Optimization of quasisymmetric stellarators with self-consistent bootstrap current and energetic particle confinement
准对称性可以大大改善仿星器中高能粒子和热等离子体的约束。准对称仿星器在高等离子体压力下的磁场受自举电流的影响很大，但精确仿星器自举计算的计算成本已经排除了在优化内部使用。在这里，一个新的有效的方法证明了优化的准对称仿星器配置，使自举电流分布是一致的几何形状。该方法是基于这样一个事实，即所有准对称的新古典现象是同构的轴对称。因此，托卡马克中自举电流的精确公式，可以快速评估，也可以应用于仿星器。该预测的平行电流和磁流体动力学平衡中的实际平行电流之间的偏差在目标函数中被惩罚，并且平衡的电流分布被包括在参数空间中。从而获得具有显著压强的准对称结构，具有自洽的自举电流和良好的约束。在许多仿星器的聚变产生的α粒子约束的比较中，新的配置比许多以前的设计具有显着更低的α能量损失。
2022-07-26 physics.plasm-ph
Piecewise omnigenous stellarators with zero bootstrap current
本文解析并数值证明分段全同性仿星器可实现零自举电流，为反应堆设计提供新途径。
2025-08-06 physics.plasm-ph
The effect of tangential drifts on neoclassical transport in stellarators close to omnigeneity
一般来说，由于磁场的三维性质，仿星器中被捕获粒子的轨道平均径向磁漂移是非零的。其中的轨道平均径向磁漂移消失的仿星器被称为omniogeneous，他们表现出新古典输运水平的轴对称托卡马克。然而，偏离全方位的影响在实践中是不可忽视的。对于足够低的碰撞频率（低于定义$1/ν$状态的值），与通量表面相切的漂移分量变得相关。本文重点研究当非全异性扰动梯度较小时，接近全异性的仿星器中的这种碰撞机制。首先，它被证明，接近omnidium是需要保持径向局部性的漂移动力学方程的碰撞低于$1/ν$制度。结果表明，新经典输运是由相空间中的两层决定的。其中一层对应于$\sqrtν$状态，另一层对应于超香蕉-平台状态。超香蕉高原层的切向电场的计算的重要性被强调，以及后者的相关性，在本文中考虑的碰撞制度的新古典运输。特别是，切向电场是必不可少的出现一个新的subregime超香蕉高原运输时，径向电场是小的。给出了包括$\sqrtν$区和超香蕉坪区的离子能流公式。能量通量与全方位偏差大小的平方成比例。最后，它是解释为什么低于一定的碰撞性值，在这篇文章中提出的配方不再有效。
2017-03-10 physics.plasm-ph
Optimizing stellarators for large flows
仿星器中的等离子体流是阻尼的，因为仿星器不像托卡马克那样具有固有的双极性，在托卡马克中，对于任何径向电场值，通量表面平均径向电流都为零。只有准对称仿星器本质上是双极的，但在非轴对称环形配置中不可能实现精确的准对称。通过计算由于偏离准对称性而导致的固有双极性的违反，可以导出评估仿星器在实践中何时可以被认为是准对称的标准，即当流动阻尼足够弱时。让我们用$α$表示一个小参数，它控制着精确准对称磁场的扰动大小。最近，它已被证明，如果扰动的梯度是足够小的，通量表面平均径向电流的尺度为$α^2$的任何值的碰撞。当扰动的梯度较大时，二次标度被一个更不利的标度所取代。本文严格地处理了具有大梯度的扰动。特别是，它被证明是低碰撞的扰动与大梯度产量，充其量，一个$O(|α|)$偏离准对称性。文献中的启发式估计错误地预测了$O(|α|^{3/2})$偏差。
2014-05-05 physics.plasm-ph
Influence of collisions on trapped-electron modes in tokamaks and low-shear stellarators
本研究通过解析与模拟方法，评估碰撞对托卡马克和低剪切仿星器中俘获电子模增长率的影响，发现高碰撞率下几何依赖的稳定化及低碰撞率下多种模式混合，并识别出W7-X和HSX低波数模中碰撞诱导的通用不稳定性转变。
2024-05-24 physics.plasm-ph
Calculation of the bootstrap current profile for the TJ-II stellarator
计算了TJ-Ⅱ仿星器的自举电流。采用DKES和NEO-MC代码;后者允许，第一次，精确计算的自举传输系数在长平均自由程制度的这个设备。低误差条允许单能系数的精确卷积，这通过误差分析来确认。首次给出了TJ-Ⅱ 100_44_64组态在三种不同碰撞状态下自举电流的径向分布。引导系数，然后进行比较，定期操作的TJ-II的其他配置。结果表明，定性协议与环形电流测量，精确的比较与实际放电正在进行中。
2011-10-07 physics.plasm-ph
Geometry and neoclassical theory in a quasi-isodynamic stellarator
我们表明，在完美的准等动态磁场，这通常是非准对称的，它可以近似的实验感兴趣的领域，新古典计算可以进行分析更完全比一般仿星器。在这里，我们定义一个准等动力场是一个在其中的纵向绝热不变量是一个通量函数，并在其中常数B的轮廓接近poloidally。我们首先推导出磁场分量与场强之间的几种几何关系。利用这些关系，得到了任意碰撞情况下的流场和流场的形式。的流量，径向电场，和自举电流也被明确地确定为长平均自由程制度。
