H-mode inhibition in negative triangularity tokamak reactor plasmas
高环模数不稳定性（$n$）气球模被认为是负三角形托卡马克平衡（$δ$）成形的主要梯度限制机制，当$δ\ll0$时，它阻止了进入强H模区。要了解这种机制如何外推到反应堆条件下，我们模型的无限$n$气球稳定性的内部配置文件和平衡形状的功能，使用的CHEASE和BALOO代码的组合。虽然观察到避免$2^\mathrm{nd}$对高$n$模式的稳定性所需的临界$δ$以复杂的方式取决于各种成形参数，包括平衡纵横比、伸长率和方形度，但具有负三角度的平衡被鲁棒地禁止进入$2^\mathrm{nd}$稳定性区域，从而提供了负三角度反应器应保持L模式样操作的预测。为了获得高$n$ $2^\mathrm{nd}$稳定性，整个不良曲率区域上的局部剪切必须足够负以克服低场侧的曲率不稳定。缩放的气球有限的基座高度提供作为等离子体参数的函数，以帮助未来的方案设计。
2022-04-26 physics.plasm-ph
Steady State versus Pulsed Tokamak Reactors
我们已经进行了详细的分析，比较稳态与脉冲托卡马克反应堆。动机如下。稳态电流驱动比预期的更困难-驱动安培需要太多的瓦特，这对功率平衡和经济性有负面影响。高温REBCO超导体的最新发展部分地补偿了这一点，高温REBCO超导体提供了更紧凑、更低成本的稳态和脉冲托卡马克反应堆的希望。重新感兴趣的是减少脉冲反应堆的尺寸，因为对于给定的所需脉冲尺寸，更高的场OH Transformers的可能性。我们的主要结论是，脉冲反应堆可能确实具有竞争力的稳态反应堆，这个问题应该重新审视更详细的工程水平的研究。
2020-08-24 physics.app-ph 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
Energy Balance Within Thermonuclear Reactors
热核反应堆为人类的未来带来了巨大的希望。在托卡马克和仿星器反应堆中，等离子体被扭曲的磁场限制。产生聚变能的反应堆自1978年普林斯顿大环托卡马克以来就已经存在，然而在迄今为止建造的所有反应堆中，等离子体的能量损失远远超过聚变能的产生。为了使热核电站运行，产生的聚变能量必须大大超过等离子体的能量损失。等离子体通过四个过程释放能量--中子辐射、韧致辐射、同步辐射和向壁的热传导。在氘氚反应堆中，聚变产生的能量有80%损失在中子辐射中，约4%~ 6%损失在韧致辐射和同步辐射中。对于氘- $^3$ He反应堆，聚变产生的能量有5%损失在中子辐射中，约50%~ 75%损失在韧致辐射和同步辐射中。提高反应堆工作温度可减少韧致辐射损失，增加同步辐射损失。传导的功率损失独立于或弱依赖于聚变功率产生。到目前为止，没有一个单一的理论或实验模型可以准确地预测传导功率损耗。对于小型托卡马克和仿星器，传导功率损失远远超过聚变产生的功率。对于尚未建造的大型和强大的热核反应堆，传导功率损失应远低于聚变产生的功率。
2021-12-21 physics.plasm-ph
Gyrokinetic Simulations for Spherical Tokamak Divertor Design
Princeton Plasma Physics Laboratory（普林斯顿等离子体物理实验室）；Institute for Fusion Studies, University of Texas at Austin（德克萨斯大学奥斯汀分校聚变研究所）
开发回旋动理学代码Gkeyll模拟球形托卡马克低再循环模式，证明无需锂偏滤器板即可实现高SOL温度和低SOL密度，并揭示动理学效应可降低偏滤器峰值热通量、限制杂质污染。
2026-05-21 physics.plasm-ph
Duqtools: Dynamic uncertainty quantification for Tokamak reactor simulations modelling
本研究开发了Python开源工作流工具duqtools，自动化聚变模拟设置流程，通过2000次等离子体模拟验证JINTRAC套件并发现初始化数据一致性问题，还用于QLKNN-jetexp-15D代理模型的敏感性分析。
2025-01-21 physics.plasm-ph
Role of edge poloidal density asymmetry in tokamak confinement
由边缘极向密度不对称性驱动的质量流和径向电场可以作为托卡马克中边缘和全局约束的高效控制机制。基本的物理学可以完全在一个简单的磁流体动力学平衡模型中得到证明，而不需要诉诸复杂的、通常依赖于碰撞的新古典物理学论点。作为一个例子，强烈的依赖性的低到高（LH）的过渡功率阈值的磁拓扑结构，实验观察仍然知之甚少，可以很容易地解释在这个框架内。类似的论点表明，中板上方的ITER燃料加注口可能会导致更高的输入功率要求。
2018-02-17 physics.plasm-ph
Radiative pulsed L-mode operation in ARC-class reactors
本研究提出ARC级高辐射脉冲L模式燃烧等离子体方案，通过脉冲感应运行和高场设计在低约束下实现超1000MW聚变功率，经模拟验证可行性，为托卡马克反应堆提供新的发展方向。
2022-09-09 physics.plasm-ph
