Second stability region for gyrokinetics and the L-H transition
École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL)（洛桑联邦理工学院）；Max-Planck-Institut für Plasmaphysik（马克斯·普朗克等离子体物理研究所）
本文研究了双稳定性区域在线性磁流体动力学平衡模式中的存在，表明在等离子体进入H模式时，bootstrap电流和Shafranov位移改变磁场，导致等离子体进入该区域。通过模拟更现实的磁场几何结构，展示了从L模式到H模式的碰撞less电离层湍流输运显著降低，这是由于bootstrap电流降低全局磁旋度和压力梯度改变局部磁旋度所致。
2026-11-10 physics.plasm-ph
Gauge-invariant variational formulations of electromagnetic gyrokinetic theory
本文通过推导回旋中心坐标变换的充分条件，提出一族规范不变的回旋动理学模型，可直接用电磁场表述，并保留正确的阿尔芬波频率。
2025-06-18 physics.plasm-ph
A quasi-linear gyrokinetic transport model for tokamak plasmas
托卡马克等离子体的准线性回旋运动输运模型的发展，最终设计提供物理上全面的热力学相关量的时间演化的预测，是一项任务，需要理论，实验和数值研究之间的紧密联系。这里提出的模型框架，它操作的非线性自组织等离子体动力学的复杂性降低，实际上允许多重验证目前的理解托卡马克微湍流。这项工作的主要成果源于制定这种简化运输模型所涉及的基本步骤，即：（1）准线性等离子体响应对非线性计算解的验证，（2）通过非线性代码对湍流测量的精确验证来改进湍流饱和度模型，（3）准线性模型在集成传输解算器中的集成。
2012-04-15 physics.comp-ph physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Hierarchy of second-order gyrokinetic Hamiltonian models for particle-in-cell codes
约化粒子模型是从第一性原理系统地推导出回旋运动的弗拉索夫-麦克斯韦方程组的核心要素。耦合到内的回旋运动场粒子拉格朗日的字段，减少粒子模型定义的极化和磁化效应出现在回旋运动的麦克斯韦方程组。它也被用于从粒子特性的陀螺运动的Vlasov方程的重建。根据回旋运动相空间坐标的选择，可以使用各种简化粒子模型的表示。在本文中，简化粒子动力学的哈密尔顿表示在一个适合的实施在粒子细胞模拟的顺序明确来自一般的减少过程。二阶（相对于波动电磁场）、完整的有限拉莫尔半径（FLR）汉密尔顿回旋动力学粒子模型以及专门适用于长波长近似的二阶模型（即，包含高达二阶FLR校正），推导和比较最近实施的粒子在细胞代码ORB 5的模型。我们表明，同样的长波长近似方程也可以通过采取适当的限制的完整的FLR模型。
2017-03-15 nlin.CD physics.plasm-ph
Gyrokinetic theory with polynomial transforms: a model for ions and electrons in maximal ordering
我们提出了一种新的推导的回旋运动场粒子拉格朗日的非碰撞离子-电子等离子体在磁场背景的强烈变化（最大排序）。我们的方法遵循两步还原过程，其中引导中心坐标变换之后是单粒子相空间中的陀螺中心坐标变换。第一次，这两个步骤都在一个独特的方法，基于近身份的坐标变换构造为多项式变换。这些都是定义良好的变换，由有限数量的项组成，这些项相对于生成函数是线性和代数的。推导是在一个完全无量纲的框架内进行的，基于磁聚变实验ASDEX升级和ITER的参数。我们的方法导致一个gyrokinetic的离子和电子的Vlasov-Maxwell模型，而不使用Lie微扰方法。结果发现，基于所采用的排序，曲率项，如陀螺仪项和Baños漂移出现在一阶的离子哈密顿量，而离子极化项只出现在二阶。相比之下，曲率项是缺席的一阶电子哈密顿，而不是磁颤振发挥作用。
2019-09-11 physics.plasm-ph
Turbulent broadening of electron heat-flux width in electromagnetic gyrokinetic simulations of a helical scrape-off layer model
