AI-Accelerated Gyrokinetic Predictions of Turbulent Transport for Stellarator Design Optimization and Experimental Planning
Princeton Plasma Physics Laboratory（普林斯顿等离子体物理实验室）；University of Maryland, College Park（马里兰大学帕克分校）；Oak Ridge National Laboratory（橡树岭国家实验室）；Type One Energy；California Institute of Technology（加州理工学院）；Argonne National Laboratory（阿贡国家实验室）；Princeton University（普林斯顿大学）；University of Wisconsin, Madison（威斯康星大学麦迪逊分校）
本文利用AI替代模型加速仿星器湍流输运预测，实现磁平衡优化与输运求解加速，并通过AI智能体自动探索目标与超参数，发现改进的湍流优化磁平衡。
2026-09-25 physics.plasm-ph
Residual zonal flows in tokamaks and stellarators at arbitrary wavelengths
在线性无碰撞极限下，环形等离子体中的纬向势扰动一般会松弛到非零余值。推导了托克马克和仿星器几何形状以及任意波长的残值表达式。这些表达式涉及最低阶粒子轨迹的平均值，通常无法通过分析进行评估。在这项工作中，一个有效的数值方法来评估这样的表达式。结果表明，这种方法是快速的比直接陀螺动力学模拟与GENE和EUTERPE代码进行。在仿星器的剩余值的计算提供了更短的波长比以前在文献中。仿星器中的电子必须从动力学的角度来处理，因为与托卡马克不同，动力学电子即使在长波长下也会修改剩余值。这种效应，这已经被理论预测，证实了陀螺动力学模拟。
2015-10-13 physics.plasm-ph
Ion-temperature-gradient stability near the magnetic axis of quasisymmetric stellarators
对准对称仿星器中离子温度梯度模的稳定性进行了研究。这是使用一组分析估计与线性gyrokinetic模拟。峰值增长率，其相应的实际频率和波矢量的识别。一阶近轴膨胀模型和十一个现实的设计使用数值优化方法之间的比较。据发现，虽然近轴膨胀是能够复制的增长率，真正的频率和垂直波矢量在内核（无论是使用简化的色散关系和第一原理gyrokinetic模拟），它会导致高估的增长率在较大的半径。ITG色散关系的非共振极限的近似解析解表明，增长率可以系统地更高的准轴对称（QA）配置相比，准螺旋（QH）对称的。然而，除了非常接近的轴，线性陀螺动力学模拟没有显示QA和QH配置之间的系统差异。
2021-02-24 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
Comparison of local and global gyrokinetic calculations of collisionless zonal flow damping in quasi-symmetric stellarators
本文在准对称仿星器中比较了磁通管、磁通面和全体积三种几何下的纬向流无碰撞阻尼计算，揭示了局部计算在中等径向波数下可准确再现全体积残余，但小径向波数时振荡与阻尼时间尺度偏长。
2021-03-13 physics.plasm-ph
Modification of ion-temperature-gradient turbulence by impurities in stellarator plasmas
该研究解析推导了仿星器等离子体中杂质对离子温度梯度增长率的修正表达式，经线性模拟验证其标度与作用条件预测准确，且该表达式与非线性模拟的湍流热通量修正结果显著相关。
2025-10-22 physics.plasm-ph
Collisionless microinstabilities in stellarators II - numerical simulations
微不稳定性表现出丰富多样的行为在仿星器由于在磁几何的许多自由度。最近发现，某些仿星器（具有最大$J$几何形状的准等动力仿星器）对捕获粒子不稳定性具有部分弹性，因为快速反弹的粒子倾向于从接近边缘稳定性的这些模式中提取能量。在现实中，仿星器从来都不是完美的准等动力，因此出现了一个问题，即它们是否仍然受益于增强的稳定性。在这里，Wendelstein 7-X和一个更准的等动力学配置，QIPC的稳定性进行了数值研究，并与国家紧凑型仿星器实验（NCSX）和DIII-D托卡马克进行了比较。在gyrokinetic模拟中，进行与gyrokinetic代码GENE在静电和无碰撞近似，离子温度梯度模式，陷阱电子模式和混合型不稳定性进行了研究。Wendelstein 7-X和QIPC在所有包括动力学电子的模拟中表现出显著降低的增长率，并且后者确实被发现在能量预算中保持稳定。这些结果表明，不完全优化的仿星器可以保留大部分的稳定性能预测完美的最大$J$配置。
2013-11-14 physics.plasm-ph
Optimization of Nonlinear Turbulence in Stellarators
本文提出在优化循环中耦合GX与DESC代码，利用非线性回旋动理学模拟和SPSA方法直接优化仿星器平衡位形以降低湍流热通量，并验证其对宏观输运的改善。
2024-02-23 physics.plasm-ph
