Kinetic instabilities that limit β in the edge of a tokamak plasma: a picture of an H-mode pedestal
利用巨磁球形托卡马克（MAST）重建的等离子体平衡具有足够的分辨率来捕捉等离子体在边缘局域模（ELM）之间的短时间内的演化。紧接着ELM之后，压力P和密度ne的陡梯度在分界线附近形成了裂缝，然后它们扩展到核心。本地陀螺动力学分析的ELM周期揭示了占主导地位的微观不稳定性在垂直波长的离子拉莫尔半径的顺序。这些是基座中的动力学气球模式（KBM）和靠近基座顶部的核心中的微撕裂模式（MTM）。不断发展的增长率谱，支持使用人工局部平衡扫描的陀螺动力学分析，提出了一个新的物理图片的形成和逮捕这个基座。
2012-05-14 physics.plasm-ph
Neoclassical toroidal viscosity torque in tokamak edge pedestal induced by external resonant magnetic perturbation
从理论上预测了边缘基座托卡马克装置中等离子体对共振磁扰动（RMP）的响应所引起的新经典环向粘性（NTV）力矩的特征轮廓和大小。对于低- $β$平衡，NTV扭矩由具有相同的RMP主导环向模式数的环向分量主导。NTV扭矩分布被发现是本地化的，其峰值位置由平衡温度（压力）和等离子体响应的分布确定。在一般情况下，NTV扭矩曲线的峰值被发现跟踪基座的位置。NTV扭矩的大小强烈地依赖于基座的$β$值，这表明NTV扭矩在较高的等离子体$β$状态中起更重要的作用。对于固定的等离子体$β$，由于在$1/ν$状态中减少的碰撞性，降低密度因此增加温度也可以增强NTV扭矩的幅度。基于这些发现，我们确定了托卡马克运行制度的显着性的NTV扭矩在边缘基座引起的RMP可以接近那些从其他动量源，如中性束注入。
2017-06-10 physics.plasm-ph
Changes to neoclassical flow and bootstrap current in a tokamak pedestal
在托卡马克基座中，径向尺度长度可以与离子轨道宽度相比较，从而使传统的新古典计算的流量和自举电流失效。在这项工作中，我们说明了一个非本地的方法，允许强大的径向密度变化，同时保持小偏离麦克斯韦分布。非局部效应改变了流量和电流的大小和极向变化。该方法是实现在一个新的全球性的delta-f连续代码使用完全线性化的福克-普朗克碰撞算子。只要极向磁场与总磁场相比很小，就允许任意的碰撞性和纵横比。强径向电场，足以静电约束的离子，也包括在内。这些影响可能是重要的，以考虑在任何实验基座流量测量和理论之间的比较。
2012-06-26 physics.plasm-ph
Global Gyrokinetic Simulation of Tokamak Edge Pedestal Instabilities
全球电磁陀螺动力学模拟表明，在两个DIII-D H模式放电的边缘基座中，存在高$n$动力学气球模式（KBM）和中间$n$动力学版本的剥离气球模式（KPBM）的近阈值条件。当磁剪切在陡峭的压力梯度的狭窄区域中减小时，KPBM显著稳定，而KBM弱不稳定，因此成为最不稳定的模式。碰撞降低了KBM的临界$β$并增加了生长速率。
2012-09-26 physics.plasm-ph
Turbulent Transport-Limited Pedestals in Tokamaks
本文提出输运阈值模型，分析托卡马克边缘台基在ETG等湍流作用下的宽度—高度标度，并结合MAST-U、NSTX和DIII-D实验解释无ELM运行条件。
2025-05-14 physics.plasm-ph
Multiscale Modelling for Tokamak Pedestals
基座建模对于预测未来聚变装置的性能至关重要。目前的建模工作要么缺乏动力学物理，要么计算复杂性过高。为了改善这些问题，我们采取了第一性原理的多尺度方法的基座。我们将提出三组独立的方程，分别涵盖边缘局部化模式、ELM间基座和基座湍流的动力学。这些方程应该如何相互耦合的详细内容。这个框架是完全自洽的，它是来自第一原理的手段，在适当的小参数的渐近展开。推导利用狭窄的基座区域，小的热回旋半径，和低等离子体$β$典型的电流基座操作，以实现其简化。这个框架和gyrokinetics之间的关系进行了分析，并探讨了直接匹配到多尺度gyrokinetics这个框架的可能性。我们的模型和文献中的其他模型进行了详细的比较。最后，这个框架匹配到一个开放的场线区域的潜力进行了讨论。
2018-04-12 physics.plasm-ph
Radially global $δf$ computation of neoclassical phenomena in a tokamak pedestal
如果H模基座的径向梯度尺度长度变得和极向离子回旋半径一样小，那么传统的径向局部新经典计算就变得不够了。在这里，我们描述了一个径向全球$δf$连续代码，概括新古典计算，允许更强的梯度。与传统的新古典计算一样，该公式是与时间无关的，并且只需要单个稀疏线性系统的解。我们证明了精确的协议与径向全球动力学方程的渐近解析解的纵横比和碰撞的适当限制。这种一致性的关键取决于有限轨道宽度效应的精确处理。
2014-02-05 physics.plasm-ph
A One-Dimensional Tearing Mode Equation for Pedestal Stability Studies in Tokamaks