Investigation of Neoclassical Tearing Mode Detection by ECE Radiometry in Tokamak Reactors via Asymptotic Matching Techniques
该研究利用TJ程序结合渐近匹配方法模拟ITER类托卡马克中NTM的磁结构与电子温度扰动，并开发考虑相对论效应的模拟ECE诊断以预测检测信号。
2025-07-28 physics.plasm-ph
Multiple-isotope pellet cycles captured by turbulent transport modelling in the JET tokamak
第一次成功地再现了多同位素等离子体的颗粒循环减少湍流输运建模，在一个综合的模拟框架。未来的核聚变反应堆很可能由低温弹丸注入燃料，由于更高的穿透力和更快的响应时间。准确的颗粒循环建模对于评估燃料效率和燃烧控制至关重要。在最近的JET托卡马克实验中，氘丸与反应堆相关的沉积特性注入到纯氢等离子体。同位素比剖面的测量推断氘穿透时间与能量约束时间相当。该模型成功地再现了等离子体热力学配置文件和快速氘渗透时标。减少湍流模型的预测，在一个负的密度梯度的存在下，以下粒料沉积相比，基因的线性和非线性高保真度建模。在反应堆燃料能力和燃烧控制方面，结果令人鼓舞。
2021-03-16 physics.plasm-ph
Impurity seeding for suppression of the near Scrape-Off Layer heat flux feature in tokamak limited plasmas
在板内有限的等离子体，预计将用于未来的聚变反应堆的启动和斜坡下降阶段，刮削层（SOL）表现出两个区域：“近”和“远”SOL。与近SOL相关联的平行热通量的陡峭径向梯度可导致固体表面上的过度热负荷，损坏它们和/或限制聚变反应堆的操作空间。在本文中，利用[F. Nespoli等人，核聚变2017]，我们提出了一种通过杂质播种来缓解和抑制近SOL热通量特征的技术。首次成功的实验结果从TCV托卡马克的介绍和讨论。
2017-12-04 physics.plasm-ph
Enhanced performance in quasi-isodynamic max-$J$ stellarators with a turbulent particle pinch
Max-Planck-Institut für Plasmaphysik（德国马普等离子体物理研究所）
本文提出SQuID-τ装置，通过湍流内输运实现密度峰，提升性能并放松反应堆设计约束。
2026-04-21 physics.plasm-ph
Spontaneous spin-up induced by turbulence-driven topological transition of orbits in a tokamak plasma
托卡马克等离子体中普遍存在自发上旋现象，这对等离子体约束至关重要。本文提出了一个动力学理论，证明了在无碰撞托卡马克等离子体中，湍流扩散驱动的轨道拓扑跃迁引起了芯部等离子体的环向旋转。理论预测与著名的核内等离子体流的赖斯标度吻合得很好。这个新的理论预言了国际热核聚变实验堆的$\sim 100km/s$的内禀堆芯平行流动。
2020-03-20 physics.plasm-ph
Polarized fusion, its Implications and plans for Direct Measurements in a Tokamak
经过几十年的努力，一个长期的能源选择刚刚接近地平线，那就是核聚变。最近的发展使我们能够应用自旋物理技术来提高其可行性。托卡马克反应堆中的主聚变燃料的截面D+T=> α +n，如果燃料被极化，将增加1.5倍。模拟预测，由于阿尔法加热的增加，在大型机器（如ITER）中会出现进一步的非线性功率增益。这些都是重大的改进，可以降低达到点火所需的要求，并可用于通过补偿中子降解来延长反应堆的使用寿命。潜在的实现依赖于自旋极化的生存期相当于能量遏制时间。对极化燃料选择的兴趣在20世纪80年代达到了最初的高峰，当时的计算预测极化实际上可以在等离子体中存活下来。然而，有人对从反应堆壁回收燃料的累积影响表示关切。此外，制备和处理极化材料的技术挑战阻碍了直接测试。在过去几十年中，这种情况发生了巨大变化。对ITER等离子体的详细模拟表明，在高功率反应堆中，壁面再循环可以忽略不计。此外，极化材料技术、为惯性约束开发的聚合物颗粒以及为将燃料输送到托卡马克堆芯而开发的低温注入枪这三个领域的进步组合已经成熟到可以进行直接原位测量的程度。杰斐逊实验室- DIII-D/通用原子学-弗吉尼亚大学的合作正在圣地亚哥的DIII-D托卡马克上开发使用同位旋镜反应D+3 He =>alpha+p的原理证明极化生存实验的设计。
2017-03-17 physics.plasm-ph
Quodon Current in Tungsten and Consequences for Tokamak Fusion Reactors
本文研究了Tokamak聚变反应堆中由高能He离子和中子产生的移动晶格激发quodons，提出分离quodon电流与传导电流的实验设计，通过飞行时间实验测得其速度接近声速，并发现高功率下quodons可能对低温系统产生不利影响。
2023-09-18 nlin.PS physics.plasm-ph
Hybridizing Physics and Neural ODEs for Predicting Plasma Inductance Dynamics in Tokamak Fusion Reactors