我们表明，交叉场运输的刮除层（SOL）可以适度增加电磁效应在高β制度，导致在更广泛的电子热通量的宽度上的终板。这一结论是从全$f$电磁陀螺动力学模拟的螺旋SOL模型，大致近似的SOL的国家球形环面实验（NSTX）。Gkeyll代码，最近成为第一个代码，以证明有能力模拟开放的磁场线鞘边界条件的电磁回旋湍流的模拟已经进行。我们扫描源速率，从而扫描$β$，以便在实验相关范围$α= 0.3-1.5$上扫描归一化压力梯度（MHD气球参数$α\propto \partial β/ \partial r \propto β/ L_p$）。当β增加时，中平面附近的压力梯度标度长度$L_p$几乎没有变化，中平面附近的交叉场传输增加10%会导致电子热通量宽度$λ_q$增加，到达终板的峰值电子热通量减少25%。
2022-04-26 physics.plasm-ph
Gyrokinetic theory of slab universal modes and the non-existence of the Gradient Drift Coupling (GDC) instability
本文用局部近似法分析了无碰撞平板几何的回转运动线性稳定性。我们专注于$k_\parallel=0$普遍（或熵）模式驱动的等离子体梯度在小和大等离子体$k_\parallel=0$。这些是小尺度非MHD不稳定性，增长率通常在$k_\perpρ_i\sim 1$附近达到峰值，在长波长$k_\perp\to 0$极限处消失。这项工作还讨论了被称为梯度漂移耦合（GDC）的不稳定性，以前在gyrokinetic文献中报道的模式，它有一个有限的增长率$γ= \sqrt{β/[2(1+β)]} C_s/|L_p|$与$C_s^2=p_0/ρ_0$的$k_\perp\to 0$和普遍不稳定的$1/L_p\neq 0$。我们表明，GDC不稳定性是一个虚假的，非物理的人工制品，错误地出现由于未能尊重总平衡压力平衡$p_0+B_0^2/(8π)=\text{constant}$，这使得假设$B_0'=0$不一致，如果$p_0'\neq 0$。
2018-04-03 physics.plasm-ph
Study of the impact of fast ions on core turbulence at rational surfaces via global gyrokinetic simulations
Institute for Fusion Studies, The University of Texas at Austin（德克萨斯大学奥斯汀分校聚变研究所）
本研究通过gyrokinetic模拟揭示快离子通过降低不稳定性阈值和生成zonal结构来抑制湍流，显著减少湍流输运。
2025-12-21 physics.plasm-ph
Energetic Consistency and Momentum Conservation in the Gyrokinetic Description of Tokamak Plasmas
陀螺运动场论是在一般哈密顿量的背景下解决的。背景磁几何是静态的和轴对称的，并且拉格朗日量对动力学变量的所有依赖都是在哈密顿量或自由场项中。场的方程由函数导数给出。通过哈密顿量的对称性与时间和几何的环角不变性导致能量和环动量守恒。在对涨落幅度的不同排序水平中，能量一致性是精确的。强调了这一点在支持守恒定律中的作用。局部输运方程的涡量，环动量，和能量的推导。特别是，动量方程示出任何形式的哈密尔顿表现良好，并放宽其磁流体动力学（MHD）的形式时，采取长波长近似的哈密尔顿。目前使用的几种形式，这些形式的基础上，大多数全球性的模拟，被证明是很好地定义内的gyrokinetic场论和精力充沛的一致性。
2010-10-11 physics.plasm-ph
Predicting the Z-pinch Dimits shift through gyrokinetic tertiary instability analysis of the entropy mode
由自生带状流引起的Dimits位移，即湍流从线性不稳定性阈值开始的上移，可以极大地提高磁约束等离子体装置的性能。除了在简单的情况下，使用流体近似和模型磁几何，这种现象已被证明是难以理解和定量预测。为了弥合简单模型和现实的治疗之间的巨大差距，在环形磁几何形状（例如托卡马克或仿星器）的复杂性，目前的工作使用完全gyrokinetic模拟在Z箍缩几何形状调查的迪米特移位通过镜头的三级不稳定性分析，它描述了出现漂移波从纬向主导状态。一些功能的第三不稳定，以前观察到的流体模型，被证实仍然存在。最重要的是，一种有效的简化模式三级模型，其先前被证明成功地预测了陀螺流体极限中的Dimits偏移（Hallenbert & Plunk，J.Plasma Phys.，Vol.87，issue 05，2021，905870508），在这里被发现是准确的，仅进行轻微修改以考虑动力学效应。