从Connor等人（1988）[1]中的表达式出发，我们推导出一个一维撕裂方程，该方程类似于Hegna和Callen（1984）[2]和Nishimura等人（1998）[3]得到的近似方程，但适用于更实际的环形平衡。我们的目的是使用这种近似来探索陡峭的配置文件，自举电流和强大的成型在分界线附近的作用，撕裂模式的稳定性，这是共振的H-模式基座区域的有限纵横比，形状的横截面托卡马克，例如JET。我们讨论了撕裂模的一维模型，它假设扰动极向通量为单极向谐波，与Fitzpatrick等人（1993）[4]的包括极向耦合的模型相比。
2018-06-20 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
HIPED: Machine Learning Framework for Spherical Tokamak Pedestal Prediction and Optimization
本文提出机器学习框架HIPED，通过预测台基高度与宽度并利用多目标优化方案，系统指导球形托卡马克实验中芯部与边缘性能的优化。
2025-04-28 physics.plasm-ph
Deep or Not Deep: Supervised Learning Approaches to Modeling the Pedestal Density
基座是托卡马克装置实现常规高性能等离子体方案的关键。然而，由于托卡马克等离子体所包含的多个物理过程和尺度，基座等离子体的高保真度模拟极具挑战性。用于预测台座顶部压力的主要范例包括EPED类模型。然而，EPED并不预测基座顶部密度$n_\text{e,ped}$，而是需要将其作为输入。EUROPED采用简化的模型，如对数线性回归，以约束$n_\text{e,ped}$与托卡马克机器控制参数的EPED类模型。然而，这些简化的模型$n_\text{e,ped}$经常显示与实验观察不一致，并没有使用所有可用的数值和分类机器控制信息。在这项工作中，观察到使用相同的输入参数，决策树集成和深度学习模型将$n_\text{e,ped}$的预测质量提高了约23%，相对于使用对数线性缩放律获得的质量，通过均方根误差测量。包括所有可用的托卡马克机器控制参数，数值和分类，导致进一步改善约13%。最后，当包括全局归一化等离子体压力和有效电荷状态作为输入时，测试预测质量，因为已知这些参数会影响能量。令人惊讶的是，这些参数仅导致预测质量进一步提高百分之几。
2022-09-16 physics.plasm-ph
Characterization of Pedestal Burst Instabilities during I-mode to H-mode Transition in the EAST Tokamak
在EAST托卡马克I模到H模的跃迁过程中，准周期基座爆发不稳定性（PBIs）以交替的湍流抑制和爆发为特征，已被各种边缘诊断清楚地识别出来。PBI引起的相位扰动的径向分布表明，PBI是局域化的基座。在每个PBI之前，可以清楚地分辨出靠近基座顶部的密度梯度的显著增加，然后产生湍流突发，伴随着密度分布的松弛，然后诱导向外的粒子通量。PBI引起的相对密度扰动约为$6 \sim 8\%$。统计分析表明，触发第一次PBI的基座归一化密度梯度有一个阈值，大部分在$22 \sim 24$范围内，表明PBI触发不稳定性可能是由密度梯度驱动的。触发最后一次PBI的基台归一化密度梯度约为$30 \sim 40$，并且似乎随着损失功率和弦平均密度的增加而增加。此外，PBI的频率可能与弦平均密度和损耗功率成反比。这些结果表明，PBIs和先于PBIs的密度梯度瞬增可以被认为是控制I-H转变的前兆。
2022-02-07 physics.plasm-ph
Relativistic poloidal non-uniformity of the radial electric field in tokamak plasmas
本文提出了一种在托卡马克等离子体磁表面产生径向电场极向不均匀性的相对论机制。这种机制与等离子体中的电子在许多实验模式的托卡马克操作的显着的电流速度。重要的是，电场的产生不需要等离子体中电荷的传统分离。该机制可以解释TORE-SUPRA托卡马克等离子体中C+6碳离子环向旋转速度的极向不均匀性
2023-02-13 physics.plasm-ph
I-mode pedestal relaxation events in the Alcator C-Mod and ASDEX Upgrade tokamaks
在某些条件下，I模式等离子体可以具有基座弛豫事件（PRE），其瞬时增强到达偏滤器靶板的能量。为了揭示它们的外观、特性和到达偏滤器靶的能量，对两台托卡马克装置$-$ Alcator C-Mod和ASDEX Upgrade $-$进行了对比研究。研究发现，PRE仅出现在I模放电的一个子集中，主要是当等离子体接近H模跃迁时。此外，触发不稳定性的性质进行了讨论，通过比较测量接近两个设备中的分界线。从受限区域的PRE相对能量损失随着基座顶部碰撞性$ν_{\mathrm{ped}}^*$的减小而增加。此外，在基座顶部的相对电子温度下降，这是有关的传导能量损失，增加与减少$ν_{\mathrm{ped}}^*$。最后，将两种装置中偏滤器上测量的PRE引起的峰值平行能量通量与[1]中介绍的I型ELM模型进行比较。该模型提供了一个上边界的PRE能量注量数据，而下边界被发现，通过将模型除以三。这两个边界用于预测未来的设备，如DEMO和ARC。
