alfvén speed (Vfi>2 VAlfvén). This regime of large Larmor radius and low Alfvén speed is a regime in which fast ion driven instabilities are potentially virulent. It is therefore an important goal of the present proof-of-principle spherical tokamaks to evaluate the role of fast ion driven instabilities in fast ion confinement. This paper presents the first observations of fast ion losses in a spherical tokamak resulting from energetic particle driven modes. Two classes of instabilities are responsible for the losses. Multiple, simultaneously bursting modes in the toroidal Alfvén eigenmode frequency gap cause neutron drops of up to 15%. A bursting, chirping mode identified as precession and/or bounce resonance fishbone also causes significant neutron drops. Both modes are usually present when the losses are observed.

1.
K. M.
McGuire
,
R.
Goldston
,
M.
Bell
et al.,
Phys. Rev. Lett.
50
,
891
(
1983
).
2.
R. B.
White
,
R. J.
Goldston
,
K. M.
McGuire
et al.,
Phys. Fluids
26
,
2958
(
1983
).
3.
L.
Chen
,
R. B.
White
, and
M. N.
Rosenbluth
,
Phys. Rev. Lett.
52
,
1122
(
1984
).
4.
W. W.
Heidbrink
,
K.
Bol
,
D.
Buchenauer
,
R.
Fonck
,
G.
Gammel
,
K.
Ida
,
R.
Kaita
,
S.
Kaye
,
H.
Kugel
,
B.
LeBlanc
,
W.
Morris
,
M.
Okabayashi
,
E.
Powell
,
S.
Sesnic
, and
H.
Takahashi
,
Phys. Rev. Lett.
57
,
835
(
1986
).
5.
C. Z.
Cheng
and
M. S.
Chance
,
Phys. Fluids
29
,
3695
(
1986
).
6.
K. L.
Wong
,
R. J.
Fonk
,
S. F.
Paul
et al.,
Phys. Rev. Lett.
66
,
1874
(
1991
).
7.
J. R. Wilson, M. G. Bell, H. Biglari, M. Bitter, N. L. Bretz et al., Proceedings of the 14th International Conference On Plasma Physics and Controlled Nuclear Fusion Research (IAEA, Vienna, 1992), Vol. I, p. 661.
8.
K. L.
Wong
,
Plasma Phys. Controlled Fusion
41
,
PR1
(
1999
).
9.
D. S.
Darrow
,
S. J.
Zweben
,
Z.
Chang
,
C. Z.
Cheng
,
M. D.
Diesso
,
E. D.
Fredrickson
,
E.
Mazzucato
,
R.
Nazikian
,
C. K.
Phillips
,
S.
Popovichev
,
M. H.
Redi
,
R. B.
White
,
J. R.
Wilson
, and
K. L.
Wong
,
Nucl. Fusion
37
,
939
(
1997
).
10.
S. J.
Zweben
,
R. V.
Budny
,
D. S.
Darrow
,
S. S.
Medley
,
R.
Nazikian
,
B. C.
Stratton
,
E. J.
Synakowski
, and
G.
Taylor
,
Nucl. Fusion
40
,
91
(
2000
).
11.
R. B.
White
,
E.
Fredrickson
,
D.
Darrow
,
M.
Zarnstorff
,
R.
Wilson
,
S.
Zweben
,
K.
Hill
,
Y.
Chen
, and
G.
Fu
,
Phys. Plasmas
2
,
2871
(
1995
).
12.
W. W.
Heidbrink
,
E. J.
Strait
,
E.
Doyle
,
G.
Sager
, and
R. T.
Snider
,
Nucl. Fusion
31
,
1635
(
1991
).
13.
H. H.
Duong
,
W. W.
Heidbrink
,
E. J.
Strait
,
T. W.
Petrie
,
R.
Lee
,
R. A.
Moyer
, and
J. G.
Watkins
,
Nucl. Fusion
33
,
749
(
1993
).
14.
H. H.
Duong
and
W. W.
Heidbrink
,
Nucl. Fusion
33
,
211
(
1993
).
15.
E. J.
Strait
,
W. W.
Heidbrink
,
A. D.
Turnbull
,
M. S.
Chu
, and
H. H.
Duong
,
Nucl. Fusion
33
,
1849
(
1993
).
