Energetic-particle orbits near rational flux surfaces in stellarators: I. Passing particles
研究托卡马克中理性磁通面附近能量粒子轨道，推导漂移岛屿形状方程，证明环形度磁场条件下无漂移岛屿，提出环形度条件及高阶修正方法。
2025-12-02 physics.plasm-ph
Role of the radial electric field in the confinement of energetic ions in the Wendelstein 7-X stellarator
Laboratorio Nacional de Fusión, CIEMAT（国家聚变实验室，CIEMAT）
研究通过数值模拟验证W7-X磁镜中径向电场对快速离子约束的影响，发现其效果等同于β的影响，并提出实验验证方案。
2026-02-16 physics.plasm-ph
Direct Optimization of Fast-Ion Confinement in Stellarators
本研究通过直接优化stellarator设计，提高alpha粒子约束，避免使用代理指标。
2025-11-24 physics.plasm-ph
Accelerating the estimation of energetic particle confinement statistics in stellarators using multifidelity Monte Carlo
在仿星器的设计中，高能粒子约束是一个关键的问题，从数值的角度研究仍然具有挑战性。标准蒙特卡罗分析是非常昂贵的，因为大量的粒子轨迹需要在很长的时间尺度上进行积分，并且必须采取小的时间步长来准确地捕捉各种轨迹的特征。即使它们是基于引导中心轨道，而不是全轨道，这些标准的蒙特卡罗研究也太昂贵了，不能包括在大多数仿星器优化代码中。我们提出了第一个多保真度蒙特卡罗计划加速估计的高能粒子约束仿星器。我们的方法依赖于一个两级的层次结构，其中一个指导中心模型作为高保真度模型，和一个数据驱动的线性插值作为低保真度的代理模型。我们应用多保真度蒙特卡罗的研究充满活力的粒子约束在一个4周期的准螺旋对称仿星器，评估各种指标的约束。从我们的代理模型的计算效率非常高，以及其足够的相关性，高保真度模型，我们得到的加速比高达10与多保真度蒙特卡洛相比，标准蒙特卡洛。
2021-08-13 cs.NA math.NA physics.comp-ph
Fast particle trajectories and integrability in quasiaxisymmetric and quasihelical stellarators
本文研究仿星器中高能粒子轨迹的可积性，通过量化岛宽和岛重叠，比较准螺旋和准轴对称平衡中粒子的损失机制，发现低剪切导致宽岛，高剪切增加岛重叠。
2024-11-06 physics.plasm-ph
Energetic Particle Tracing in Optimized Quasisymmetric Stellarator Equilibria
本研究评估近轴展开法在优化准对称仿星器中计算高能粒子轨道与损失份额的准确性，分析准对称偏差的影响，验证了其在瞬态损失区间的适用性并推导了相关有效表达式。
2024-04-15 physics.plasm-ph
Collisional passing alpha energy transport in nearly quasisymmetric stellarators
研究准对称磁镜中碰撞性α粒子能量输运机制，通过分析模型揭示共振条件下的能量损失及误差场影响。
2025-12-08 physics.plasm-ph
Meta variance reduction for Monte Carlo estimation of energetic particle confinement during stellarator optimization
这项工作介绍了Meta估计，结合多个多保真度技术的基础上控制变量，重要性抽样，和信息重用，以产生一个准乘法量的方差减少。当不确定性的输入分布在外环期间发生变化时，所提出的Meta估计在外环应用中特别有效，这通常是基于可靠性的设计和形状优化中的情况。我们得到的外环结果的收敛极限的Meta估计的方差减少的渐近界。我们证明了Meta估计，使用数据驱动的代理模型和偏置密度，在不确定性的动机下的设计问题的磁约束融合，即优化仿星器线圈的设计，以最大限度地提高估计约束的高能粒子。的Meta估计优于所有的成分方差减少技术单独，最终产生两个数量级的加速相比，在相同的计算预算的标准蒙特卡洛估计。
