In this study, global gyrokinetic simulations of the toroidal impurity mode (tIM) turbulence are performed. A linear analysis shows that the tIM is an instability that occurs in the bad curvature region when the density gradients of bulk ions and impurities are in opposite directions. The tIM can be unstable even when the temperature profiles are flat. In the presence of temperature gradients, the tIM and toroidal ion temperature gradient (tITG) mode could coexist. For the small temperature gradient, the tIM is found to be dominant. The tIM turbulence drives the large inward impurity and outward ion particle transports. Furthermore, the inward ion heat flux driven by the tIM turbulence causes the ion temperature profile to be more peaked than the initial one. For the large temperature gradient, while such inward ion heat flux does not occur because of the dominant tITG mode, the large inward impurity and outward ion particle fluxes are still observed due to the subdominant tIM. These results indicate that the tIM plays an important role in turbulent heat and particle transport when impurities are injected.

1.
E. A.
Lazarus
,
J. D.
Bell
,
C. E.
Bush
,
A.
Carnevali
,
J. L.
Dunlap
,
P. H.
Edmonds
,
L. C.
Emerson
,
O. C.
Eldridge
,
W. L.
Gardner
,
H. C.
Howe
et al,
J. Nucl. Mater.
121
,
61
(
1984
).
2.
K. W.
Hill
,
S. D.
Scott
,
M.
Bell
,
R.
Budny
,
C. E.
Bush
,
R. E. H.
Clark
,
B.
Denne-Hinnov
,
D. R.
Ernst
,
G. W.
Hammett
,
D. R.
Mikkelsen
et al,
Phys. Plasmas
6
,
877
(
1999
).
3.
K. W.
Hill
,
M. G.
Bell
,
R. E.
Bell
,
R.
Budny
,
C. E.
Bush
,
D. R.
Ernst
,
G. W.
Hammett
,
D. R.
Mikkelsen
,
H. K.
Park
,
A. T.
Ramsey
et al,
Nucl. Fusion
39
,
1949
(
1999
).
4.
A. M.
Messiaen
,
J.
Ongena
,
U.
Samm
,
B.
Unterberg
,
G.
Van Wassenhove
,
F.
Durodie
,
R.
Jaspers
,
M. Z.
Tokaŕ
,
P. E.
Vandenplas
,
G.
Van Oost
et al,
Phys. Rev. Lett.
77
,
2487
(
1996
).
5.
J. A.
Boedo
,
J.
Ongena
,
R.
Sydora
,
D. S.
Gray
,
S.
Jachmich
,
R. W.
Conn
,
A.
Messiaen
, and
TEXTOR Team
,
Nucl. Fusion
40
,
209
(
2000
).
6.
G.
McKee
,
K.
Burrell
,
R.
Fonck
,
G.
Jackson
,
M.
Murakami
,
G.
Staebler
,
D.
Thomas
, and
P.
West
,
Phys. Rev. Lett.
84
,
1922
(
2000
).
7.
Z. W.
Wu
,
J. G.
Li
,
B. N.
Wan
,
H. Y.
Guo
,
X.
Gao
,
L. Q.
Hu
,
G. N.
Luo
,
X. Z.
Gong
,
J. S.
Hu
,
W.
Gao
et al,
J. Nucl. Mater.
438
,
S576
(
2013
).
8.
M.
Osakabe
,
H.
Takahashi
,
K.
Nagaoka
,
S.
Murakami
,
I.
Yamada
,
M.
Yoshinuma
,
K.
Ida
,
M.
Yokoyama
,
R.
Seki
,
H.
Lee
et al,
Plasma Phys. Controlled Fusion
56
,
095011
(
2014
).
9.
F.
Nespoli
,
S.
Masuzaki
,
K.
Tanaka
,
N.
Ashikawa
,
M.
Shoji
,
E. P.
Gilson
,
R.
Lunsford
,
T.
Oishi
,
K.
Ida
,
M.
Yoshinuma
et al,
Nat. Phys.
18
,
350
(
2022
).
10.
J. Q.
Dong
and
W.
Horton
,
Phys. Plasmas
2
,
3412
(
1995
).
11.
J.
Li
,
Z. X.
Wang
,
J. Q.
Dong
,
Y.
Shen
,
L. F.
Wang
,
M. K.
Han
, and
H. R.
Du
,
Nucl. Fusion
60
,
126038
(
2020
).
12.
K.
Kim
,
J. M.
Kwon
,
C. S.
Chang
,
J.
Seo
,
S.
Ku
, and
W.
Choe
,
Phys. Plasmas
24
,
062302
(
2017
).
13.
J.
Seo
,
H.
Jhang
, and
J. M.
Kwon
,
Phys. Plasmas
29
,
052502
(
2022
).
14.
B.
Coppi
,
H. P.
Furth
,
M. N.
Rosenbluth
, and
R. Z.
Sagdeev
,
Phys. Rev. Lett.
17
,
377
(
1966
).
15.
J. Q.
Dong
,
W.