2010-11-23 physics.plasm-ph
Equilibrium $β$-limits dependence on bootstrap current in classical stellarators
本文用SPEC数值研究经典仿星器中平衡β极限对自举电流的依赖，提出诊断磁岛输运的判据和预测平衡β极限的解析模型，为仿星器优化增加新目标提供依据。
2023-05-16 physics.plasm-ph
Control of the bootstrap current in approximately quasi-axisymmetric magnetic fields
Laboratorio Nacional de Fusión, CIEMAT（国家聚变实验室，CIEMAT）
本文提出了一种基于近准轴对称磁场和分段无源扰动的新策略，旨在实现简单线圈几何、托卡马克式约束性能及通过调节反向电流与岛型分流器的兼容性。
2026-10-27 physics.plasm-ph
Large tangential electric fields in plasmas close to temperature screening
低碰撞性仿星器等离子体通常显示出一个大的负径向电场，由于其高电荷数，预计会导致杂质的积累。在本文中，两个组合的影响，可能会改变这种情况进行了讨论。首先，它表明，在低碰撞性等离子体中，电子对径向电场的动力学贡献可以使其为负但很小，使等离子体接近杂质温度屏蔽（即，到离子温度梯度是杂质传输的主要驱动力并导致向外通量的情况）;在碰撞性非常低的等离子体中，例如显示杂质空穴的大螺旋装置的等离子体中，实际上可能发生屏蔽。第二，与通量表面相切的电场的分量（换句话说，通量表面上的静电势的变化）尽管小于径向分量，但最近已被建议为径向杂质传输的附加相关驱动。这里，解释了，特别是当径向电场小时，切向磁漂移必须被保持以便正确地计算切向电场，其可以大于先前预期的。这可能对杂质传输产生强烈影响，正如我们使用新开发的代码KNOSOS（KiNetic Orbit-averaging-Solver for Stellarators）通过模拟所示。
2017-12-11 physics.plasm-ph
Validating neutral-beam current drive simulations in the TJ-II stellarator
本文通过分析TJ-II stellarator中的中性束电流驱动实验，利用ASCOT代码模拟快离子电流并解析计算电子响应，验证了理论模型，发现NBI2结果吻合良好而NBI1电流低于预测。
2023-04-13 physics.plasm-ph
Optimization of flux-surface density variation in stellarator plasmas with respect to the transport of collisional impurities
避免杂质积累是稳态仿星器操作的要求。杂质在通量表面上的密度变化会严重影响杂质的积累。使用最近导出的半解析表达式的高- $Z$和磁通表面密度变化的存在下，低碰撞散装离子物种的碰撞杂质物种的运输，我们数值优化的磁通表面上的杂质密度变化，以尽量减少杂质的径向峰因子。在这里考虑的大螺旋器件情况下，这些优化的密度变化可以将芯杂质密度降低$0.75^Z$（$Z$是杂质电荷数），并且在Wendelstein 7-X标准配置情况下降低$0.89^Z$。另一方面，当使用相同的过程来找到使峰化因子最大化的密度变化时，与没有密度变化的情况相比，峰化因子显著增加。这突出了在实验中测量和控制这些变化的潜在重要性。
2019-04-12 physics.plasm-ph
On the convergence of bootstrap current to the Shaing-Callen limit in stellarators
本文结合 NEO-2、解析估计与传播子方法，研究仿星器自举电流向 Shaing-Callen 极限的收敛条件，并给出偏移电流标度、抑制途径及磁轴自举效应。
2025-02-18 physics.plasm-ph
Impurities in a non-axisymmetric plasma: transport and effect on bootstrap current
杂质引起辐射损失和等离子体稀释，在仿星器等离子体中，新经典双极径向电场通常不利于避免强杂质峰。在这项工作中，我们使用了一个新的连续漂移动力学求解器，SFINCS代码（Stellarator Fokker-Planck Iterative Neoclassical Conservative Solver）[M。Landreman等人，Plasmas 21（2014）042503]，其采用完全线性化的Fokker-Planck-Landau算子来计算Wendelstein 7-X（W7-X）磁配置的新经典杂质输运系数。我们比较SFINCS计算与理论渐近线在高碰撞极限。我们观察并解释了1/nu标度的物种间的径向输运系数在低碰撞性，由于在物种间的碰撞运营商，这是没有发现与简化的碰撞模型，即使当动量修正。然而，如果存在径向电场，则这种类型的缩放消失。我们还利用SFINCS分析了杂质含量对新经典杂质动力学和自举电流的影响。我们表明，为了统一的等离子体有效电荷Zeff的变化可以影响自举电流足以导致偏滤器撞击点位置的偏差。
2015-11-20 physics.plasm-ph
Runaway Electrons in Stellarators: Unlikely or Unavoidable?