MIT Plasma Science and Fusion Center（麻省理工学院等离子体科学与聚变中心）
针对托卡马克等离子体模拟中物理方法计算成本高、数据驱动方法数据不足的问题，本文提出将物理方程与神经常微分方程融合，用于预测等离子体电流与内部电感动力学，并在 Alcator C-Mod 数据上验证其优于纯物理模型和纯神经常微分方程模型。
2023-10-30 cs.LG physics.plasm-ph
Compact Experimental Negative TriAngUlarity Reactor (CENTAUR): A design study for a compact, affordable breakeven tokamak
Columbia University（哥伦比亚大学）；Princeton University（普林斯顿大学）；Lawrence Livermore National Laboratory（劳伦斯利弗莫尔国家实验室）
提出一种紧凑、高场、收支平衡的托卡马克反应堆设计CENTAUR，通过负三角性等离子体实现无ELM运行，预测总聚变功率40MW、科学能量增益1.3，并达到20亿美元隔夜成本目标。
2026-05-26 physics.plasm-ph
R&D around a photoneutralizer-based NBI system (Siphore) in view of a DEMO Tokamak steady state fusion reactor
自2006年签署ITER条约以来，欧洲的几个实验室一直在进行一项新的研究计划，旨在为未来的聚变反应堆（DEMO托卡马克）开发新一代中性束（NB）系统。在DEMO上运行NB系统所需的规格非常苛刻：系统必须在非常高的功率（高达150 MW）和能量（1或2 MeV）水平下提供等离子体加热、电流驱动和等离子体控制，包括在插墙效率（$η$ > 60%）、高可用性和可靠性方面的高性能。为此，一种新的NB概念的基础上的高能负离子束的光剥离正在研究中。这一新概念的重点是实现了一种光中和器，其中在法布里-珀罗腔内产生的高功率光子通量（~3 MW）将与以高能量（1或2 MeV）加速的强负离子束重叠、交叉和部分光分离。束线的纵横比（源、加速器等）被特别设计成使光子束与离子束的重叠最大化。结果表明，这种基于光中和的NB系统将有能力提供几十兆瓦的D 0每束线的壁插效率高于60%。不同的实验室已经对这一概念进行了可行性研究，以解决不同的物理问题，即，负离子源，等离子体建模，离子加速器模拟，光中和和真空高压保持。本文介绍了该项目的现状和实验室建设的主要成果。
2019-11-27 physics.plasm-ph
The Negative Triangularity Tokamak Path for Fusion Pilot Plants: Experimental Progress and Future Prospects
General Atomics（通用原子能公司）；Institute for Fusion Studies, University of Texas – Austin（德克萨斯大学奥斯汀分校聚变研究所）；Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL)（洛桑联邦理工学院）；University of California, San Diego（加州大学圣地亚哥分校）；Columbia University（哥伦比亚大学）；Lawrence Livermore National Laboratory（劳伦斯利弗莫尔国家实验室）；Plasma Science and Fusion Center, MIT（麻省理工学院等离子体科学与聚变中心）
本文综述负三角形性（NT）托卡马克构型的实验进展，该构型通过反转D形截面，在性能、排热和鲁棒性之间取得平衡，有望解决传统正三角形性H模面临的挑战。
2026-06-26 physics.plasm-ph
Highest Fusion Performance without Harmful Edge Energy Bursts in Tokamak
本文提出融合机器学习与实时控制的自适应三维磁扰动优化，并在 DIII-D、KSTAR 上验证，可在抑制边缘能量爆发的同时实现最高聚变性能。
2024-05-08 physics.plasm-ph
GX: a GPU-native gyrokinetic turbulence code for tokamak and stellarator design
GX是一个针对聚变反应堆设计优化的快速GPU原生回旋动理学湍流求解代码，采用全相空间伪谱离散化与径向局部通量管方法，可在数分钟内完成托卡马克和仿星器的湍流模拟。
2024-04-29 physics.plasm-ph
Optimization of Tritium Breeding Ratio in a DT and DD Submersion Tokamak Fusion Reactor
该研究利用Paramak与OpenMC模拟浸没式托卡马克，比较材料、富集度及DD/DT中子能谱对TBR的影响，以实现氚自给。
2023-09-30 cs.CE physics.plasm-ph
Ideal Magnetohydrodynamic Simulations of Low Beta Compact Toroid Injection into a Hot Strongly Magnetized Plasma