Horton
, and
W.
Dorland
,
Phys. Plasmas
1
,
3635
(
1994
).
16.
M. K.
Han
,
W. L.
Zhong
,
J. Q.
Dong
,
Z. X.
Wang
,
X. L.
Zou
,
W.
Horton
,
Y.
Shen
,
A. P.
Sun
,
J. L.
Wang
,
J. M.
Gao
et al,
Nucl. Fusion
61
,
046010
(
2021
).
17.
Y. P.
Zhang
,
D.
Mazon
,
X. L.
Zou
,
W. L.
Zhong
,
J. M.
Gao
,
K.
Zhang
,
P.
Sun
,
C. F.
Dong
,
Z. Y.
Cui
,
Y.
Liu
et al,
Nucl. Fusion
58
,
046018
(
2018
).
18.
K.
Mukai
,
S.
Masuzaki
,
Y.
Hayashi
,
T.
Oishi
,
C.
Suzuki
,
M.
Kobayashi
,
T.
Tokuzawa
,
H.
Tanaka
,
K.
Tanaka
,
T.
Kinoshita
et al,
Nucl. Fusion
61
,
126018
(
2021
).
19.
K.
Ida
,
M.
Yoshinuma
,
M.
Osakabe
,
K.
Nagaoka
,
M.
Yokoyama
,
H.
Funaba
,
C.
Suzuki
,
T.
Ido
,
A.
Shimizu
,
I.
Murakami
et al,
Phys. Plasmas
16
,
056111
(
2009
).
20.
J.
Hong
,
S. H.
Lee
,
J.
Kim
,
C. R.
Seon
,
S. G.
Lee
,
G. Y.
Park
,
K. D.
Lee
,
S. S.
Henderson
,
H. Y.
Lee
,
J. S.
Park
et al,
Nucl. Fusion
55
,
063016
(
2015
).
21.
W. L.
Zhong
,
Y.
Shen
,
X. L.
Zou
,
J. M.
Gao
,
Z. B.
Shi
,
J. Q.
Dong
,
X. R.
Duan
,
M.
Xu
,
Z. Y.
Cui
,
Y. G.
Li
et al,
Phys. Rev. Lett.
117
,
045001
(
2016
).
22.
K.
Imadera
,
Y.
Kishimoto
,
K.
Obrejan
,
T.
Kobiki
, and
J. Q.
Li
, in
Proceedings of 25th IAEA Fusion Energy Conference
(
IAEA
,
2014
), p.
TH/P5-8
, http://www-naweb.iaea.org/napc/physics/FEC/FEC2014/fec2014-preprints/410_THP58.pdf.
23.
M.
Muto
,
K.
Imadera
, and
Y.
Kishimoto
,
Phys. Plasmas
28
,
082304
(
2021
).
24.
K.
Imadera
and
Y.
Kishimoto
,
Plasma Phys. Controlled Fusion
65
,
24003
(
2023
).
25.
J. M.
Kwon
,
L.
Qi
,
S.
Yi
, and
T. S.
Hahm
,
Comput. Phys. Commun.
215
,
81
(
2017
).
26.
Y.
Chen
,
J.
Cheng
, and
S. E.
Parker
,
Phys. Plasmas
30
,
014502
(
2023
).
27.
A. J.
Brizard
and
T. S.
Hahm
,
Rev. Mod. Phys.
79
,
421
(
2007
).
28.
X.
Garbet
,
Y.
Idomura
,
L.
Villard
, and
T. H.
Watanabe
,
Nucl. Fusion
50
,
043002
(
2010
).
29.
N.
Crouseilles
,
M.
Mehrenberger
, and
H.
Sellama
,
Commun. Comput. Phys.
8
,
484
(
2010
).
30.
Y.
Morinishi
,
T. S.
Lund
,
O. V.
Vasilyev
, and
P.
Moin
,
J. Comput. Phys.
143
,
90
(
1998
).
31.
J.
Zielinski
,
M.
Becoulet
,
A. I.
Smolyakov
,
X.
Garbet
,
G. T. A.
Huijsmans
,
P.
Beyer
, and
S.
Benkadda
,
Phys. Plasmas
27
,
072507
(
2020
).
32.
Y.
Idomura
,
K.
Obrejan
,
Y.
Asahi
, and
M.
Honda
,
Phys. Plasmas
28
,
012501
(
2021
).
33.
M.
Sakai
,
Y.
Sunada
,
T.
Imamura
, and
K.
Rinoie
,
Trans. Jpn. Soc. Aero. Space Sci.
58
,
100
(
2015
).
34.
E.
Kaiser
,
J. N.
Kutz
, and
S. L.
Brunton
,
Mach. Learn.: Sci. Technol.
2
,
035023
(
2021
).
35.
S. E.
Ahmed
,
P. H.
Dabaghian
,
O.
San
,
D. A.
Bistrian
, and
I. M.
Navon
,
Phys. Fluids
34
,
066603
(
2022
).
You do not currently have access to this content.