2021-09-06 physics.plasm-ph
Neoclassical flows in deuterium-helium plasma density pedestals
在托卡马克输运势垒中，轮廓变化的径向尺度可以与典型的离子轨道宽度相媲美，这使得在碰撞动力学中跨通量表面的分布函数的耦合非常重要。我们使用径向全球稳态新古典δf代码Perfect来计算基座中的极向流和环向流以及径向通量。特别是，我们已经研究了这些量的变化，作为等离子体的组成是从一个氘散装物种与氦杂质的氦散装与氘杂质，在特定的配置文件相似的假设。极向分辨的径向通量在径向轮廓变化剧烈的情况下并不是孤立的无发散的，这会导致极向回流的出现。这些流动表现出一个复杂的径向极向结构，延伸到核心的几个轨道宽度，是敏感的突然径向变化的离子温度梯度。我们发现，一个相当大的新古典环形角动量输运可以出现在径向全球的理论，在当地相反。
2017-01-12 physics.plasm-ph
The Density Dependence of Edge-Localized-Mode Suppression and Pump-out by Resonant Magnetic Perturbations in the DIII-D Tokamak
边缘局域模（ELM）抑制和密度泵出（密度降低）的n = 2共振磁微扰（RMP）的密度依赖性是一致的，在DIII-D低碰撞性等离子体中的H-模式基座的顶部和底部的狭窄的分离良好的磁岛的影响。DIII-D ITER相似形状（ISS）放电的非线性双流体MHD模拟表明，在低碰撞性下，在基座顶部的谐振场穿透需要低基座密度，这与这些DIII-D等离子体中普遍存在的ELM抑制的低密度要求一致。模拟预测的基座压力下降，由于平行运输跨越这些窄宽度（0.02）的磁性岛在顶部的基座，是稳定的剥离剥离-剥离-模式（PBM），并在实验中观察到的基座压力降低ELM抑制的开始。模拟预测在实验相关水平（~ 20%）的密度泵出在低基座碰撞，由于非常狭窄的（~0.01-0.02）RMP驱动的磁岛在基座脚在~0.99。模拟结果表明，随着密度的增加，泵出减少，与实验一致，导致平行粒子输运在底座的脚电阻率的反向依赖。在密度泵出和ELM抑制期间，在基座的顶部和底部之间预测共振场的鲁棒屏蔽，与在实验中看到的边缘传输势垒中的强温度梯度的保存一致。
2019-12-13 physics.plasm-ph
Broadening of the Divertor Heat Flux Profile in High Confinement Tokamak Fusion Plasmas with Edge Pedestals Limited by Turbulence in DIII-D
针对未来托卡马克排热层过窄问题，本研究在DIII-D高约束低碰撞率台基中通过增强边缘湍流使热通量宽度与偏滤器扩散展宽近乎加倍，并由XGC模拟和探针测量证实。
2024-08-05 physics.plasm-ph
The impact of kinetic and global effects on ballooning 2nd stable pedestals of conventional and low aspect ratio tokamaks
Marathon Fusion（马拉松聚变）；Commonwealth Fusion Systems（联邦聚变系统）；Oak Ridge National Laboratory（橡树岭国家实验室）；Princeton Plasma Physics Laboratory, Princeton University（普林斯顿等离子体物理实验室，普林斯顿大学）
本文基于EPED模型，结合GFS和ELITE方法，研究了动能和全球效应在传统及低长宽比托卡马克装置第二稳定平台中的作用，改进了EPED模型与DIII-D平台数据的拟合度。
2026-04-27 physics.plasm-ph
Anomalous convective transport of the tokamak edge plasma, caused by the inhomogeneous ion cyclotron parametric turbulence
本文研究了极向剪切下基座等离子体中空间非均匀静电离子回旋参数微湍流驱动的对流中尺度流动的动力学和流体力学理论。发展的动力学理论预测剪切极向对流的产生，和径向压缩流与径向流速梯度。发达的流体动力学理论的对流揭示了径向压缩对流的密度梯度随时间呈指数增长的陡峭的基座密度分布的形成中的主导因素。这种梯度密度的增长受到基座等离子体向刮除层的径向振荡离子流出的限制。
2022-06-07 physics.plasm-ph
Perturbative Determination of Plasma Microinstabilities in Tokamaks
最近，理论分析已经确定等离子体微不稳定性的主要机制，负责在托卡马克的异常热输运。特别是，微撕裂模式（MTM）已被记入与强烈的电子热通量的生产，最显着的是通过一个薄的自组织边界层称为基座。在这里，我们利用一种新的，随时间变化的分析编译明确的实验证据表明，MTM是活跃的基座区域。基座MTM的预期频率，作为从等离子体轮廓测量的时间的函数计算，示出在一个专门的实验中与观察到的磁湍流波动是非常一致的。此外，快速扰动的等离子体平衡引入解耦的不稳定性驱动和谐振位置，提供了一个令人信服的验证的分析模型。这一分析提供了强有力的证据，验证了现有的理论工作，并强调了MTMs在调节托卡马克中的电子热流的重要作用。