我们目前的结果从三维理想磁流体动力学模拟低$β$紧凑环（CT）注入到一个热的强磁化等离子体，目的是提供洞察CT燃料托卡马克与ITER（国际热核聚变实验堆）的相关参数。根据CT注入速度和CT与背景磁场比确定了一个制度，该制度似乎有希望用于精确的堆芯加燃料。冲击占主导地位的政权，这可能是不利的托卡马克燃料，也确定。CT穿透深度与CT注入速度和密度成正比。整个CT演化可分为三个阶段：（1）初始穿透，（2）沿传播方向压缩并与背景磁场重连，以及（3）静止并沿垂直于注入方向扩散。由于CT穿过背景等离子体的快速通过时间，未观察到CT倾斜。
2009-06-25 astro-ph.HE physics.comp-ph physics.plasm-ph
Bayesian neural network for plasma equilibria in the Korea Superconducting Tokamak Advanced Research
聚变梯度等离子体是物理上复杂的复杂系统之一，为了对核聚变反应堆进行彻底的控制，人们不断地建立起对不清楚的物理现象的等离子体理论。深度学习已经引起了人们对受控聚变等离子体领域的广泛关注，将物理现象与控制相关参数联系起来，而无需加深对等离子体理论的理解。尽管如此，量化深度学习模型的不确定性一直被要求，因为它们缺乏物理理解。因此，提出了一种能够呈现其概率分布的可靠深度学习模型的概念，以及在模型中灌输物理理论的方法。
2023-01-27 physics.plasm-ph
Reaching high fusion gain with grams of spin-polarized fuel
Marathon Fusion（马拉松聚变）
该研究基于近期点火相关工作，发现单次使用的克量级自旋极化燃料可使磁约束聚变等离子体进入并维持高增益状态，还能提升等离子体性能，为自旋极化燃料源的扩展应用开辟了路径。
2026-10-09 physics.plasm-ph
Subcritical Turbulence in the Mega Ampere Spherical Tokamak
托卡马克等离子体的湍流传热是限制聚变堆性能的主要机制。湍流可以由离子温度梯度（ITG）驱动，并由环形剪切流抑制。试图理解湍流的数值模拟对于指导未来反应堆的设计至关重要。我们研究离子尺度湍流通过陀螺动力学模拟在兆安培球形托卡马克（MAST）的外核。我们在ITG和流动剪切的值中执行参数扫描。我们表明，非线性模拟再现实验离子热通量和ITG和流动剪切的实验值位于接近湍流阈值。我们证明了该系统是亚临界存在的流动剪切，即，该系统形式上是稳定的，但是在给定足够大的初始扰动的情况下，该系统过渡到湍流状态。我们提出了一个方案的过渡到湍流先前未报告的托卡马克等离子体：接近阈值，等离子体是由一个低数量的相干长寿命结构为主，作为系统被带离阈值到更不稳定的制度，这些结构的数量增加，直到他们填补域和更传统的湍流出现。我们对我们的模拟与MAST BES诊断的密度波动实验测量之间的相关性进行了比较。我们应用综合诊断我们的模拟数据，并找到合理的协议的相关性模拟和实验湍流，最显着的相关时间。我们表明，湍流的性质本质上是离子热通量的函数。我们发现，湍流接近阈值的流动剪切的强烈影响，而远离阈值，湍流类似于传统的ITG驱动的制度。
2017-03-17 physics.plasm-ph
Impurity-driven turbulence opens a pathway to ELM-free operation and enhanced pedestal stability in tokamaks
Princeton Plasma Physics Laboratory（普林斯顿等离子体物理实验室）；Lawrence Livermore National Laboratory（劳伦斯利弗莫尔国家实验室）；General Atomics（通用原子公司）；UCLA（加州大学洛杉矶分校）；University of Wisconsin-Madison（威斯康星大学麦迪逊分校）
通过低Z杂质注入诱导的湍流调控台基输运和稳定性，实现了托卡马克中长周期无边缘局域模（ELM）运行，并揭示了剥裂-气球模稳定性边界的解耦与超高性能约束通道。
2026-06-01 physics.plasm-ph
On the edge turbulence in a DTT-like tokamak plasma
本研究针对类DTT托卡马克等离子体边缘漂移湍流，通过三维静电流体模拟探究扩散系数、极向磁分量及径向边界条件对湍流谱、涡旋/带状流和各向异性特征的影响，为DTT等反应堆的湍流控制提供参考。
2025-04-15 physics.plasm-ph
Optimisation of out-vessel magnetic diagnostics for plasma boundary reconstruction in tokamaks
为了改善未来托卡马克反应堆（如ITER）磁场测量的低频谱，已经考虑了几种稳态磁传感器技术。对于所有研究的技术，将传感器放置在真空容器外部并且尽可能远离反应堆堆芯以最小化辐射损伤和温度影响总是有利的，但不至于损害平衡重建的准确性。我们已经研究了在什么程度上增加容器外传感器和等离子体之间的距离可以补偿传感器的精度和/或密度之前的限制所施加的退化的问题是达到。这项研究是专门为瑞士TCV托卡马克，由于其磁性数据的质量和它的能力，以广泛的等离子体形状和偏滤器配置。我们已经扫描了等离子体边界重建误差作为容器外传感器密度、精度和到等离子体的距离的函数。研究的托卡马克放电的瞬态和稳态阶段。我们发现，在一般情况下，有一个广泛的区域中的参数空间，传感器的精度，密度和接近等离子体可以相互交换，以获得所需的精度水平的重建边界，达到一定的限制。外推的结果托卡马克反应堆表明，与传感器内部和外部的真空容器的混合配置可以用来获得一个良好的边界重建在瞬态和平顶的放电，如果容器外磁传感器的足够的密度和精度可以放置在足够远的容器外，以尽量减少辐射损伤。
