Improved energy confinement with nonlinear isotope effects in magnetically confined plasmas
磁约束等离子体中核聚变的有效发电依赖于对热能的良好约束。三十多年来，这种约束取决于等离子体同位素的质量及其与明显无关的等离子体条件的相互作用的观察结果在很大程度上仍然无法解释，它已成为未解决的主要问题之一。通过基于回旋动力学理论的数值研究，我们定量地显示了等离子体微湍流如何依赖于同位素质量通过非线性多尺度微湍流效应，包括纬向流，电磁效应和所施加的扭矩之间的相互作用。这一发现对未来反应堆的设计具有至关重要的影响，因为尽管它们将由多个离子种类组成，但它们从当今实验中推断出来的结果在很大程度上依赖于从基于单同位素等离子体的长期实验传统中获得的知识。
2016-06-06 physics.plasm-ph
Prospects for a dominantly microwave-diagnosed magnetically confined fusion reactor
与目前的实验相比，托卡马克和仿星器反应堆将承受更高的热负荷、溅射、侵蚀和随后的涂层、氚滞留、更高的中子通量和一些辐射效应。此外，中性束在托卡马克反应堆中的穿透将仅限于等离子体边缘。因此，对今天等离子体的几种光学、基于束的和磁诊断可能不适用于明天的反应堆，但目前的讨论表明，反应堆可以在很大程度上依赖于微波诊断，包括基于模式转换和集体汤姆森散射的技术。
2017-01-11 physics.plasm-ph
Available energy of magnetically confined plasmas
在磁约束的背景下讨论了无碰撞等离子体的可用能量的概念。可用能量量化了有多少等离子体能量可以转换为波动（包括非线性波动），因此是等离子体稳定性的度量，可以用于推导线性和非线性稳定性标准，而无需求解特征值问题。在磁约束等离子体中，可用能量由密度和温度分布以及磁几何形状决定。它还取决于什么约束限制了等离子体运动的可能形式，例如绝热不变量守恒和输运是双极的要求。基于拉格朗日乘子的一般方法的设计，将这些约束的计算中的可用能量，并讨论了几个特殊的情况。特别是，它表明，它是不可能的限制在麦克斯韦基态相对于扰动的频率超过离子反弹频率的等离子体。
2020-01-08 physics.plasm-ph
On the Turbulent Behavior of a Magnetically Confined Plasma Near the X-Point
本文建立了托卡马克装置X点附近的湍流模型，在适当的假设下，得到了电场势涨落的封闭方程。分析和数值分析的重点是减少二维制定的动态，它允许直接映射到不可压缩的纳维-斯托克斯方程。本研究的主要优点是概述了X点附近的湍流，对应于典型的操作条件的中型和大型托卡马克，是由涡度拟能级联从大到小的空间尺度占主导地位。
2022-05-05 physics.plasm-ph
Exact solutions of the Grad-Shafranov equation via similarity reduction and applications to magnetically confined plasmas
我们推导出精确解的线性形式的梯度-Shafranov（GS）方程，包括不可压缩的平衡流，使用ansatz为基础的相似性降低方法。平衡方程的线性允许线性组合的解决方案，以获得轴对称MHD平衡与封闭和嵌套的磁表面，这是有利于实验室等离子体的有效约束。此外，采用相同的约化方法，我们获得了几个非线性形式的GS方程的解析解。在这方面的分析力免费的解决方案，在线性和非线性制度也来自。
2016-08-30 physics.plasm-ph
Magnetic compressibility and ion-temperature-gradient-driven microinstabilities in magnetically confined plasmas
发展了磁约束环形等离子体中强驱动离子温度梯度（ITG）不稳定性的电磁理论。确定了稳定和不稳定效应，并针对与沿磁场的坐标无关的磁平衡计算了稳定模式环形分支的临界$β_{e}$（电子与磁压之比）。它的标度是$β_{e}\sim L_{Te}/R,$，其中$L_{Te}$是特征电子温度梯度长度，$R$是环面的大半径。我们推测，一个快速粒子人口可以导致类似的稳定，由于其平衡压力梯度的贡献。对于剪切平衡，给出了静电模电磁修正的边际稳定性边界。对于一般的磁平衡，我们发现了一个临界长度（电磁稳定）的程度，不利的曲率沿磁场。这是局部磁剪切的递减函数。