Chalmers University of Technology（查尔姆斯理工大学）；University of Maryland（马里兰大学）
本研究在逃逸电子模拟工具DREAM中实现仿星器等离子体模型，探究仿星器温度崩塌场景下逃逸电子的产生条件，发现仿星器也可能产生大量逃逸电子，且其逃逸电子问题将少于托卡马克。
2026-08-03 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
The fixed boundary plasma equilibrium basis for a one Gigawatt electric stellarator power plant
Gauss Fusion GmbH（高斯聚变有限公司）；Karlsruhe Institute of Technology（卡尔斯鲁厄理工学院）；Technical University of Denmark（丹麦技术大学）；Research Instruments GmbH（研究仪器有限公司）；VTT Technical Research Centre of Finland Ltd.（芬兰技术研究中心有限公司）
高斯聚变有限公司开发千兆瓦聚变发电厂，以能产生3吉瓦聚变功率的固定边界仿星器平衡为设计基础。通过0.5D建模确定要求，优化改进W7-X平衡，修改相关代码，经比较和详细建模，最终平衡满足发电厂所有必要要求。
2026-10-14 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
Moderation of neoclassical impurity accumulation in high temperature plasmas of helical devices
实现杂质和氦灰控制是通向聚变级磁约束设备的道路中的关键问题，并且这尤其是螺旋反应堆的情况，其低碰撞性离子根操作场景通常显示负径向电场，这预期会引起向内的杂质箍缩。在这些工作中，我们讨论，基于实验测量和标准预测的新古典理论，如何非常低的离子碰撞的等离子体，类似于在大螺旋装置的杂质孔中观察到的，可以是一个例外，这个一般规则，以及如何一个负的径向电场可以共存的向外杂质通量。这一解释得到了国际仿星器-Heliotron剖面数据库中记录放电的比较的支持，并且可以外推以表明，在螺旋装置的核心中实现高离子温度与低核心杂质含量并不根本不相容。
2017-03-28 physics.plasm-ph
Optimized finite-$β$ tokamak-stellarator hybrid configurations achieved by planar dipole-field coils
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）
研究利用平面偶极场线圈，通过单级自由边界优化构建托卡马克-仿星器混合构型，包括真空和有限β情况，能产生多种有利平衡，可实现β提升和场周期变化，类TO构型在大旋转变换时表现良好，为优化有限β混合构型提供平台。
2026-07-17 physics.plasm-ph
Bootstrap Current Modeling in M3D-C1
Princeton Plasma Physics Laboratory（普林斯顿等离子体物理实验室）；Thea Energy（Thea能源公司）；University of Wisconsin–Madison（威斯康星大学麦迪逊分校）
本研究在扩展MHD代码M3D-C1中实现自举电流的自洽物理模型，采用两种解析框架并结合同构性应用于准对称仿星器，经基准测试验证准确性，同时提出评估新经典输运的工作流程，提升了磁约束等离子体平衡模拟的精度。
2025-07-07 physics.plasm-ph
Equilibrium of a simplified coil quasi-axisymmetric stellarator: Free boundary approach
本文采用自由边界方法，利用DESC求解器对简化线圈准轴对称仿星器进行平衡和优化，通过最小化有效波纹幅度降低新经典输运，展示了真空场和有限压力下的准轴对称位形。
2026-06-23 physics.plasm-ph
yancc: A GPU-accelerated, differentiable solver for neoclassical transport in tokamaks and stellarators
Institute for Research in Electronics and Applied Physics, University of Maryland（马里兰大学电子与应用物理研究所）
研究针对托卡马克和仿星器中经典输运问题，提出GPU加速可微求解器yancc。通过结合多种离散化方法求解漂移动力学方程，具有完全可微性。与其他代码基准测试显示其准确性高、速度快且内存占用低，适合用于仿星器相关优化等工作流程。