2013-01-31 physics.ins-det physics.plasm-ph
Revisiting confinement scalings and fusion performance with a perspective optimized for extrapolation
Princeton University（普林斯顿大学）；Ghent University（根特大学）；Princeton Plasma Physics Laboratory（普林斯顿等离子体物理实验室）
本文从外推角度重新审视约束缩放，提出跨机器经验缩放用于融合功率，发现低阶模型优化了方差捕捉与外推鲁棒性之间的权衡，表明等离子体电流主导融合三乘积和功率。
2026-04-24 physics.plasm-ph
Nonresonant Diffusion in Alpha Channeling
在聚变反应堆中产生的聚变产生的α粒子的梯度可以用来放大波，从而冷却α粒子，同时从反应堆中扩散提取它们。共振α粒子电荷的相应提取被认为是驱动旋转的机制。通过推导耦合线性准线性理论的α通道，我们表明，对于一个时间增长波与一个纯粹的极向波矢量，在非共振离子的电流取消共振α粒子电流，防止旋转驱动器，但燃料的融合反应。
2020-12-11 physics.plasm-ph
Magnetic Fluctuations in Gyrokinetic Simulations of Tokamak Scrape-Off Layer Turbulence
理解托卡马克边缘和刮削层（SOL）中的湍流输运物理是研制成功聚变堆的关键。在这些区域中的动态起着关键作用，在实现高融合性能，通过确定边缘基座，抑制H模式中的湍流。此外，反应堆的存活率由容器壁的热负荷决定，因此了解热量沿SOL中的开放磁场线流动时的湍流扩散非常重要。大幅波动、磁X点几何形状以及等离子体与材料壁的相互作用使得模拟边缘/SOL中的湍流比核心区域更具挑战性，需要专门的陀螺动力学代码。此外，包括在陀螺运动模拟，可以处理边界等离子体的独特挑战的电磁效应是至关重要的理解的现象，如基座和ELMs，电磁动力学预计是重要的。在这篇论文中，我们开发了第一个能力来模拟开放磁场线上的电磁回旋湍流。这是一个重要的一步，全面的电磁陀螺运动模拟的耦合边缘/SOL系统。通过使用一个连续的全f的方法，通过一个节能的不连续Galerkin（DG）离散方案，避免了安培抵消问题，我们表明，电磁波动可以处理在一个强大的，稳定的，和有效的方式在Gkeyll代码的gyrokinetic模块。然后，我们提出的结果，大致模拟刮落层的国家球形环面实验（NSTX），并表明电磁效应可以影响斑点的动力学和运输。我们还制定了gyrokinetic系统在现场对齐的坐标建模现实的边缘和刮落层的几何形状在实验中。
2021-03-30 physics.plasm-ph
Linear gyrokinetic stability of a high $β$ non-inductive spherical tokamak
球形托卡马克（ST）已被证明具有理想的性能，如实现高等离子体聚变发电厂？并且具有增加的垂直稳定性。为了了解高$β$ ST聚变反应堆概念设计中可能预期的约束特性，使用局部线性回转动力学分析了1GW ST等离子体平衡，以确定出现的微不稳定性类型。动力学气球模式（KBM）和微撕裂模式（MTM）被发现是占主导地位的不稳定性。确定这些线性模式的参数依赖性，并根据获得的见解，调整平衡以找到在$θ_0$ = 0：0时对所有微观不稳定性略微稳定的状态。这项工作确定了最重要的微观不稳定性，预计产生湍流输送高$β$ ST。这些模式的影响必须忠实地捕捉到基于第一原理的减少模型的异常运输，需要预测模拟。
2021-08-25 physics.plasm-ph
On the synergy between easier plasma operation and affordable coil-set requirements enabled by Negative Triangularity in the prospective ARC fusion reactor
一个数值工作流程的开发，以探索运行多种等离子体配置的ARC聚变试验工厂的可行性。各种极向场线圈组的合适的成本函数进行评估的基础上所需的电流线圈，感应应力，等离子体配置的灵活性。它示出，第一次，一组给定的极向场线圈可以维持平衡与两个符号的三角形和平衡在负三角形有可比的线圈要求，在正三角形，尽管ARC的正三角形设计平衡。这些结果有助于证明负三角度托卡马克是一个有希望的候选人，为商业化的聚变电源。
2022-12-16 physics.plasm-ph
Mechanism of Ionization Avalanche in Tokamak Microwave Gas Breakdown