16.
W. W.
Heidbrink
,
H. H.
Duong
,
J.
Manson
,
E.
Wilfrid
, and
C.
Oberman
,
Phys. Fluids B
5
,
2176
(
1993
).
17.
M.
Saigusa
,
H.
Kimura
,
S.
Moriyama
,
Y.
Neyatani
,
T.
Fujii
,
Y.
Koide
,
T.
Kondoh
,
M.
Sato
,
M.
Nemoto
,
Y.
Kamada
, and
JT-60 team
,
Plasma Phys. Controlled Fusion
37
,
295
(
1995
).
18.
H.
Kimura
,
M.
Saigusa
,
S.
Moriyama
,
T.
Kondoh
,
Y.
Neyatani
,
T.
Ozeki
,
T.
Nishitani
,
Y.
Kusama
,
T.
Fujii
,
M.
Sato
,
M.
Nemoto
,
K.
Tobita
, and
C. Z.
Cheng
,
Phys. Lett. A
199
,
86
(
1995
).
19.
M.
Saigusa
,
H.
Kimura
,
Y.
Kusama
,
G. J.
Kramer
,
T.
Ozeki
,
S.
Moriyama
,
T.
Oikawa
,
Y.
Neyetani
, and
T.
Kondoh
,
Plasma Phys. Controlled Fusion
40
,
1647
(
1998
).
20.
G.
Kremer
,
M.
Iwase
,
Y.
Kusama
et al.,
Nucl. Fusion
40
,
1383
(
2000
).
21.
K.
Tobita
,
Y.
Kusama
,
K.
Shinohara
et al.,
Fusion Sci. Technol.
42
,
315
(
2002
).
22.
S.
Ali-Arshad
and
D. J.
Campbell
,
Plasma Phys. Controlled Fusion
37
,
715
(
1995
).
23.
A.
Fasoli
,
D.
Borba
,
G.
Bosia
,
D. J.
Campbell
,
J. A.
Dobbing
,
C.
Gormezano
,
J.
Jacquinot
,
P.
Lavanchy
,
J. B.
Lister
,
P.
Marmillod
,
J. M.
Moret
,
A.
Santagiustina
, and
S.
Sharapov
,
Phys. Rev. Lett.
75
,
645
(
1995
).
24.
A.
Fasoli
,
D.
Borba
,
C.
Gormezano
,
R.
Heeter
,
A.
Jaun
,
J.
Jacquinot
,
W.
Kerner
,
Q.
King
,
J. B.
Lister
,
S.
Sharapov
,
D.
Start
, and
L.
Villard
,
Plasma Phys. Controlled Fusion
39
,
287
(
1997
).
25.
A.
Fasoli
,
J. A.
Dobbing
,
C.
Gormezano
,
J.
Jacquinot
,
J. B.
Lister
,
S. E.
Sharapov
, and
A.
Sibley
,
Nucl. Fusion
36
,
258
(
1996
).
26.
C. Z.
Cheng
,
N. N.
Gorelenkov
, and
C. T.
Hsu
,
Nucl. Fusion
35
,
1639
(
1995
).
27.
F.
Zonca
and
L.
Chen
,
Phys. Plasmas
3
,
323
(
1996
).
28.
E. D.
Fredrickson
,
M. G.
Bell
,
R.
Budny
,
Z.
Chang
,
C. Z.
Cheng
,
G. Y.
Fu
,
E.
Mazzucato
,
R.
Nazikian
,
A. T.
Janos
,
K. M.
McGuire
,
R.
Majeski
,
C. K.
Phillips
,
G.
Schilling
,
G.
Taylor
, and
J. R.
Wilson
,
Nucl. Fusion
35
,
1457
(
1995
).
29.
S.
Bernabei
,
M. G.
Bell
,
R. V.
Budny
,
E. D.
Fredrickson
,
N. N.
Gorelenkov
,
J. C.
Hosea
,
R.
Majeski
,
E.
Mazzucato
,
C. K.
Phillips
,
G.
Schilling
, and
J. R.
Wilson
,
Phys. Rev. Lett.
84
,
1212
(
2000
).
30.
S.
Bernabei
,
R. V.
Budny
,
E. D.
Fredrickson
et al.,
Nucl. Fusion
41
,
513
(
2001
).