2023-01-18 cs.NA math.NA physics.comp-ph
Direct Optimization of Stellarator Omnigenity from the Second Adiabatic Invariant
Institute of Plasma Physics, Chinese Academy of Sciences（中国科学院等离子体物理研究所）；University of Science and Technology of China（中国科学技术大学）
该研究针对仿星器三维几何导致粒子损失的问题，提出可微框架直接优化控制粒子约束的基本轨道作用量，得到兼具多项优势的紧凑仿星器设计，实现第一性原理轨道优化与工程约束的整合。
2026-08-05 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
Landau damping of Alfvénic modes in stellarators
研究发现，仿星器中存在所谓的波粒相互作用的非轴对称共振[这与磁位形缺乏轴对称性有关，Kolesnichenko等人，等离子体9（2002）517]可以通过朗道机制对由高能离子不稳定化的环形诱导的阿尔文本征模（TAE）和等门模（在连续区中具有相等的极向和环形模数目和频率的阿尔文模）具有强的稳定化影响。这些共振涉及仿星器的平衡磁场的最大谐波，并导致中压等离子体中的热离子吸收模式能量，在这种情况下，效果很大。另一方面，在归因于例如，在Helias反应堆中，热离子也可以与高频Alfvén间隙模式[螺旋诱导Alfvén本征模式（HAE）和镜面诱导Alfvén本征模式（MAE）]相互作用，导致这些模式的相当大的阻尼。只考虑与通过粒子的共振。所开发的理论适用于各种模式的文德尔斯坦7-X仿星器和一个Helias反应堆，并在LHD螺旋装置的两个TAE模式。
2018-08-27 physics.plasm-ph
Low-dimensional geometry learning for turbulence prediction in optimized stellarators
University of California, Irvine（加州大学尔湾分校）；Zhejiang University（浙江大学）；Princeton University（普林斯顿大学）；Lawrence Berkeley National Laboratory（劳伦斯伯克利国家实验室）
本文通过低维几何学习方法，利用深度学习发现稳态器设计在低维潜在空间中的分布，从而优化湍流传输、等离子体不稳定性及MHD模态。
2026-03-18 physics.plasm-ph
FIRM3D: Fast ion reduced models in 3D
Columbia University（哥伦比亚大学）；Cornell University（康奈尔大学）；Graz University of Technology（格拉茨工业大学）；University of Maryland, College Park（马里兰大学帕克分校）
本文提出了一种用于三维磁场中高能粒子动力学建模的开源软件FIRM3D，该软件基于SIMSOPT扩展，集成了MHD平衡和波稳定性软件，并支持CPU和GPU并行计算，用于高能粒子物理研究。
2026-05-16 physics.plasm-ph
Energetic particle loss mechanisms in reactor-scale equilibria close to quasisymmetry
无碰撞物理学主要决定了聚变产生的α粒子在3D平衡中的传输。在仿星器的配置中有几种传输机制，包括由于类转换的随机扩散，波纹捕获和香蕉漂移对流轨道。给出了一组六个准螺旋和准轴对称平衡中的引导中心动力学，我们对捕获态和输运机制进行了分类。除了香蕉漂移对流和波纹运输，我们观察到大量的非守恒的平行绝热不变，这可能会导致损失，通过扩散香蕉尖运动。此外，许多丢失的轨迹在较长的时间尺度上经历捕获类之间的过渡，具有周期性或不规则的行为。我们讨论了每个相关传输机制的可能优化策略。我们对快速离子损失和香蕉漂移对流[1]、过渡轨道和宽轨道宽度等机制的普遍性指标进行了比较。准螺旋配置被发现有天然的保护波纹捕获和扩散香蕉尖运动，从而减少即时损失。
2022-10-10 physics.plasm-ph
Electromagnetic coil optimization for reduced Lorentz forces
本文在SIMSOPT软件中利用自动微分实现了一种高效且精确的电磁线圈自力简化模型，用于准轴对称stellarator的线圈优化，在显著降低线圈洛伦兹力的同时，分析了其对快粒子损失和线圈-等离子体距离的权衡影响。