2015-02-20 physics.plasm-ph
Magnetically confined charged particles: From steep density profiles to the breaking of the adiabatic invariant
Aix Marseille Univ, Université de Toulon, CNRS, CPT（艾克斯-马赛大学，土伦大学，法国国家科学研究中心，理论物理中心）；CEA, IRFM（法国原子能和替代能源委员会，核聚变国际研究设施）
本研究探讨了磁约束等离子体中粒子轨迹稳定性及临界不变量破坏的机制，揭示了燃烧等离子体中高能粒子混沌动力学对回旋动能学建模基础的影响。
2025-12-22 physics.plasm-ph
On the accuracy of the binary-collision algorithm in particle-in-cell simulations of magnetically confined fusion plasmas
理想情况下，二进制碰撞算法保存动能和能量。实际上，碰撞单元的有限尺寸和粒子位置的有限差异影响守恒性质。在目前的工作中，我们数值研究如何影响这些算法的准确性时，碰撞细胞的大小是大的背景等离子体的梯度尺度长度相比，一个参数必不可少的全F融合等离子体模拟。此外，我们讨论了漂移动力学公式中的守恒量波动时，磁场和电场的影响：我们建议如何的算法的准确性可能会提高微小的修改。
2021-04-19 physics.plasm-ph
Anisotropic Inverse Cascade toward Zonal Flow in Magnetically Confined Plasmas
我们提出了一种新的机制，磁约束等离子体中产生的带状流，补充以前的理论的基础上调制不稳定性。我们推导出一个新的守恒定律，在弱非线性动力学制度，并表明它有助于集中到纬向流的湍流漂移波能量的逆级联。在不稳定性计算中通常假设的动力学尺度分离的情况下，这种机制继续运作。
2011-06-14 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Distributed chaos and solitons at the edges of magnetically confined plasmas
利用不同磁聚变约束装置（托卡马克和仿星器）等离子体边缘离子饱和电流的测量结果表明，边缘等离子体动力学在低磁场下由平移对称性自发破缺的分布混沌控制，在高磁场下由螺旋孤子自发破缺的反射对称性控制。
2016-04-04 nlin.CD physics.plasm-ph
Conceptual design of Thomson scattering system with high wavelength resolution in magnetically confined plasmas for electron phase-space measurements
National Institute for Fusion Science（国立研究开发法人核融合科学研究所）；Division of Quantum Science and Engineering, Graduate School of Engineering, Hokkaido University（北海道大学工学研究科量子科学与工程专攻）；The Graduate University for Advanced Studies (SOKENDAI)（综合研究大学院大学）；Graduate School of Science, Nagoya University（名古屋大学理学研究科）
本研究提出了一种高波长分辨率的托马斯散射系统，用于磁约束等离子体中测量电子速度分布函数形状，通过模拟和贝叶斯推断验证了其有效性。
2025-12-20 physics.plasm-ph
Magnetically assisted self-injection and radiation generation for plasma based acceleration
通过解析模型和数值模拟表明，外加磁场可以降低等离子体加速器的自陷阈值。此外，可以通过适当选择外部磁场的空间分布来选择发生自陷的横向位置。我们还发现，磁场辅助的自注入可以导致发射的电子感应加速器辐射在明确定义的频率。这种受控注入技术可以在当前/下一代等离子体/激光尾场加速器实验中使用最先进的磁场进行探索。