Seoul National University（首尔大学）；Nuclear Research Institute for Future Technology and Policy, Seoul National University（首尔大学未来技术与政策核研究所）；Korea Institute of Fusion Energy（韩国聚变能源研究所）；United Kingdom Atomic Energy Authority（英国原子能管理局）；General Atomics（通用原子公司）
本研究通过三维蒙特卡罗模拟揭示平行布朗运动在托卡马克微波气体击穿电离雪崩中的关键作用，预测的击穿边界经KSTAR验证，并表明ITER条件下D₂预充压力约2 mPa、EC功率1 MW时击穿可行。
2026-09-21 physics.plasm-ph
TokaGrad: End-to-end differentiable tokamak simulator for L-to-H full scenario optimization
Chung-Ang University（中央大学）
研究聚焦聚变能源商业化下的托卡马克优化问题，提出 TokaGrad 这一可微模拟器，它整合多种可微模型，能自洽模拟全放电场景，与优化器耦合可实现多方面优化，为相关自动化、可微优化提供途径。
2026-07-13 math-ph math.MP physics.plasm-ph
Effect of density changes on tokamak plasma confinement
在托卡马克等离子体放电过程中，粒子密度的变化（通过喷气、小球或杂质播种）产生径向电流，并隐含着可以改变约束状态的扭矩和旋转。电离后，新生的离子将朝着周期性的新古典轨道（捕获或循环）演化，但它们的第一部分漂移，先于周期性，是一个有效的径向电流。它是短的，空间有限的，并且对于每个新离子是唯一的，但是乘以电离率，它可以产生相当大的总径向电流。相关联的扭矩引起旋转，从而改变输送过程。本文用简单物理图象分析、数值模型和新经典漂移动力学处理三种方法导出了电离引起的径向电流的大小。这三种方法的结果是一致的，并表明电流确实可以很大。许多著名的实验观察可以在这个角度下重新考虑。在反应堆级等离子体中，约束可以受到足够的粒子燃料的强烈影响。
2015-07-10 physics.plasm-ph
Tokamak edge-SOL turbulence in H-mode conditions simulated with a global, electromagnetic, transcollisional drift-fluid model
本研究利用GRILLIX代码的跨碰撞电磁全局漂移流体模型，首次模拟ITER基准H模下ASDEX Upgrade托卡马克边缘-刮削层湍流，验证与实验吻合性，分析湍流结构等，为聚变堆预测模拟铺路。
2024-09-17 physics.plasm-ph
Energy-selective confinement of fusion-born alpha particles during internal relaxations in a tokamak plasma
使用环形磁密封的自持聚变反应堆的长脉冲操作需要控制由D-T聚变反应产生的α粒子的含量。一方面，MeV级的α粒子必须被限制在等离子体中加热。另一方面，减速的氦灰必须在稀释聚变燃料之前排出。我们的大型托卡马克等离子体的动力学-磁流体动力学混合模拟证实了一个参数窗口的存在，这种能量选择性约束可以通过利用内部弛豫事件被称为“碰撞”来完成。通过澄清磁漂移所起的作用，完成了由磁几何形状、最佳碰撞持续时间和快速粒子运动之间的协同作用组成的物理图像。除了造成同向和反向粒子群之间的不对称性外，磁漂移还通过决定粒子轨道拓扑中发生“重连”的位置和程度来确定限制窗口的大小。
2022-01-12 physics.plasm-ph
Physics design point of high-field stellarator reactors
基于高温超导体的电磁体的持续发展导致了对托卡马克型高磁场聚变反应堆的概念探索，其在10 T以上的轴向场下操作。在这项工作中，我们探讨了高场三维电磁铁的物理设计点仿星器反应堆的潜在未来可用性的后果。我们发现，当使用磁场强度$B$的增加来最大限度地减小器件线性尺寸$R\sim B^{-4/3}$（具有其他固定的磁几何形状）时，物理设计点在很大程度上与所选择的场强/器件尺寸无关。类似程度的优化是强加在该系列反应堆设计点的磁配置的磁流体动力学，运输和快速离子约束性能。此外，我们表明，家庭共享一个不变的操作地图的融合功率输出作为辅助功率和相对密度变化的函数。磁场过度设计的影响和$R(B)$标度的设计点与恒定的中子壁负荷进行了检查。在这项研究中，我们使用的几何参数的helias反应堆的特点，但大多数结果适用于其他仿星器配置
2021-12-25 physics.plasm-ph
Advanced Tokamak: The Strongly Reversed Central Magnetic Shear Profile
本文综述托卡马克强反转剪切剖面的特性、稳定性问题、能量约束优势、产生与维持方式，并列举相关实验、仿真及理论反应堆研究成果，为先进托卡马克稳态商用反应堆研究提供参考。
2024-05-16 physics.plasm-ph
Dependence of Momentum Transport on the Dominant Turbulence Regime in the DIII-D Tokamak