2021-02-08 physics.plasm-ph
Species dependence of the impurity injection induced poloidal flow and magnetic island rotation in a tokamak
本文通过电阻MHD模拟研究了托卡马克中杂质注入引起的极向流和磁岛旋转的物种依赖性，发现局部等离子体团形成决定杂质极向流，电磁转矩驱动磁岛同步旋转。
2023-07-07 physics.plasm-ph
Poloidal tilting symmetry of high order tokamak flux surface shaping in gyrokinetics
解析地证明了局域非线性$δf$陀螺动力学模型的极向倾斜对称性，并进行了数值验证。这种对称性表明，极向旋转的所有通量表面整形效果与大极向模式数由一个单一的倾斜角有一个指数小的影响托卡马克的输运性质。这是使用米勒局部平衡模型的推广，指定一个任意的通量表面的几何形状。在此几何条件下，我们发现，当在大通量表面整形模式数下进行扩展时，陀螺动力学的控制方程在高阶整形效应的极向倾斜上是对称的。这使我们能够从一个单一的配置，并计算在任何配置，可以通过倾斜的大模式数整形效果产生的通量。这就造成了具有镜像对称通量表面的托卡马克和没有镜像对称的托卡马克之间的区别，预计这将对使用上下不对称产生环向旋转产生重要影响。
2016-02-29 physics.plasm-ph
Magneto-Hydrodynamic Simulations of Pedestal Instabilities for Tokamak Plasmas with Different Ion Masses
本文利用JOREK扩展MHD模拟研究了ASDEX Upgrade H模台基不稳定性的同位素效应，发现离子质量变化影响较小且无法重现JET实验差异，表明需引入小尺度湍流等效应。
2024-08-08 physics.plasm-ph
Intrinsic current drive by electromagnetic electron drift wave turbulence in tokamak pedestal region
研究了考虑电磁效应的电子漂移波湍流驱动的局域本征平行电流密度。由剩余湍流通量和湍流源驱动的本征电流密度与自举电流密度之比随电子密度和温度的变化分别为$T_e^{3/4}T_i/n_e$和$T_eT_i/n_e$。基于DIII-D基座区的典型参数，由剩余湍流通量和湍流源共同驱动的局部本征电流密度可以忽略。然而，尽管可以忽略的湍流源驱动的电流，剩余的湍流通量驱动的局部本征电流密度的EM DW湍流可以达到约66%的自举电流密度的ITER基座参数，由于在ITER比DIII-D低得多的碰撞。分析了等离子体对电磁涨落响应中绝热ES部分、非绝热ES部分和非绝热EM部分的贡献。结果表明，在ITER基座情况下，非绝热ES响应与非绝热EM响应之间存在很强的抵消作用，平行电子压的绝热ES响应贡献的动应力主导了本征电流驱动.这与ES电子DW情况不同。因此，在未来的高电子压磁压比和陡压力分布的反应堆中，应仔细考虑电磁场对湍流驱动本征电流密度的影响。
2020-06-27 physics.plasm-ph
Studies of Reynolds Stress and the Turbulent Generation of Edge Poloidal Flows on the HL-@A Tokamak
报道了在边缘极向流、湍流应力和动量输运物理方面的几个新结果。这些都是基于HL-2A托卡马克上的实验。从湍流雷诺应力的直接测量中推导出欧姆和L模式放电中的平均极向流与新经典预测的显着偏差。偏差随加热功率的增大而增大。湍流极向粘度的波动数据合成，并被发现是可比的湍流颗粒扩散。首次从综合中推导出内禀极向力矩。得到了颗粒通量和雷诺应力的PDF。两者都表现出肥尾和大的峰度，这表明雷诺应力所代表的动量输运过程是不能很好地描述准线性计算。
2018-10-08 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
Effects of collisional ion orbit loss on neoclassical tokamak radial electric fields
在托卡马克边缘等离子体中，离子轨道损失对于产生径向向内电场$E_r$是重要的。特别是，这种效果是强调在偏转托卡马克与磁X点。在新古典平衡中，库仑碰撞可以将离子散射到损失轨道上并产生径向向外的电流，该电流在稳态下由来自粘性的径向向内的电流平衡。为了定量测量这种损失轨道电流在边缘基座，离子轨道通量诊断已实施的轴对称版本的gyrokinetic粒子在细胞代码XGC。作为这种诊断的第一个应用，一个新经典的DIII-D H模式等离子体研究使用回旋离子和绝热电子。通过研究堆芯中$E_r$的碰撞弛豫，证明了诊断的有效性。在此演示之后，在准稳态的边缘基座的损失轨道电流的数值测量。在这种等离子体中，发现来自$E_r$的离子上的径向电力近似地平衡边缘基座中的离子径向压力梯度，来自等离子体流项的径向力是次要分量。轨道损失对$E_r$的影响很小。离子轨道损失将如何影响全电流ITER等离子体基座中的$E_r$，作为后续的研究课题。
2021-12-02 physics.plasm-ph