2021-11-15 physics.plasm-ph
The anisotropic redistribution of free energy for gyrokinetic plasma turbulence in a Z-pinch
对于一个Z箍缩几何形状，我们报告的非线性重新分配的自由能跨尺度垂直于磁导场，为一个湍流等离子体的框架中描述的陀螺动力学。使用局部通量面近似进行分析，在由熵模式驱动的静电波动为主的制度，与离子和电子物种被处理动力学。为了探索由纬向流的出现所引起的自由能重新分布的各向异性性质，我们使用极坐标表示场垂直方向，并定义角密度的尺度通量。正值的经典定义的（角度积分）规模的通量，这表示一个直接的能量级联，被证明也是由负的角度部分，这一事实影响我们的理解的能量的后向散射和它进入湍流的亚网格尺度的建模的方式。定义了自由能在垂直方向上的通量，表明纬向流存在时能量的再分布是高度各向异性的。
2015-12-18 physics.plasm-ph
Neoclassical transport of tungsten ion bundles in total-f neoclassical gyrokinetic simulations of a whole-volume JET-like plasma
本文在全f回旋动理学模拟中提出钨离子捆绑方法以高效模拟多种电荷态，并在全体积类JET等离子体中揭示了钨在台基顶部的积累机制及其与极向不对称性和温度屏蔽效应的关系。
2024-10-18 physics.plasm-ph
An E & B Gyrokinetic Simulation Model for Kinetic Alfvén Waves inTokamak Plasmas
回旋粒子模拟是研究托卡马克等离子体中输运、非线性现象和高能粒子物理的有力工具。虽然大多数陀螺动力学模拟都使用标量和矢量势，但通过使用一般和全面形式的E和B场开发了一种新模型（GK-E&B），并已用于模拟均匀等离子体中的动力学Alfvén波[Chen et al，Science China Phys. Mechanics & Astronomy 64（2021）]。在我们的工作中，Chen等人的GK-E&B模型已经在一般托卡马克几何中明确地使用特定坐标表示。数值结果与Chen等人的工作吻合较好，理论色散关系与局部螺旋箍缩模型的数值结果吻合较好。数值结果表明，在一个现实的参数制度的燃烧等离子体在高值的$β/( M_e k_\perp^2 ρ_i^2)$，这是传统的方法，由于"取消“的问题具有挑战性的优异性能。作为一个应用，GK-E&B模型在局部极限中用动力学电子实现。在匹配ITPA-TAE参数的情况下，数值结果表明GK-E&B能处理实际托卡马克等离子体参数的平行电子朗道阻尼。作为另一个应用，GK-E&B模型的实施与占主导地位的电子贡献$E_\|$在冷电子限制。它的能力，在模拟有限的$E_\|$由于有限的电子质量被证明。
2021-11-11 physics.plasm-ph
A Hybrid Gyrokinetic Ion and Isothermal Electron Fluid Code for Astrophysical Plasma
本文描述了一个新的模拟天体物理等离子体的程序，它解决了由回旋离子（GKI）和等温电子流体（ITEF）组成的混合模型[A。Schekochihin等人，占星术。J. Suppl. \textbf{182}，310（2009）]。该模型捕捉离子动力学效应，是重要的离子回旋半径尺度附近，而电子动力学效应是由电子离子质量比膨胀订购。该代码是通过将ITEF近似合并到{ \tt AstroGK}中来开发的，{ \tt AstroGK}是专门针对平板几何的欧拉$δf$陀螺动力学代码[R. Numata等人，J.计算。报酬。\textbf{229}，9347（2010）]。新的代码处理的ITEF方程中的线性项隐式，而非线性项显式处理。我们展示了线性和非线性基准测试，以证明模拟代码的有效性和适用性。由于快速电子时标被质量比膨胀消除，柯朗-弗里德里希-路易条件的限制比完全陀螺动力学代码少得多;本混合代码运行速度比{ \tt AstroGK}\快$\sim 2\sqrt{m_\mathrm{i}/m_\mathrm{e}} \sim 100$倍，其中$m_\mathrm{i}/m_\mathrm{e}$是离子-电子质量比。的计算时间的改善，使得它能够执行离子尺度的gyrokinetic模拟与高速度的空间分辨率，并运行多个模拟，以确定依赖的湍流动力学参数，如电子-离子温度比和等离子体β。