2024-10-12 physics.app-ph physics.comp-ph 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
Microturbulence-mediated route for energetic ion transport and Alfvénic mode intermittency in tokamaks
我们报告的理论发现的新制度的阿尔文本征模（AE）诱导的快速离子输运在托卡马克等离子体中，微湍流起着调解人的作用的快速离子弛豫。库仑碰撞散射单独导致小的AE振幅，并没有重现实验中观察到的稳态制度。我们表明，在非线性制度的有效俯仰角散射由于微湍流可以导致稳态声发射振幅的演变。这表明了一种新的快速离子损失途径，这超出了“微湍流引起的高能离子输运在托卡马克中是不重要的”[D。C.佩斯等人，等离子体20（2013）056108]。因此，微湍流可以显着增加的幅度AE在预测模拟燃烧等离子体实验，如ITER。
2020-09-04 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
Experimental confirmation of efficient island divertor operation and successful neoclassical transport optimization in Wendelstein 7-X
我们介绍了世界上最先进的仿星器Wendelstein 7-X最近运行阶段的最新亮点。具有良好的颗粒排出、低杂质含量和超过100 ms的能量约束时间的稳定分离已经维持了数十秒。丸粒加燃料允许具有减少的ITG湍流的等离子体阶段，并且在这样的阶段期间，整体约束是如此良好（能量约束时间通常超过200 ms），使得在不太优化的设备中不可能获得密度和温度分布，因为它们将具有超过W7-X中施加的加热的新古典传输损耗。这证明了通过磁场优化减少新经典输运是成功的。W7-X等离子体通常表现出良好的杂质屏蔽和高等离子体纯度，但有证据表明，在抑制双折射阶段，杂质限制时间较长。
2021-06-01 physics.plasm-ph
Magnetic Fields with General Omnigenity
本文在DESC中提出新模型以探索广义全约束平衡空间，证明虽除准对称外精确全约束不可实现，但仍可设计出低输运、低快粒子损失的非准对称仿星器磁场。
2024-04-03 math.OC physics.plasm-ph
Validating fast-ion wall-load IR analysis-methods against W7-X NBI empty-torus experiment
2018年夏天，在Wendelstein 7-X（W7-X）仿星器中进行了第一次中性束注入（NBI）实验。NBI系统用于通过中和加速的氢离子束并将其引导到等离子体中来加热磁约束等离子体，在等离子体中产生的高能离子释放其能量以加热等离子体。NBI快离子实验的建模工作已经开始，包括对穿透和轨道损失的估计。仿星器有一个广角红外（IR）成像系统，以监测机器等离子体面对组件表面温度。本工作验证了NBI模型“基于Beamlet的NBI（BBNBI）”和新编写的合成红外相机模型。验证是通过比较测量和合成的红外相机测量的实验中，NBI注入到真空容器中没有等离子体。一个很好的定性和定量的匹配被发现。这种协议进一步支持的光谱和校准测量的NBI和红外相机系统。
2019-06-20 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Nonlinear alfvénic fast particle transport and losses
磁流体动力学不稳定性，如环形Alfvén本征模或核心局域模，如β诱导Alfvén本征模和反向剪切Alfvén本征模由快速粒子驱动，可导致核聚变装置中的显著再分布和损失。这在许多ASDEX升级放电中观察到。目前的工作旨在了解潜在的共振机制，特别是在存在不同频率的多个模式。使用漂移动力学HAGIS代码[Pinches 1998]研究谐振模式耦合机制。采用改进的实验数据的可用性，对不同的等离子体平衡，特别是不同的q分布进行了模拟。进行了一项研究，调查双谐振模式耦合与各种重叠的情况。结果发现，依赖于径向模式的距离，双共振是能够提高增长率以及模式振幅显着。然而，小的径向模式距离也可以导致线性主导模式的强非线性模式稳定。与HAGIS的扩展版本，损失进行了模拟，并直接与实验损失测量。损失的相空间分布及其喷射信号与实验数据一致。此外，它允许将其描述为即时的，共振的或随机的。结果发现，特别是在多模式的情况下（具有不同的模式频率），丰富的非相干损失发生在较低的能量范围内，由于广泛的相空间随机化。非相干的高能损失是“迅速的”，即它们的初始能量对于受限轨道来说太大。