Axisymmetric Plasma Equilibria with Toroidal and Poloidal Velocity Fields: Tokamak Relevant Configurations
我们分析了一个轴对称平衡的等离子体赋予环向和极向的速度场，其目的是表征的整体运动的形态上的磁约束的影响。我们构造我们的配置假设的极向速度场是对齐的极向磁场线，此外，我们要求等离子体质量密度依赖于磁通量函数（或等效地，等离子体流体是不可压缩的）。然后，我们推导出一种梯度Shafranov方程，这样的平衡，并将其实施到托卡马克相关的情况下，特别是参考TCV的配置文件。本研究的主要结果涉及的出现，在配置相关的双零配置文件，一个封闭的表面的零压力incorporating两个X点的磁配置。这种情况表明，可能存在一个新的制度的等离子体平衡，相应的改善等离子体约束附近的X点和随之而来的减少功率转移到托卡马克偏滤器。
2021-07-30 physics.plasm-ph
Local and global Fokker-Planck neoclassical calculations showing flow and bootstrap current modification in a pedestal
在输运势垒中，特别是H模边缘势垒中，径向尺度长度可以与离子轨道宽度相当，导致新古典物理学变得径向非局域。在这项工作中，由此产生的变化，新古典流和电流的分析和数值研究。陡峭的密度梯度被认为是与极向离子gyroradius，连同强大的径向电场足以静电约束的离子的尺度长度。注意力仅限于相对较弱的离子温度梯度（但允许任意的电子温度梯度），因为在这种限制下，Δ f（从麦克斯韦分布的小偏差），而不是全f方法是合理的。这一假设实际上是一致的测量间ELM H模式边缘基座密度和离子温度分布在许多目前的实验中，预计将越来越有效，在未来的低碰撞实验。在数值分析中，分布函数和Rosenbluth潜力同时解决，允许使用精确的场项的线性化Fokker-Planck碰撞算子。在基座中，平行和极向流被发现强烈偏离最好的传统新古典预测，与当地理论不同的形式的大极向变化。这些预测的效果可以通过实验观察到。在局部极限下，Sauter自举电流公式在低碰撞度下是准确的，但在平台区附近，它们会高估自举电流。在基座排序，离子的自举和Pfirsch-Schluter电流的贡献也被修改。
2012-10-02 physics.plasm-ph
Flexible, integrated modeling of tokamak stability, transport, equilibrium, and pedestal physics
STEP集成建模工具在OMFIT中开发，自洽耦合MHD稳定性、输运、平衡和台座物理，经多基准验证且约束误差低于19%，并成功应用于ITER、SPARC等反应堆性能预测。
2023-05-12 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
Bayesian optimisation of poloidal field coil positions in tokamaks
针对托卡马克极向场线圈位置需平衡多目标约束的设计难题，提出采用多目标贝叶斯优化探索设计空间，该框架易用、性能更优且计算资源需求更低，为聚变设计问题提供了有前景的优化方法。
2025-07-29 physics.plasm-ph
Radio frequency induced and neoclassical asymmetries and their effects on turbulent impurity transport in a tokamak
杂质密度的极向不对称性可以由核心的射频加热和托卡马克等离子体边缘的新经典效应产生。在一个基座的案例研究中，使用全球新古典模拟，我们发现，有限的轨道宽度效应可以产生显着的极向变化的静电势，这在一个小的径向尺度上变化。陀螺动力学建模表明，这些极向不对称性可以足够强，以显着修改湍流杂质峰。在基座中，ExB在径向电场中的漂移对杂质极向运动的贡献大于平行流对杂质极向运动的贡献。在这种情况下，我们发现，上下不对称性也会影响杂质峰。
2013-11-20 physics.plasm-ph
X point effects on the ideal MHD modes in tokamaks in the description of dual-poloidal-region safety factor
本研究构建双极向区安全因子通量坐标系，分析X点对托卡马克理想MHD模的影响，发现X点对常规边缘模有稳定作用，还揭示了X点附近轴对称模的存在及对RMP抑制边缘局域模的改进方向。
2024-10-31 physics.plasm-ph
Analysis of Alfven Eigenmode destabilization in DIII-D high poloidal $β$ discharges using a Landau closure model