2018-02-02 physics.comp-ph physics.plasm-ph
On the importance of parallel magnetic-field fluctuations for electromagnetic instabilities in STEP
本文针对STEP托卡马克等离子体，通过回旋动理学模拟研究平行磁场涨落对电磁不稳定性的影响，分析MHD近似的适用性及局限性，明确大输运状态的成因并非仅源于δB∥物理。
2024-05-20 physics.plasm-ph
Gyrokinetic simulations of neoclassical electron transport and bootstrap current generation in tokamak plasmas in the TRIMEG code
本研究在基于三角形网格的回旋动理学程序TRIMEG中实现简化洛伦兹碰撞算符，推导非结构化网格下的通量面平均计算方法，验证了其计算电子输运与自举电流的能力，为后续自洽纳入新经典效应奠定基础。
2023-06-13 physics.plasm-ph
Quasilinear particle transport from gyrokinetic instabilities in general magnetic geometry
在静电和无碰撞近似下，保持磁场的几何形状为任意的，计算了由回旋运动不稳定性引起的准线性粒子通量。特别地，电子和重杂质离子的通量研究的限制，前者移动得很快，后者缓慢，沿场相比，模式频率。得出的结论是如何这些物种的粒子通量取决于磁场的几何形状，模式结构和频率的不稳定性。在某些条件下，例如处处有利或不利的磁曲率和适度的温度梯度，有可能对磁通量作出一般性的陈述，而与不稳定性的细节无关。对于大多数粒子来说，在具有良好的反弹平均曲率的准等动力仿星器中，如果温度梯度不是太大，粒子通量总是向外的，这表明可能很难用从壁面喷出的气体为这种设备提供燃料。在具有主要不利的磁曲率的设备中，粒子通量可以向内，导致等离子体中心的自发密度峰值。在高电荷杂质的限制下，普通扩散（与密度梯度成比例）在其他传输通道上占主导地位，扩散系数变得与质量和电荷无关。由离子温度梯度不稳定性引起的磁场波动所造成的运输水平的估计也给出，并示出是小的静电分量相比。
2018-05-25 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
Global gyrokinetic simulations of the impact of magnetic island on ion temperature gradient driven turbulence
本文利用全局回旋动理学模拟研究磁岛宽度对磁岛与离子温度梯度湍流多尺度相互作用的影响，揭示涡旋流、带状流及湍流输运随磁岛宽度的变化规律。
2023-06-09 physics.plasm-ph
5D Neural Surrogates for Nonlinear Gyrokinetic Simulations of Plasma Turbulence
ELLIS Unit, LIT AI Lab, Institute for Machine Learning, JKU Linz（ELLIS单元、LIT AI实验室、林茨约翰内斯·开普勒大学机器学习研究所）；UKAEA (United Kingdom Atomic Energy Authority)（英国原子能管理局）；Emmi AI GmbH（Emmi AI有限公司）
针对等离子体湍流非线性回旋动力学模拟5D分布函数数值求解成本高的问题，提出将分层视觉Transformer扩展到五维并在绝热电子近似下训练的神经替代模型，其单步预测速度比数值代码快两个数量级，可加速核聚变能源部署。
2025-02-11 cs.AI cs.LG physics.plasm-ph
Energetic particles, Shafranov shift and finite $β$ effects on TAE, KBM and ITG instabilities in global electromagnetic gyrokinetic simulations
Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne（洛桑联邦理工学院）；Max-Planck-Institut für Plasmaphysik（马克斯·普朗克等离子体物理研究所）；Université de Lorraine（洛林大学）；De Vinci Higher Education（德文奇高等教育）；University of Warwick（华威大学）
本文研究了强动能梯度和小比例的融合生高能粒子对等离子体稳定性的影响，通过全球gyrokinetic代码ORB5分析了Alfvén特征模、离子温度梯度模和动能气球模的线性和非线性稳定性，探讨了Shafranov位移和有限β效应的作用。
2026-09-07 physics.plasm-ph
Towards fully predictive gyrokinetic full-f simulations: validation and triangularity studies in TCV
Princeton Plasma Physics Laboratory（普林斯顿等离子体物理实验室）；General Atomics（通用原子能公司）；University of California San Diego（加州大学圣地亚哥分校）；Sandia National Laboratories（桑迪亚国家实验室）
本研究通过Gkeyll模拟展示了TCV装置中负三角形对约束改善的影响，验证了gyrokinetic方法在预测湍流和等离子体剖面方面的可行性。
2026-02-03 physics.app-ph physics.comp-ph physics.plasm-ph
Suppression of core turbulence by profile shaping in Wendelstein 7-X
在Wendelstein 7-X磁约束实验中，湍流密度波动的减少以及异常杂质扩散与等离子体密度分布的峰值有关。这些影响与改善限制，出现在很大程度上是由于减少异常运输的变化，新古典运输是小的。所观察到的湍流热通量的减少与密度梯度的增加是一致的非线性gyrokinetic模拟，并已被归因于独特的几何形状的W7-X，限制了被困电子模式的严重性。
2020-10-05 physics.plasm-ph
Fast electrostatic microinstability evaluation in arbitrary toroidal magnetic geometry using a variational approach
Eindhoven University of Technology（埃因霍温理工大学）；Dutch Institute for Fundamental Energy Research（荷兰基础能源研究所）；Ruhr-Universität Bochum（波鸿鲁尔大学）
本文提出了一种基于变分方法的半解析色散关系，用于在任意托卡马克磁几何中快速评估离子温度梯度和被俘电子模的静电微不稳定性。
2025-12-05 physics.plasm-ph
Dimits shift, avalanche-like bursts, and Solitary propagating structures in the two-field Flux-Balanced Hasegawa-Wakatani model for plasma edge turbulence
我们表明，最近引入的双场通量平衡长谷川-若谷（BHW）模型捕捉了在更完整和准确的陀螺动力学模拟中观察到的纬向流介导的漂移波湍流传输的关键特征，例如漂移波湍流驱动传输阈值的非线性上移，通常称为Dimits移位，以及具有雪崩爆发和孤立传播结构的非局部输运。由于在BHW模型中所作的近似，这些观测是针对粒子通量而不是热通量进行的，而热通量更常见于在流体或回旋动力学代码中的离子温度梯度（ITG）驱动的湍流中进行研究。这些特征中的许多在其他长谷川-若谷模型中是看不到的，这证实了平行于磁场线的电子动力学的关键作用。为了解决漂移波纬向流动力学的边界条件的作用的问题，我们将我们的模型应用到通道域的几何形状和更典型的双周期几何形状。我们只观察到强烈的孤子般的解决方案中的粒子通量的通道几何形状，在边界附近，在那里产生强烈的速度剪切和密度梯度，这是不存在的双周期模拟。更改模拟域的纵横比也会产生显著影响。在径向拉长的区域中，发生了更复杂的多尺度动力学，多个纬向喷流相互作用，以及大规模的雪崩。
2020-06-18 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