2012-10-06 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Automated Outlier-Robust Bayesian Profile Fitting for Magnetically Confined Plasmas with Modified Tanh Profiles and Good-and-Bad Gaussian Mixture Likelihoods
Korea Institute of Fusion Energy（韩国聚变能源研究所）；University of Science and Technology（科学技术大学）；Max-Planck-Institut für Plasmaphysik（马克斯·普朗克等离子体物理研究所）
针对磁约束等离子体自动动力学分布拟合问题，提出基于修正双曲正切分布和优劣高斯混合似然的离群值稳健贝叶斯方法，解决相关障碍，经KSTAR实验验证，为大规模动力学分布生成提供基础。
2026-07-17 physics.plasm-ph
Tilting Instability of Magnetically Confined Spheromaks
我们认为倾斜不稳定性的磁约束spheromak使用三维MHD和相对论PIC计算与应用天体物理等离子体，特别是那些发生在磁星磁层。这种不稳定性是由球马克的内禀磁偶极子与外部磁场的反向排列驱动的。最初，球标旋转-倾斜-试图降低其磁势能。结果，在球马克的内部磁场和约束场之间形成电流片。磁重联开始发生;这导致球标新反向排列的磁通量的湮灭。这发生在几个阿尔文时间尺度。在高阶（二阶）球斑的情况下，内核首先被推出包层，导致形成两个几乎独立的倾斜球斑。因此，磁性扭曲的外壳不能稳定内芯。在耗散过程中，扭转阿尔文波带走了初始球马克的螺旋度，违反了泰勒松弛定理的假设。在磁星的巨型耀斑的应用中，倾斜不稳定性的快速发展，以及高阶球斑的不稳定性，使得被捕获的球斑不太可能是持续数百秒的尾辐射的原因。
2020-07-09 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Calculating the linear critical gradient for the ion-temperature-gradient mode in magnetically confined plasmas
提出了一种计算线性陀螺动力学中离子温度梯度模式（ITG）起始临界温度梯度的第一性原理方法。我们发现，在托卡马克研究中以前调用的连接长度的传统概念，应修改和广义相关长度来解释仿星器的发病。简单的数值实验和gyrokinetic理论表明，本地化的“尖峰”剪切，仿星器几何的一个标志，一般不足以约束模式的平行相关长度。还观察到ITG模式，其在具有由峰值漂移曲率设定的临界梯度的不良漂移曲率井内局部化。一个案例研究的近螺旋形仿星器的增加场周期表明，临界梯度确实可以通过操纵磁几何控制，但强调需要一个一般的框架来评估临界梯度。我们的结论是，平均曲率和全球剪切设置的相关长度的共振ITG模式附近的绝对临界梯度，其中的物理是通过直接解决方案的gyrokinetic方程。我们的方法，处理一般的几何形状，比传统的gyrokinetic求解器更有效，可以应用到未来的仿星器ITG湍流优化研究。
2021-04-27 physics.plasm-ph
Intermittency and turbulence in a magnetically confined fusion plasma
本文研究了反向场箍缩等离子体中磁湍流的不稳定性。我们表明，磁场差异的概率分布函数不是尺度不变的，这是这些功能的翅膀更重要的是在最小的尺度，一个经典的签名的不稳定性。我们发现，标度律也出现在一个区域非常接近的限制设备的外壁，我们提出的证据表明，所观察到的不透明度增加移动到墙上。
2001-01-30 nlin.CD physics.data-an physics.flu-dyn
CARONTE: a Physics-Informed Extreme Learning Machine-Based Algorithm for Plasma Boundary Reconstruction in Magnetically Confined Fusion Devices