Alfven本征模在具有内部传输势垒（ITB）的高极向β放电中的瞬态β下降期间在DIII-D基座处不稳定，由n=1外部扭结模式驱动，导致高能粒子损失。在热β恢复阶段有两种不同的情况：有分叉（具有不同频率的两个不稳定分支）或没有分叉（单个不稳定分支）。我们使用简化的MHD方程在一个完整的3D系统，再加上方程的密度和平行的速度矩的高能粒子以及测地线声波动力学，研究的DIII-D高极向β放电中观察到的不稳定性的属性，并确定触发分叉的条件。模拟结果表明，在分叉情况下，低频不稳定性是在等离子体基座处驱动的气球模，而高频不稳定性分支是在基座附近的低n（n<4）Toroidal Alfven本征模。在非分叉的情况下，中间和等离子体外围之间的反向剪切区域避免了在基座处的气球模式的激发，尽管环形Alfven本征模和反向剪切Alfven本征模在反向剪切区域中是不稳定的。当中性束注入器（NBI）强度低于实验值（β f < 0.03）时，n=1和n=2的阿尔芬本征模活动可以被抑制或最小化。此外，如果束流能量或中性束注入器电压低于实验值（Vth，f /VA 0 < 0.2），则束流与热等离子体之间的共振较弱。对于n= 3，4，5和6的AE活动不能被完全抑制，尽管对于优化的中性束注入器操作制度，增长率和频率较小。总之，AE活动在高极向β放电可以最小化优化NBI操作制度。
2018-07-11 physics.plasm-ph
Poloidal inhomogeneity of the particle fluctuation induced fluxes near of the LCFS at lower hybrid heating and improved confinement transition at the FT-2 tokamak
本文介绍了FT-2的光谱和微湍流实验数据及其分析。结果表明，FT-2中LH加热（LHH）产生的径向电场Er足以形成输运势垒。当LHH关闭时，ETB形成。在两个不同的极向角下，测量了太阳光LCFS附近的径向涨落引起的E B漂移通量密度。为此目的，使用两个朗缪尔探针位于低场和高场侧的环面。登记的极向和径向分量的电场和密度波动在同一时间在一个放电允许测量的极向不对称的传输减少机制的径向和极向粒子通量在SOL中。绝对E（~）涨落水平与Er切变的符号有关。用X模起伏反射法研究了LCFS附近L-H跃迁中极向ErxB旋转剪切E-B对微尺度湍流的影响。新的数据是通过空间光谱技术获得的。
2004-10-19 physics.plasm-ph
Steady state, core, operational optimization of an ARC-like tokamak via plasma composition and shape
MIT Plasma Science and Fusion Center（麻省理工学院等离子体科学与聚变中心）；Oak Ridge National Lab（橡树岭国家实验室）；Commonwealth Fusion Systems（联邦聚变系统）
本研究采用贝叶斯优化方法，对类ARC托卡马克的等离子体成分与形状等参数进行稳态运行优化，提升了聚变功率与功率密度，该方法可推广至其他托卡马克。
2026-08-12 physics.plasm-ph
On non existence of tokamak equilibria with purely poloidal flow
本文证明了在磁流体力学（MHD）或霍尔模型框架下，不考虑可压缩性，纯极向质量流的托卡马克定态是不存在的。在压力各向异性和不可压缩流动的单流体等离子体模型中，不存在性仍然存在。
2007-01-23 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Scaling of up-down asymmetric turbulent momentum flux with poloidal shaping mode number in tokamaks
打破托卡马克的上下对称性消除了限制内禀动量输运的约束，从而使环向旋转变小。利用回旋运动理论，研究了不同的上下非对称通量面形状对湍流动量输运的影响。这是通过微扰展开的大通量表面整形模式数的陀螺方程。研究发现，缺乏镜像对称性的整形所产生的动量通量（这必然是上下不对称的）与整形模数呈幂律比例关系。然而，镜像对称通量面整形（即使它是上下不对称的）产生的动量通量随大整形模式数呈指数衰减。这些缩放是一致的非线性本地gyrokinetic模拟，并表明，低模式数成形效果（如伸长，三角形）是最佳的创建旋转。此外，它表明，打破镜像对称的通量表面可能会产生显着更多的环向旋转。
2016-04-14 physics.plasm-ph
Strong gradient neoclassical transport in the plateau regime
Princeton Plasma Physics Laboratory（普林斯顿等离子体物理实验室）；Plasma Science and Fusion Center, Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院等离子体科学与聚变中心）；Laboratorio Nacional de Fusión, CIEMAT（CIEMAT国家聚变实验室）
研究强梯度区域中新经典输运机制，通过扩展平台区新经典理论，揭示梯度对输运过程的影响，验证强梯度对标准新经典理论预测的增强或减弱作用。
2026-03-15 physics.plasm-ph
Stochastic fluctuation and transport of tokamak edge plasmas with the resonant magnetic perturbation field