A statistical analysis approach of plasma dynamics in gyrokinetic simulations of stellarator turbulence
本文提出一种结合奇异谱分析和分层聚类的几何方法，用于检测仿星器W7-X回旋动理学湍流模拟中的雪崩现象，并通过计算Hurst指数等度量揭示时间序列的物理性质。
2022-12-29 cond-mat.stat-mech physics.plasm-ph
Pullback transformation in gyrokinetic electromagnetic simulations
结果表明，一个相当大的改善，在全球陀螺运动的电磁模拟，可以实现通过稍微修改的模拟方案。新方案得到了验证，模拟了托卡马克几何结构中的环形Alfvén本征模在低垂直模数，所谓的“MHD极限”。此外，电磁漂移模式已成功地模拟在仿星器。
2014-07-15 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
Linear simulation of ion temperature gradient driven instabilities in W7-X and LHD stellarators using GTC
全球陀螺动力学环形程序（GTC）最近已经升级，可以在非轴对称平衡位形（如仿星器）中进行模拟。利用GTC对Wendelstein 7-X（W7-X）和LHD（Large Helical Device）仿星器中离子温度梯度（ITG）驱动的不稳定性进行了线性模拟。讨论了仿星器中ITG特性的一些结果，包括环形网格收敛、n模数收敛、极向谱和平行谱，以及通量面上的静电势模结构。
2017-05-26 physics.plasm-ph
Global linear drift-wave eigenmode structures on flux surfaces in stellarators: ion temperature gradient mode
本研究通过GTC模拟发现仿星器中离子温度梯度模在磁面上局域化，并基于复波数模型解释其机制，提出从局域代码构造全局本征模的方法。
2025-10-27 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
The Use of Near-Axis Magnetic Fields for Stellarator Turbulence Simulations
湍流优化仿星器的设计至今依赖于三维平衡代码，如VMEC，以找到一个给定的目标函数的最小值。在这项工作中，我们提出了一个补充的方法的基础上，近轴膨胀计算的几何参数的新古典优化仿星器用于湍流研究。如图所示，近轴膨胀可以是与现有优化仿星器设计的核心的湍流和稳定性模拟相关的几何参数的合理近似。特别是，我们研究的几何系数出现在gyrokinetic方程，漂移减少流体方程和理想的气球方程。这种方法可以允许比传统方法更快地开发新的仿星器优化技术。
2020-08-20 physics.plasm-ph
Global gyrokinetic analysis of Wendelstein 7-X discharge: unveiling the importance of trapped-electron-mode and electron-temperature-gradient turbulence
本文首次对类 W7-X 仿星器放电进行含动理学电子、平衡径向电场及电磁碰撞效应的非线性径向全局回旋动理学模拟，揭示芯部湍流电子热通量主要由 TEM 和 ETG 驱动，并强调有限电子温度梯度的关键作用。
2024-02-22 physics.plasm-ph
Reduction of electrostatic turbulence in a quasi-helically symmetric stellarator via critical gradient optimization
我们提出了一个仿星器配置优化的大阈值（“临界梯度”）的离子温度梯度（ITG）驱动模式，实现了最大的临界梯度，我们已经看到在任何仿星器的开始。在此阈值以上，陀螺动力学模拟表明，该配置具有低湍流水平的实验相关范围内的驱动强度。所应用的优化旨在最大限度地提高漂移曲率，从而增强局部剪切稳定的环形ITG模式，以及相关的湍流。这些优点与优秀的准对称性相结合，产生低的新古典输运和极小的α粒子损失。由此产生的配置分析表明，磁流体动力学（MHD）和ITG稳定性之间的权衡。
2022-11-10 physics.plasm-ph
The residual flow in well-optimized stellarators
针对优化仿星器，重新研究静电极限下残余流的回旋动理学理论，分析非带状残余静电势情形及“中间残余”行为，发现准等动态仿星器因优化后轨道宽度小而残余流格外大。
2024-04-11 physics.plasm-ph
Gyrokinetic simulations in stellarators using different computational domains
本文比较了仿星器中通量管、全磁通面和径向全局域下的回旋动理学模拟，研究纬向流弛豫和 ITG 模稳定性，发现通量管长度影响结果收敛，且不同位形下各计算域的一致性存在差异。
2021-06-05 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Optimizing Particle Transport for Enhanced Confinement in Quasi-Isodynamic Stellarators