2026-07-24 cs.NA math.NA physics.plasm-ph
Omnigenity as generalized quasisymmetry
任何可行的仿星器反应堆都需要几乎是全方位的，这意味着所有粒子的径向导向中心漂移速度随着时间的推移平均为零。虽然全能性比准对称性更容易实现，但我们在这里证明了准对称等离子体的几个性质也直接适用于较大类的全能等离子体，或者只进行微小的修改。例如，流动和电流的简洁表达式与托卡马克的非常相似，这些表达式是明确的，因为没有磁微分方程。螺旋度（M，N）可以定义为任何omnigenous领域，根据拓扑结构，其中|B|轮廓关闭通量表面，推广与准对称领域的螺旋度。对于广义准极向对称（M=0），自举电流消失，这可以产生期望的平衡和稳定性性质。本文导出了非准对称任意等离子体中径向电场的简明表达式。事实上，尽管全三维磁谱，但在全能等离子体中可以进行类似托卡马克的分析计算，这使得这些配置对于获得洞察力和基准代码非常有用。给出了一种产生具有仿星器对称性的泛生B（theta，zeta）图样的构造。
2011-12-24 physics.plasm-ph
Incompressibility of Impurity Flows in Low Density TJ-II Plasmas and Comparison with Neoclassical Theory
在TJ-Ⅱ仿星器上用电荷交换复合谱（CXRS）测量了完全电离碳的极向和环向速度。我们对3D几何形状进行了详细的处理，并表明在同一通量表面的不同位置进行的流量测量与所研究的低密度等离子体的流量不可压缩性（线平均电子密度$\bar{n}_e\,\le\,10^{19}$ m $^{-3}$）兼容。此外，与新古典计算的比较表明，在没有外部动量输入的情况下，与测量的径向电场和离子自举平行流的定量协议。
2012-09-27 physics.plasm-ph
Physics-Informed Neural Networks to Infer the Perpendicular Energy Conductivity in the Scrape-Off Layer of Stellarator Devices
CIEMAT（西班牙能源、环境与技术研究中心）；Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences（哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院）；Laboratorio Nacional de Fusión, CIEMAT（CIEMAT国家聚变实验室）
本研究开发逆物理信息神经网络框架，结合测量与输运方程推断仿星器刮削层垂直热导率，验证误差低于10%，并应用于TJ-II实验数据。
2026-09-11 cs.AI physics.plasm-ph
A quasi-isodynamic configuration with good confinement of fast ions at low plasma $β$
本文提出一种新的准等动力仿星器位形，通过STELLOPT优化并引入新代理指标，在低β下实现良好快离子约束、磁流体稳定性及低有效波纹度，并给出保持核心快离子约束的丝状线圈设计。
2022-12-09 physics.plasm-ph
Identification of MHD equilibrium $β$ limits for CFQS plasmas
Huazhong University of Science and Technology（华中科技大学）；University of Wisconsin-Madison（威斯康星大学麦迪逊分校）；Southwest Jiaotong University（西南交通大学）；Hiroshima University（广岛大学）
使用NTEC代码研究CFQS在标准与磁岛位形下的MHD平衡β极限，通过分形维数等指标识别嵌套磁面破坏的阈值，发现标准位形下无净电流和自举电流平衡可维持至⟨β⟩≈1.5%，而边缘岛在低⟨β⟩下可能转为开放场线。
2026-06-26 physics.plasm-ph
Effects of Tungsten Radiative Cooling on Impurity, Heat and Momentum Transport in DIII-D Plasmas
Lawrence Livermore National Laboratory（劳伦斯利弗莫尔国家实验室）
研究通过对比内禀碳辐射主导和钨注入的高辐射态，发现钨诱导的辐射冷却降低了电子温度，抑制了湍流，提高了离子温度峰值和环形旋转速度，同时抑制了杂质输运。
2026-04-07 physics.plasm-ph