Università degli Studi di Napoli Federico II（那不勒斯费德里科二世大学）；Consorzio CREATE（CREATE Consortium）
CARONTE是一种基于物理信息的极端学习机算法，用于实时重建磁约束聚变装置中的等离子体边界，具有更高的泛化能力和鲁棒性。
2025-12-18 physics.plasm-ph
Annihilation-Gamma-based Diagnostic Techniques for Magnetically Confined Electron-Positron Pair Plasma
针对磁约束电子-正电子对等离子体常规诊断的挑战，提出基于湮灭$γ$辐射的诊断技术，利用空间相关性和符合计数实现体积源的层析重建及局部源的识别。
2023-06-29 physics.plasm-ph
A Unified theory of transport barriers (TBs) in magnetically confined systems
Institute for Fusion Studies, The University of Texas at Austin（德克萨斯大学奥斯汀分校聚变研究所）；Department of Mathematics, The University of Tokyo（东京大学数学系）；ExoFusion
本文提出一种热力学模型，研究磁约束系统中传输屏障的内边界温度确定及热流影响，发现当热流超过临界值时系统会发生分支并稳定在高梯度状态，但需满足边缘温度超过临界值才能实现转变。
2026-03-27 physics.plasm-ph
On the relevance of uncorrelated Lorentzian pulses for the interpretation of turbulence in the edge of magnetically confined toroidal plasmas
最近，有人提出，在线性等离子体装置中测量的湍流波动可以被描述为一个叠加的不相关的洛伦兹脉冲的持续时间的窄分布，这将提供一个解释的准指数功率谱的报告。在这里，我们研究的适用性，这一建议的边缘波动环形磁约束聚变等离子体。为了这个分析的目的，我们介绍了一种新的基于小波的脉冲检测技术，提供了比现有技术的重要优势。它允许从实验时间序列中提取单个脉冲的属性，并量化脉冲持续时间和能量的分布以及时间相关性。我们应用小波技术从W7-AS仿星器和JET托卡马克的边缘湍流起伏数据，并发现在数据中检测到的脉冲不具有窄的分布的持续时间和不相关。相反，分布的幂律类型，表现出时间的相关性尺度远长于典型的脉冲持续时间。这些结果表明，开放和封闭的磁力线系统中的湍流可能是不同的，并在这种情况下提出的普遍存在的指数功率谱的怀疑。
2012-08-03 physics.data-an physics.plasm-ph
The field line map approach for simulations of magnetically confined plasmas
在所提出的场线图方法中，托卡马克的模拟区域被一个圆柱形网格覆盖，该网格在极向平面内是笛卡尔的。标准的有限差分方法可用于离散垂直（w.r.t.~磁场线）操作者。通过在环形方向上的网格稀疏化，计算利用结构的特征凹槽模式属性$\left(k_{\parallel}\ll k_{\perp}\right)$。然后需要并行算子离散化之后的场线，这通过沿磁场线的有限差分来实现。这包括场线追踪和插值或积分。本文的主要重点是平行扩散算子的离散化。基于支撑算子方法，构造了一个仅具有很低数值垂直扩散的格式。该计划在新的代码GRILLIX中实现，并提出了广泛的基准测试，表明该方法的有效性，特别是在一般和GRILLIX。该方法的主要优点是它不依赖于场/通量对齐，这在分界线/X点上变得奇异。大多数托卡马克装置都是基于偏滤器的概念，因此分界线的数值处理对于边缘层和刮除层的模拟非常重要。
2015-05-08 physics.comp-ph physics.plasm-ph
The asymptotic quasi-stationary states of the two-dimensional magnetically confined plasma and of the planetary atmosphere