针对准等动力学仿星器粒子约束差的问题，本文通过 GENE–Tango 回旋动力学模拟识别磁几何导致的向内热扩散受抑，并降低镜像比以增强通行电子通量，使能量约束较 Stellaris 提升近两倍。
2025-07-28 physics.plasm-ph
Reduced turbulent transport in the quasi-isodynamic stellarator configuration CIEMAT-QI4
本文通过含动力学离子与电子的 stella 非线性静电模拟，证明准等动力学仿星器 CIEMAT-QI4 具有降低的湍流输运，并探讨其与近似满足 maximum-J 性质的关系。
2024-09-10 physics.plasm-ph
Verification of the PICLS electromagnetic upgrade in mixed variables
针对回旋动理学粒子网格代码PICLS的安培抵消问题，研究人员实现了带拉回方案的混合变量表述，并通过剪切阿尔芬波模拟完成了该代码不同电磁升级表述的验证。
2025-03-21 physics.plasm-ph
First-principles based plasma profile predictions for optimized stellarators
在这封信中，首次提出了计算机模拟预测现代优化仿星器的等离子体分布-同时自洽地保留新古典运输，具有3D效应的湍流运输和外部物理源。这些模拟利用了一个新开发的耦合框架，涉及全球陀螺湍流代码GENE-3D，新古典运输代码KNOSOS，和一维运输求解器TANGO。这个框架是用来分析最近观察到的能量约束在电子加热的等离子体中的Wendelstein 7-X仿星器，其中的中心离子温度被“钳位”到$T_i \approx 1.5$千电子伏，无论外部加热功率的退化。通过执行基于第一原理的模拟，我们提供了关键的证据来理解这种效果，即在一个有序度占主导地位的制度，这是加剧了大的$T_e/T_i$比率的电子和离子之间的低效的热耦合，并表明，一个更有效的离子热源，如直接离子加热，将增加轴上的离子温度。这项工作为使用高保真模型开发下一代仿星器铺平了道路，其中新古典和湍流传输同时优化。
2023-03-24 physics.plasm-ph
Electrostatic gyrokinetic simulations in Wendelstein 7-X geometry: benchmark between the codes stella and GENE
第一个实验活动已经证明，由于新古典输运方面的磁结构的优化，湍流的贡献是必不可少的理解和预测的总粒子和能量传输在Wendelstein 7-X（W7-X）。这促使人们在陀螺动力学建模方面做了大量工作，以解释现有的实验结果，并为下一次活动做准备。与此同时，新的仿星器陀螺动力学代码已经或正在开发中。因此，希望有一个足够完整的，文件和验证的W7-X几何的陀螺动力学模拟，新的代码或现有代码的升级，可以测试和基准。本文试图提供这样一组模拟的形式，最近开发的代码斯特拉和成熟的代码基因之间的一个全面的基准。该基准测试包括W7-X磁几何中的静电回旋动力学模拟，包括不同的通量管、线性离子温度梯度（ITG）和捕获电子模式（TEM）稳定性分析、线性带状流响应的计算以及ITG驱动的热通量的计算。
2021-07-13 physics.plasm-ph
Zonal flow suppression of turbulent transport in the optimized stellarators W7-X and QSTK
Indian Institute of Science（印度科学学院）；Institute for Plasma Research（等离子体研究所）；Homi Bhabha National Institute（霍米·巴巴国立学院）；University of California Irvine（加州大学尔湾分校）
研究通过比较W7-X和QSTK两种优化环形磁约束装置，探讨局域流抑制由ITG驱动湍流输运的作用，发现ZFs显著降低离子热输运并支持线性稳定性与非线性稳定化共同抑制非线性热通量。
2025-08-06 physics.plasm-ph
Influence of the density gradient on turbulent heat transport at ion-scales: an inter-machine study with the gyrokinetic code stella
本研究利用stella代码对多种仿星器和托卡马克开展多装置模拟，发现密度梯度对不同装置离子热输运的影响存在差异，并揭示了各装置中主导的微观不稳定性类型，为聚变堆湍动热输运控制提供参考。
2024-04-15 physics.plasm-ph
Collisionless zonal-flow dynamics in quasisymmetric stellarators
研究准对称仿星器对环向密度扰动的无碰撞响应，推导了Rosenbluth-Hinton剩余流几何因子的解析表达式，并通过GTC代码验证，揭示了仿星器几何参数与湍流输运水平的潜在关联。
2024-12-15 physics.plasm-ph
A non-twisting flux tube for local gyrokinetic simulations