我们提出了一种称为复杂性熵分析的统计方法是有用的，以表征状态的等离子体湍流和通量的共振磁扰动（RMP）边缘局域模（ELM）控制实验。利用该方法可以将带有随机基座顶部温度波动的RMP ELM抑制相与带有混沌波动的自然ELM自由相区分开来。讨论了在基座顶部附近产生的随机温度波动可能是由基座顶部附近的场穿透窄层引起的。强制磁岛可以在RMP ELM抑制阶段发射相当大小（相对低k）的共振漂移波，并且它可以导致产生与岛周围的缠结场耦合的随机较高波数波动。对偏滤器上主要外撞击点周围离子饱和电流测量结果的分析表明，随着等离子体对RMP场响应的增强，离子饱和电流也变得更加随机。
2022-08-18 physics.plasm-ph
Strong gradient effects on neoclassical electron transport and the bootstrap current
本文研究托卡马克强梯度区域中新经典电子输运与自举电流的修正，揭示离子流和电势极向变化的影响，并通过台基剖面算例表明弱梯度理论可能高估或低估输运结果。
2025-08-28 physics.plasm-ph
Rotation of Tokamak-Plasmas out of Mechanical Equilibria, in Absence of External Torques
利用Prigogine建立的热力学定理，研究了托卡马克等离子体的旋转，而不是在机械平衡。这个定理，适用于环形约束等离子体，表明全球重心旋转的等离子体，在环向和极向方向，是纯粹的可逆过程。在粘性可以忽略不计的情况下，通过假设内力平衡方程的有效性，我们证明了等离子体，即使不处于力学平衡，也可以作为一个刚体在环向自由旋转，其角频率为，其角频率可能高于新古典估计。此外，它的环向旋转可能导致等离子体在极向方向上以比新经典理论所发现的表达式更快的速度全局旋转。当环向和极向角频率达到使耗散最小的值时，获得最终的配置。
2012-11-13 physics.plasm-ph
Nitrogen-induced ELM suppression and confinement improvement in the EAST tokamak with a full metal wall
School of the Gifted Young, University of Science and Technology of China（中国科学技术大学少年班）；Institute of Plasma Physics, Chinese Academy of Sciences（中国科学院等离子体物理研究所）；School of Nuclear Science and Technology, University of Science and Technology of China（中国科学技术大学核科学与技术学院）；Southwestern Institute of Physics（西南物理研究所）
本文报道了在EAST全金属壁托卡马克中，通过注入氮气实现无ELM的H模运行，同时显著提高能量约束，并识别出台座脚处的耗散捕获电子模（DTEM）作为关键机制。
2026-05-27 physics.plasm-ph
The toroidal flux and separatrix effects in tokamaks
Columbia University（哥伦比亚大学）
本文强调环向磁通在托卡马克中的重要性，通过解析模型展示分界面对平衡的影响，并建议使用环向磁通作为径向坐标以简化参数识别。
2026-07-31 physics.plasm-ph
Experimental conditions to suppress edge localised modes by magnetic perturbations in the ASDEX Upgrade tokamak
在ASDEX升级装置上研究了低密度高约束模（H模）等离子体中磁微扰（MP）完全抑制边缘局域模（ELM）的进入条件。在我们的实验中，完全ELM抑制的主要经验要求是：1。MP的极向光谱必须对准，以获得来自弱稳定扭结模式的最佳等离子体响应，这放大了扰动，2。等离子体边缘密度必须低于临界值$3.3 \times 10^{19}$ ~m $^{-3}$。边缘碰撞性在$ν^*_i = 0.15-0.42$（离子）和$ν^*_e = 0.15-0.25$（电子）的范围内。然而，我们的数据并没有显示边缘碰撞性是控制ELM抑制的关键参数。3.基座压力必须保持足够低，以避免小型ELM的不稳定。这一要求意味着与其他类似等离子体中未缓解的ELMy H模式相比，基座压力通常系统性降低30%。4.边缘安全系数$q_{95}$位于某个窗口内。在迄今为止探测的范围内，已经确定了$q_{95}=3.5-4.2$，一个这样的窗口，$q_{95}=3.57-3.95$。在迄今为止遇到的等离子体旋转的范围内，没有发现明显的等离子体旋转ELM抑制的阈值，这包括在整个基座区域中具有大的交叉场电子流的情况，对于这种情况，双流体MHD模型预测，电阻性等离子体对所施加的MP的响应被屏蔽。
2018-06-29 physics.plasm-ph
Pellet refuelling of particle loss due to ELM mitigation with RMPs in the ASDEX Upgrade tokamak at low collisionality
在ASDEX升级托卡马克上演示了由边缘局域模（ELMs）缓解引起的等离子体密度损失（泵出）的完全换料。等离子体通过注入冷冻氘丸来补充燃料，并且ELM通过外部共振磁扰动（RMP）来减轻。在这个实验中，相关的无量纲参数，如相对颗粒尺寸，相对RMP振幅和基座碰撞保持在ITER的类似值。密度泵出的加油需要额定加油率增加两倍。能量约束和基座温度不能通过芯块换料恢复到RMP前的值。