2012-11-16 physics.plasm-ph
Radiation reaction induced non-monotonic features in runaway electron distributions
在感应电场超过某个临界值的等离子体中产生的逃逸电子可以达到MeV范围内的非常高的能量。对于这样的高能电子，辐射损失将对动量空间动力学做出显着贡献。在某些条件下，由于辐射动量损失，在逃逸的电子尾中会形成一个非单调的特征--“凸点”，从而产生凸点-尾型不稳定性。这里我们研究凸块存在的条件。我们推导出一个分析的阈值条件的凸块出现，并给出了一个近似表达式的最小能量，凸块可以出现。数值计算进行支持的分析推导。
2015-03-23 physics.plasm-ph
Stable Deuterium-Tritium burning plasmas with improved confinement in the presence of energetic-ion instabilities
本文报道JET时隔20多年后开展的氘氚聚变实验，发现一种稳定、高约束且无杂质的新运行模式，显著降低能量损失，并揭示多尺度物理机制对热约束和聚变功率产出的关键作用，为聚变能替代化石燃料提供重要支撑。
2024-01-18 physics.plasm-ph
VSC: A Zero-Dimensional Fusion Design Platform for Multiple Magnetic Configurations
Beijing VeloAlpha Technology Co., Ltd.（北京VeloAlpha科技有限公司）
VSC是用于多种磁配置的零维融合设计平台，通过通用功率平衡公式及求解器接口，结合降阶物理模型与统一计算平台，可在早期设计阶段对候选聚变反应堆概念进行快速评估和对比分析，研究不同假设对运行空间的影响。
2026-07-14 physics.plasm-ph
Role of Helium-Hydrogen ratio on energetic interchange mode behaviour and its effect on ion temperature and micro-turbulence in LHD
在大螺旋装置中，高能粒子模式的变化被观察到作为He浓度变化的离子ITB型实验中，具有恒定的电子密度和输入加热功率，但在He丰富的放电中心离子温度的明显增加。这种活动由突发但阻尼的能量交换模式组成（EIC，X Du等人，物理修订版信函114 p.155003（2015）），其发生率在富He放电中显著降低。讨论了驱动和阻尼模式随He浓度变化的机制。这些EIC爆发包括径向电场的显著变化，该径向电场是从用2D相衬成像（PCI）系统测量的湍流的相速度导出的。在边缘快速离子诊断中检测到类似的突发。通过陀螺玻姆缩放的离子热传输被认为是对离子温度变化的贡献，尽管通过这些EIC模式的快速离子损失也可能对离子温度对He浓度的依赖性有贡献，最特别的是控制$T_{i}$轮廓中的“边缘基座”的高度。快离子的稳态水平示出为较大的富氦放电的基础上，一个紧凑的中性粒子分析仪（CNPA），和快离子成分的抗磁性存储的能量。这些事件也对湍流和运输产生影响。在这些事件期间产生的大速度剪切引起的瞬态改善约束和抑制湍流，并具有更大的净效应时，突发更频繁的氢放电。这正好抵消了氢气中增加的陀螺-玻姆相关湍流驱动，这导致氢气中的时间平均湍流水平与氦气中相同。
2018-02-06 physics.plasm-ph
Measurements and modelling of fast-ion redistribution due to resonant MHD instabilities in MAST
本文报道了MAST等离子体中环形诱导Alfvén本征模（TAE）和高能粒子模对NBI产生的快离子布居的影响的全面研究结果。由于频率啁啾TAE在50 kHz至100 kHz的范围内，和频率啁啾高能粒子模式称为鱼骨在20 kHz至50 kHz的范围内，观察到的快离子再分布。TAE和鱼骨也被观察到导致快离子从等离子体中损失。使用裂变室，径向扫描准直中子通量监测器，快离子氘α谱仪和带电聚变产物探测器确定快离子分布的空间和时间演化。建模使用全球运输分析代码TRANSP，与特设的异常扩散和鱼骨损失模型介绍，再现了粗的功能，受影响的快离子分布的能量粒子驱动模式的存在下。然而，光谱和空间分辨的测量结果表明，这些模型没有完全捕捉到啁啾模式对快离子分布的影响。
2015-03-23 physics.plasm-ph