31.
S.
Bernabei
,
M. G.
Bell
,
R.
Budny
,
D.
Darrow
,
E. D.
Fredrickson
,
N.
Gorelenkov
,
J. C.
Hosea
,
R.
Majeski
,
E.
Mazzucato
,
R.
Nazikian
,
C. K.
Phillips
,
J. H.
Rogers
,
G.
Schilling
,
R.
White
,
J. R.
Wilson
,
F.
Zonca
, and
S.
Zweben
,
Phys. Plasmas
6
,
1880
(
1999
).
32.
M.
Ono
,
S. M.
Kaye
,
Y.-K. M.
Peng
et al.,
Nucl. Fusion
40
,
557
(
2000
).
33.
E. D. Fredrickson, N. Gorelenkov, C. Z. Cheng, R. Bell, D. Darrow, D. Johnson, S. Kaye, B. LeBlanc, J. Menard, S. Kubota, and W. Peebles, Proceedings of 28th EPS Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics, Funchal, 2001, ECA Vol. 25A, p. 1001.
34.
E. D. Fredrickson, C. Z. Cheng, L. Chen, D. Darrow, N. N. Gorelenkov, D. Johnson, S. Kaye, S. Kubota, J. Menard, and R. B. White, Proceedings of 29th EPS Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics, Montreau, 2002 (European Physical Society, Geneva, 2002), ECA Vol. 26B, P-1.104.
35.
E. D.
Fredrickson
,
N.
Gorelenkov
,
C. Z.
Cheng
,
R.
Bell
,
D.
Darrow
,
D.
Johnson
,
S.
Kaye
,
B.
LeBlanc
,
J.
Menard
,
S.
Kubota
, and
W.
Peebles
,
Phys. Rev. Lett.
87
,
145001
(
2001
).
36.
E. D.
Fredrickson
,
N. N.
Gorelenkov
,
C. Z.
Cheng
,
R.
Bell
,
D.
Darrow
,
D.
Gates
,
D.
Johnson
,
S.
Kaye
,
B.
LeBlanc
,
D.
McCune
,
J.
Menard
,
S.
Kubota
, and
W.
Peebles
,
Phys. Plasmas
9
,
2069
(
2002
).
37.
S. C. Jardin, C. E. Kessel, J. Menard, T. K. Mau, R. Miller, F. Najmabadi, V. Chan, L. Lao, Y. R. Linliu, R. L. Miller, T. Petrie, P. Politzer, and A. D. Turnbull, “Physics bias for a spherical torus power plant,” Fusion Eng. Des. (to be published).
38.
R.
Kaita
,
R. B.
White
,
A. W.
Morris
,
E. D.
Fredrickson
,
K. M.
McGuire
,
S. S.
Medley
,
T. J.
Murphy
, and
S. D.
Scott
,
Phys. Fluids B
2
,
1584
(
1990
).
39.
M. F. F.
Nave
,
D. J.
Campbell
,
E.
Joffrin
,
F. B.
Marcus
,
G.
Sadler
,
P.
Smeulders
, and
K.
Thomsen
,
Nucl. Fusion
31
,
697
(
1991
).
40.
W. W.
Heidbrink
,
Plasma Phys. Controlled Fusion
37
,
937
(
1995
).
41.
W. W.
Heidbrink
,
E. M.
Carolipio
,
R. A.
James
, and
E. J.
Strait
,
Nucl. Fusion
35
,
1481
(
1995
).
42.
K. G.
McClements
,
M. P.
Gryaznevich
,
S. E.
Sharapov
,
R. J.
Akers
,
L. C.
Appel
,
G. F.
Counsel
,
C. M.
Roach
, and
R.
Majeski
,
Plasma Phys. Controlled Fusion
41
,
661
(
1999
).
43.
E. D. Fredrickson, L. Chen, and R. B. White, “Bounce precession fishbones in the National Spherical Torus Experiment,” Nucl. Fusion (submitted).
44.
S. M.
Mahajan
and
D. W.
Ross
,
Phys. Fluids
26
,
2561
(
1983
).
45.
B.
Coppi
,
S.
Cowley
,
R.
Kulsrud
,
P.
Detragiache
, and
F.