2015-10-07 physics.plasm-ph
Advanced surrogate model for electron-scale turbulence in tokamak pedestals
本文基于敏感性驱动稀疏网格插值构建托卡马克边缘ETG湍流输运代理标度律，纳入$q$、$β_e$、$λ_D$等参数，并通过bootstrap区间及分布内、越界、分布外测试验证其优于现有标度律。
2024-10-28 physics.comp-ph physics.plasm-ph
On the electrostatic field of a tokamak in the limit of large aspect ratio and concentric circular flux surfaces
从托卡马克极向静电场的一般表达式出发，在大纵横比和同心圆通量面的限制下，可以确定相应的电势。这个潜在的满足泊松方程，减少到拉普拉斯方程时，介质具有消失的电荷密度，在轴向几何形状，但不是环形几何。一个简单的变换采取的潜在的托卡马克坐标的正确的谐波形式，并计算得到的静电场。从径向场可以估计边界上的支持电荷密度，从极向场可以确定电子温度的径向依赖性的预测，这与经常在托卡马克中看到的轮廓的粗略估计相比并不好。
2011-01-08 physics.plasm-ph
Intrinsic rotation in tokamaks: theory
导出了极向磁场$B_p$相对于总磁场$B$较小时托卡马克内禀转动的自洽方程。该模型给出了由于湍流、碰撞输运和能量注入引起的动量重分布。内禀旋转是由动量重分布与湍流扩散和对流之间的平衡决定的。两种不同的湍流制度被认为是：湍流的离子回旋半径，$ρ_i$的顺序的特征垂直长度，和湍流的极向回旋半径，$(B/B_p) ρ_i$的顺序的特征长度。回旋半径尺度湍流驱动的内旋主要是由于新经典修正和有限轨道宽度对湍流动量输运的影响，而极向回旋半径尺度湍流驱动的内旋则是由于湍流特征在径向和极向方向的缓慢变化以及湍流粒子的加速度与新经典效应和有限轨道宽度效应同等重要。结果表明，磁漂移是湍流特性缓慢变化和湍流粒子加速所驱动的内禀旋转所不可缺少的。的方程被写在一个磁通管代码的实施形式，有利于和湍流的径向变化的影响包括在一个新的方式，不需要一个全球gyrokinetic形式主义。
2015-03-06 physics.plasm-ph
Formation of convective cells in the scrape-off layer of the CASTOR tokamak
理解托卡马克中的刮削层（SOL）物理需要具有足够的时间和空间分辨率的诊断。本文介绍了在CASTOR托卡马克（R=40 cm，a = 6 cm）的SOL中，用124个朗缪尔探针环环绕整个极向截面进行的实验结果。单独的探头测量的浮动电位的离子饱和电流的空间分辨率高达3毫米。实验是在一个特定的磁性配置，其特征在于由一个长的并联连接长度在SOL，L_par ~ q2 piR。我们报告的测量放电，其中的边缘电场被修改通过插入一个偏置的电极到边缘等离子体。特别地，如果偏置电极位于SOL内部，则观察到复杂的图像。浮动电位的极向分布在偏置时似乎是强烈不均匀的。在特定的极向角处观察到电势峰值。这被解释为一个偏置的磁通管的形成，它从电极发出沿着磁场线和蛇绕环q倍。在SOL中产生的电场是2维的，具有径向以及极向分量。结果表明，极向电场E_pol使边缘等离子体径向对流，这是由于E_pol x B_T随其符号向内或向外漂移所致。对流粒子通量比波动引起的通量大两个数量级，因此占主导地位。
2004-10-22 physics.plasm-ph
Tokamak MHD equilibria with reversed magnetic shear and sheared flow
本文通过给出与实验一致的安全因子、极向速度和轴向速度分布，构造了具有反向磁剪切（s < 0）和剪切流的圆柱对称磁约束等离子体的磁流体动力学平衡方程的解析解。
2003-11-13 physics.plasm-ph
Gyrotropy-Induced Symmetry Breaking of Erosion Hot Spots on Antenna Limiters during High-Power Tokamak RF Operation: Mechanisms and Mitigation Strategies
本文揭示了高功率托卡马克ICRF天线限制器热点不对称性源于波物理的回旋各向异性，提出通过控制极向相位或修改限制器形状可使其总侵蚀量较现有设计减少约2倍。
2025-09-16 physics.plasm-ph
Comment on Nuclear Fusion 66, 016012 (2026) and arXiv:2508.03561 by Richard Fitzpatrick, A Simple Model of Current Ramp-Up and Ramp-Down in Tokamaks
Columbia University（哥伦比亚大学）
本文批评Fitzpatrick在核聚变论文中的基本物理错误，指出其对托卡马克极向磁通量演化理论的误解，并强调arXiv文章中已明确表达的观点。
2026-08-25 physics.plasm-ph