局部回旋动力学模拟使用的磁场对齐域，由于扭曲的背景磁平衡的磁剪切。然而，如果磁剪切很强和/或磁畴很长，扭曲可能变得如此极端，以至于无法正确解决湍流。在这项工作中，我们推导并实现了“非扭曲通量管”，一个本地的模拟域，保持矩形在所有平行的位置。收敛性和运行时间测试表明，该方法比传统的流量管能更有效地计算热流密度。对于一个测试用例，它的计算成本低30倍，我们没有发现它更昂贵的情况。当磁剪切高并且域包括至少两个湍流驱动区域（例如仿星器模拟、基座模拟、具有若干极向匝的托卡马克模拟）时，这是最有利的。此外，当磁剪切较大时，它可以更准确地模拟内侧中平面。最后，我们展示了如何非扭曲磁通管可以推广到允许进一步优化和控制的模拟域。
2021-05-06 physics.plasm-ph
A family of quasi-axisymmetric stellarators with varied rotational transform
本文通过延拓方法生成具有广泛旋转变换范围的准轴对称仿星器族，系统研究了旋转变换对快粒子约束、线圈-等离子体距离、线性ITG增长率及非线性离子热通量的影响，发现快粒子约束在平均旋转变换约0.73时最优，并揭示了正剪切失稳及热通量与旋转变换的非单调关系。
2024-01-17 physics.plasm-ph
First experimental observation of zonal flows in the optimized stellarator Wendelstein 7-X
本文通过多种诊断在Wendelstein 7-X中首次直接观测到带状流，并以非线性陀螺动力学模拟验证，为反应堆相关条件下的模型验证提供依据。
2024-06-18 physics.geo-ph physics.plasm-ph
Comparing linear ion-temperature-gradient-driven mode stability of the National Compact Stellarator Experiment and a shaped tokamak
用于比较不同磁聚变能量配置的约束性质的一个度量是漂移波模式的线性临界梯度。当等离子体限于等离子体核心中的边缘稳定性时，临界梯度标度长度确定核心与基座温度的比率。基于JET H模发射剖面和ARIES-AT强整形，采用回旋湍流程序GS 2计算了国家紧凑型仿星器实验（NCSX）和原型整形托卡马克中线性、无碰撞离子温度梯度（ITG）模式的临界温度梯度。虽然有人担心NCSX在某些环形位置处的窄截面会导致更容易驱动不稳定性的陡峭梯度，但发现仿星器配置的其他稳定效应抵消了这一点，使得NCSX的归一化临界梯度与托卡马克竞争，甚至更好。对于绝热ITG模式，NCSX和托卡马克有相似的临界梯度，但超过边缘稳定性，NCSX有较大的增长率。然而，对于动力学ITG模式，NCSX具有较高的临界梯度和较低的生长速率，直到a/L_T约为1.5倍a/ L_{T,crit}，当它超过托卡马克的。文中还讨论了a/L_T与R/L_T的关系。
2013-03-07 physics.plasm-ph
Instabilities and turbulence in stellarators from the perspective of global codes
本文通过全局回旋动理学代码 EUTERPE 和 GENE-3D 对比研究 LHD 与 W7-X 仿星器中的不稳定性和湍流，验证了两者在模数、增长率、热通量及局域化行为上的一致性，并揭示了径向电场的稳定化与输运减弱作用。
2022-10-11 physics.plasm-ph
Electrostatic microturbulence in W7-X: comparison of local gyrokinetic simulations with Doppler reflectometry measurements
本研究针对W7-X仿星器微湍流问题，利用stella代码开展非线性回旋动理学模拟，对比密度涨落幅度与多普勒反射测量结果并解释径向趋势，同时表征涨落与带状流频谱，为湍流研究提供理论支撑。
2023-12-15 physics.plasm-ph
Validation of a Comprehensive First-Principles-Based Framework for Predicting the Performance of Future Stellarators
本文验证了耦合 GENE、KNOSOS 与 Tango 的多时间尺度模拟框架，在 W7-X 方案中准确复现稳态剖面和湍流趋势，为仿星器性能预测提供可靠工具。
2025-03-11 physics.plasm-ph
Neural network assisted electrostatic global gyrokinetic toroidal code using cylindrical coordinates
为克服磁通坐标在磁分界面处的奇异性限制，开发了神经网络辅助的柱坐标全局回旋动理学代码G2C3，利用神经网络混合方案加速粒子定位与场插值，并成功验证了DIII-D托卡马克的线性离子温度梯度模拟。
2024-08-23 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Ion temperature and density gradient driven instabilities and turbulence in Wendelstein 7-X close to the stability threshold
研究 Wendelstein 7-X 仿星器中接近临界稳定性的离子温度梯度（ITG）不稳定性及湍流，发现普适不稳定性主导输运，且磁剪切对湍流有稳定作用。
2024-07-24 physics.plasm-ph