Pegoraro
,
Phys. Fluids
29
,
4060
(
1986
).
46.
N. N.
Gorelenkov
and
C. Z.
Cheng
,
Nucl. Fusion
35
,
1743
(
1995
).
47.
N. N.
Gorelenkov
,
C. Z.
Cheng
,
E.
Fredrickson
,
E.
Belova
,
D.
Gates
,
S.
Kaye
,
G. J.
Kramer
,
R.
Nazikian
, and
R. B.
White
,
Nucl. Fusion
42
,
977
(
2002
).
48.
N. N. Gorelenkov, E. Fredrickson, E. Belova, C. Z. Cheng, D. Gates, S. Kaye, and R. B. White, in 19th IAEA Fusion Energy Conference, Lyon, France, 14–19 October 2002 (IAEA, Vienna), paper IAEA-CN-94/TH/7-1 Ra.
49.
N. N.
Gorelenkov
,
C. Z.
Cheng
,
G. Y.
Fu
,
S.
Kaye
,
R.
White
, and
M. V.
Gorelenkova
,
Phys. Plasmas
7
,
1433
(
2000
).
50.
L. L.
Lao
,
H.
St. John
,
R. D.
Stambaugh
,
A. G.
Kellman
, and
W. P.
Pfeiffer
,
Nucl. Fusion
25
,
1611
(
1985
).
51.
S. A.
Sabbagh
,
S. M.
Kaye
,
J. E.
Menard
et al.,
Nucl. Fusion
41
,
1601
(
2001
).
52.
J. D.
Strachan
,
B.
Grek
,
W.
Heidbrink
,
D.
Johnson
,
S. M.
Kaye
,
H. W.
Kugel
,
B.
LeBlanc
, and
K.
McGuire
,
Nucl. Fusion
25
,
863
(
1985
).
53.
D. S.
Darrow
,
R.
Bell
,
D. W.
Johnson
,
H.
Kugel
,
J. R.
Wilson
,
R. E.
Cecil
,
R.
Maingi
,
A.
Krasilnikov
, and
A.
Alekseyev
,
Rev. Sci. Instrum.
72
,
784
(
2001
).
54.
H. L.
Berk
,
B. N.
Breizman
,
J.
Fitzpatrick
,
M. S.
Pekker
,
H. V.
Wong
, and
K. L.
Wong
,
Phys. Plasmas
3
,
1827
(
1996
).
55.
R. E. Bell, B. P. LeBlanc, C. Bourdelle et al., Proceedings of 28th EPS Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics, Funchal, 2001 (European Physical Society, Geneva, 2001), ECA Vol. 25A, p. 1021.
56.
C. Z.
Cheng
,
Phys. Rep.
211
,
1
(
1992
).
57.
R. B.
White
and
M. S.
Chance
,
Phys. Fluids
27
,
2455
(
1984
).
58.
D.
Stutman
,
M.
Finkenthal
,
V.
Soukhanovskii
,
M. J.
May
,
H. W.
Moos
, and
R.
Kaita
,
Rev. Sci. Instrum.
70
,
572
(
1999
).
59.
S. Kaye, C. E. Bush, E. Fredrickson, B. LeBlanc, R. Maingi, and S. Sabbagh, “L-H mode transitions in the NSTX Spherical Torus: Experiment/theory comparisons,” Phys. Plasmas (submitted).
60.
S. S.
Medley
and
A. L.
Roquemore
,
Rev. Sci. Instrum.
69
,
2651
(
1998
).
61.
S. S.
Medley
,
R. E.
Bell
,
M. P.
Petrov
,
A. L.
Roquemore
, and
E. V.
Suvorkin
,
Rev. Sci. Instrum.
74
,
1892
(
2003
).
62.
D. S.
Darrow
,
S. J.
Zweben
,
Z.
Chang
,
C. Z.
Cheng
,
M. D.
Diesso
,
E. D.
Fredrickson
,
E.
Mazzucato
,
R.
Nazikian
,
C. K.
Phillips
,
S.
Popovichev
,
M. H.
Redi
,
R. B.
White
,
J. R.
Wilson
, and
K. L.
Wong
,
Nucl. Fusion
37
,
939
(
1997
).
This content is only available via PDF.
You do not currently have access to this content.