Columbia University Fusion Research Center（哥伦比亚大学聚变研究中心）；Max Planck Institute for Plasma Physics（马普等离子体物理研究所）；General Atomics（通用原子能公司）；University of Wisconsin, Madison（威斯康星大学麦迪逊分校）；VTT（芬兰技术研究中心）；Princeton Plasma Physics Laboratory（普林斯顿等离子体物理实验室）；University of California Los Angeles（加州大学洛杉矶分校）
研究DIII-D托卡马克中从ITG到TEM主导湍流转变时的湍流核心动量传输，应用特定框架经傅里叶分析分离相关贡献，通过多种计算证实转变，发现残余应力在低扭矩等离子体核心旋转预测中起重要作用，应纳入预测模型。
2026-07-20 physics.plasm-ph
Advanced scenarios for ITER operation
国际热核实验堆是一项国际实验，被认为是证明聚变能科学和技术可行性道路上的下一个重要和关键步骤。热核实验堆将提供独特的机会，在反应堆相关条件下探索粒子加热、等离子体湍流和湍流输运、等离子体压力的稳定极限以及功率和粒子的消耗等物理学。对托卡马克等离子体中发生的物理过程的更好理解增强了ITER实现其目标的信心。特别是，在提高托卡马克性能的研究方面取得了进展，目的是将放电脉冲长度延长到稳态运行（先进方案）。先进的方案使用修改后的电流密度分布，范围从（i）等离子体，维持一个中心区域与平坦的电流密度分布（零磁剪切），能够在高等离子体压力下运行静止，（ii）放电与离轴最大的电流密度分布（在核心反向磁剪切），能够形成内部传输障碍，以增加等离子体的约束。本文介绍了先进托卡马克放电的物理过程，并概述了不同托卡马克实验的最新结果。
2004-10-27 physics.plasm-ph
Electromagnetic gyrokinetic instabilities in STEP
本文对反应堆规模托卡马克STEP进行了局部线性回旋动理学分析，发现其平衡态主要由混合KBM不稳定性主导且伴随次主导的MTMs，通过三代码基准测试验证了结果并为非线性研究奠定基础。
2023-10-05 physics.plasm-ph
Piecewise omnigenous magnetohydrodynamic equilibria as fusion reactor candidates
Laboratorio Nacional de Fusión, CIEMAT（CIEMAT 国家聚变实验室）；Universidad Carlos III, Madrid（马德里卡洛斯三世大学）；Princeton University, New Jersey, USA（美国新泽西州普林斯顿大学）
本文提出一种满足理想磁流体动力学平衡方程的分段全向仿星器磁场配置，实现了前所未有的分段全向性，从而在降低径向输运、自举电流和快离子损失的同时保持磁流体动力学稳定性，满足可行聚变反应堆候选的物理标准。
2026-06-02 physics.plasm-ph
Core localized alpha-channeling via low frequency Alfven mode generation in reversed shear scenarios
提出了一种新的托卡马克堆芯等离子体燃料离子加热通道，并用非线性回旋动力学理论进行了分析。该通道是通过反向剪切阿尔芬本征模（RSAE）自发衰减为低频阿尔芬模式（LFAM），然后通过无碰撞离子朗道阻尼加热燃料离子。研究了RSAE自发衰变的条件，导出了RSAE的饱和能级和由此产生的燃料离子加热率。该通道预计将是至关重要的未来反应堆下运行的反向剪切配置，其中融合α粒子产生的托卡马克核心的磁剪切通常是反向的，并有一个密集的RSAE频谱由于小α粒子的特征无量纲轨道。
2022-04-13 physics.plasm-ph
Discovery of Density Limit Disruption Induced by Core-localized Alfv${é}$nic Ion Temperature Gradient Instabilities in a Tokamak Plasma
Center for Fusion Sciences, Southwestern Institute of Physics（西南物理研究院聚变科学中心）；Institute of Plasma Physics, Chinese Academy of Science（中国科学院等离子体物理研究所）
研究发现核心局部化阿尔维恩离子温度梯度不稳定性引发等离子体密度限制破坏，为未来聚变反应堆提供关键理解。
2026-01-22 physics.plasm-ph
Wide operational windows of edge-localized mode suppression by resonant magnetic perturbations in the DIII-D tokamak
在DIII-D托卡马克装置中，共振磁扰动（RMP）对边缘局域模（ELM）的抑制通常发生在等离子体电流（或磁安全因子q95）的非常窄的范围内。然而，为了ITER和未来反应堆的安全性和操作灵活性，需要宽范围的q95 ELM抑制。在DIII-D ITER相似形状（ISS）等离子体与n=3 RMP，ELM抑制的q95的范围被发现随着电子密度的降低而增加。非线性双流体MHD模拟重现所观察到的Q95窗口ELM抑制和对等离子体密度的依赖性，基于在基座顶部的谐振场穿透的条件。当RMP振幅接近共振场穿透的阈值时，只有狭窄的孤立磁岛在基座顶部附近形成，导致ELM抑制的窄q95窗口。然而，由于场穿透的阈值随着密度的降低而降低，因此谐振场穿透可以在更宽的q95范围内发生。对于足够低的密度（穿透阈值），多个磁岛在基座顶部附近形成，从而产生连续的q95 ELM抑制窗口。该模型预测，通过转向更高的环形模数（n=4）RMP，可以在DIII-D中大幅提高基座压力的情况下实现ELM抑制的宽q95窗口。