本文导出了强束缚磁场中二维等离子体和行星大气的渐近准定态微分方程。这两个系统是相关的性质，有一个内在的恒定长度：拉莫尔半径和罗斯比半径和凝聚的涡场在未扰动状态有关的回旋回旋和科里奥利频率。虽然最接近的物理模型是Charney-Hasegawa-Mima（CHM）方程，但我们的模型更一般，并且与由一组离散的点状涡在平面内通过短程势相互作用组成的系统有关。一个场论的形式主义发展描述连续版本的这个系统。作用泛函可以写成Bogomolnyi形式（强调渐近状态的自对偶性），但最小能量不再是拓扑的，渐近结构似乎是非平稳的，这是与传统拓扑涡旋解的主要区别。这个场论的版本进行了讨论，我们发现赞成一个特定形式的方程的参数。我们评论的显着差异CHM流体/等离子体和欧拉流体和Abelian-Higgs涡模型。
2007-11-21 physics.ao-ph physics.plasm-ph
Modeling of Particle Transport, Neutrals and Radiation in Magnetically-Confined Plasmas with Aurora
我们提出极光，一个开源包粒子输运，中性粒子和辐射建模在磁约束聚变等离子体。Aurora的现代化多语言界面可以在高性能计算框架内模拟1.5D杂质输运，特别是用于推断粒子输运系数。一个用户友好的Python库允许与原子数据和原子结构数据库以及其他来源的原子速率进行简单的交互。这使得一系列的辐射预测，无论是功率平衡和光谱分析。我们在这里讨论的superstaging近似复杂的离子，作为一种方式来分组电荷状态和降低计算成本，展示其广泛的适用性内的极光前向模型和超越。Aurora还促进了中性粒子分析，无论是从实验光谱数据还是其他模拟代码。利用极光的能力，接口SOLPS-ITER的结果，我们证明，电荷交换是不太可能影响的总辐射功率从ITER核心在高性能操作。最后，我们描述了ImpRad模块的OMFIT框架，开发，使实验分析和运输推断多个设备上使用极光。
2021-07-07 physics.app-ph physics.comp-ph physics.data-an
Formation of Episodic Magnetically Driven Radiatively Cooled Plasma Jets in the Laboratory
我们报告的实验中，磁驱动的辐射冷却等离子体射流产生的1 MA，250纳秒的电流脉冲的MAGPIE脉冲功率设施。这些射流是由环形磁场的压力驱动的，呈“磁塔”状。这种情况的特点是形成一个磁准直等离子体射流的轴上的磁“气泡”，由周围介质的限制。使用的径向金属箔，而不是在我们以前的工作中采用的径向线阵列允许产生的情节磁塔流出，出现周期性的时间尺度为~30 ns。随后的磁泡以约300 km/s的速度传播，并与先前的喷发相互作用，导致形成冲击。
2009-04-01 astro-ph.SR physics.plasm-ph
The JOREK non-linear extended MHD code and applications to large-scale instabilities and their control in magnetically confined fusion plasmas
JOREK是一个大规模并行的全隐式非线性扩展MHD程序，用于真实的托卡马克X点等离子体。它已成为国际上广泛使用的研究大尺度等离子体不稳定性及其控制的通用程序。本文给出了一个全面的概述实现的物理模型，数值方法应用于求解方程和物理研究与代码。一个专门的部分强调了为代码所做的一些验证工作。不同的物理模型的层次结构是可用的，包括一个自由边界和电阻壁扩展和混合动力学流体模型。该代码允许通量表面对齐等参有限元网格在单和双X点等离子体，可以扩展到真正的物理壁，并使用一个强大的全隐式时间步进。特别关注的是奠定了等离子体边缘和刮削层（SOL）的物理以及中断相关的现象。在JOREK获得的关于等离子体边缘和SOL的关键结果中，对边缘局域模（ELMs）、ELM周期和ELM控制的动态有了深刻的了解，这些动态是通过共振磁扰动、弹丸注入以及垂直磁反冲实现的。此外ELM自由制度，脱离物理，在ELM过程中的杂质的产生和运输，以及在基座区域的静电湍流进行了研究。关于中断，重点是由大量气体注入（MGI）和破碎弹丸注入（SPI），逃逸电子（RE）动力学以及RE与MHD模式的相互作用，和垂直位移事件（VDES）的热淬火和电流淬火触发的动力学。此外，种子和撕裂模式（TM）的抑制，自然发生的热猝灭的动力学锁定模式触发，和辐射崩溃正在研究中。
2021-04-21 physics.comp-ph physics.plasm-ph