2020-07-01 physics.plasm-ph
The properties of resistive MHD modes and unstable spectra in advanced tokamak regimes
该研究针对先进托卡马克低磁剪切区域的MHD不稳定性问题，推导解析解并扩展求解器，探究多因素对稳定性的影响，指出数值计算常见假设的局限性，为聚变堆稳定方案设计和重联事件理解提供支撑。
2025-09-03 math-ph math.MP physics.plasm-ph
Numerics and computation in gyrokinetic simulations of electromagnetic turbulence with global particle-in-cell codes
本文用全球回旋动力学粒子格子程序ORB 5研究了托卡马克和仿星器等离子体中的电磁湍流。Lanti等人，Comp. Phys. Comm，第251卷，107072（2020）]和EUTERPE [V. Kornilov等人，Phys. Plasmas，第11卷，3196（2004）]。大纵横比托卡马克，缩小规模的ITER，和Wendelstein 7-X几何被认为是。主要目标是增加等离子体β，机器尺寸，离子与电子质量比，以及在这样的模拟中包括逼真的几何特征。研究了在部署大规模GPU的计算机系统上的相关数值要求和计算成本。这些都是必要的步骤，使电磁湍流模拟在未来的反应堆等离子体。
2021-05-04 physics.plasm-ph
A quasi-continuous exhaust scenario for a fusion reactor: the renaissance of small edge localized modes
小边缘局域模（ELMs）的托卡马克操作制度可能是未来聚变反应堆中大瞬态热负荷问题的解决方案，因为它们提供准连续排气，同时保持良好的等离子体约束。在高密度ASDEX升级和TCV放电中，小ELMs在最后闭合磁通面（LCFS）附近受到压力梯度和磁剪切的相互作用的控制，提出了一种气球模式机制。在这篇手稿中，我们探讨了不同的因素相关的等离子体边缘稳定性在一个广泛的边缘安全因素，通过改变连接长度之间的好和坏的曲率边。同时，这影响了LCFS附近的局部磁剪切以及$E \times B$流剪切的稳定效果。理想的气球稳定性计算与HELENA代码显示，小ELM等离子体确实是不稳定的气球模式非常接近LCFS，但可以表现出第二个气球稳定性的陡峭梯度区域与增强约束。我们还提出了第一个非线性模拟的小ELM制度的JOREK代码，包括$E \times B$剪切，确实开发气球一样的波动在高三角形限制。在该地区的小ELMs起源的无量纲参数是非常相似的，在我们的研究放电和反应堆，使这种制度的理想排气方案的未来反应堆。
2021-10-25 physics.plasm-ph
Fourier Neural Operator for Plasma Modelling
预测托卡马克中等离子体的演化对于建造可持续的聚变反应堆至关重要。无论是在模拟空间还是在实验领域，快速准确地预测等离子体场变量的时空演化的能力可以改善当前托卡马克装置和未来聚变反应堆的主动控制方法。在这项工作中，我们证明了使用傅立叶神经算子（FNO）模拟等离子体演化的模拟和实验的效用。我们的工作表明，FNO是能够预测磁流体动力学模型的等离子体动力学，6个数量级的速度比传统的数值求解器，同时保持相当大的精度（NMSE $\sim 10^{-5})$。我们的工作还将FNO的性能与其他标准代理模型（如Conv-LSTM和U-Net）进行了比较，并证明FNO的训练时间明显缩短，需要的参数更少，并且优于其他模型。我们扩展的FNO的方法来模拟等离子体演化的相机定位在MAST球形托卡马克。我们说明了它的能力，在预测等离子体内的细丝的形成以及热沉积。部署用于模拟相机的FNO能够在拍摄持续时间的一半时间内预测等离子体拍摄的全长。
2023-02-13 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Shaping of Magnetic Field Coils in Fusion Reactors using Bayesian Optimisation
UK Atomic Energy Authority（英国原子能管理局）
针对聚变反应堆高维多输出设计优化难题，提出采用多输出贝叶斯优化的AI驱动策略，可识别托卡马克环向场线圈形状优化的帕累托前沿，兼顾成本最小化与等离子体稳定性最大化。
2023-10-02 cs.AI physics.plasm-ph
Core localized alpha-channeling via low frequency Alfven mode generation in reversed shear scenarios
本文提出一种托卡马克芯部燃料离子加热新机制，即反剪切阿尔芬本征模自发衰变为低频阿尔芬模并通过朗道阻尼加热离子，推导了相关条件与加热率，对未来反剪切聚变堆具有重要意义。
2023-07-10 physics.plasm-ph
