计算仿星器线圈复杂度相对于等离子体边界的形状梯度
等离子体物理
2021-04-26 v2
摘要
线圈复杂度是仿星器设计中的关键考量。传统的两步优化方法先优化等离子体边界以获得物理特性，随后优化线圈以与该边界一致，这可能导致无法用足够简单的线圈产生的等离子体形状。为应对此挑战，我们提出一种在等离子体边界优化中纳入线圈复杂度考量的方法。线圈复杂度度量由 REGCOIL 代码（Landreman 2017 Nucl. Fusion 57 046003）获得的电流势解算出。我们利用形状梯度（Landreman & Paul 2018 Nucl. Fusion 58 076023）计算这些度量相对于等离子体边界扰动的局部灵敏度。我们扩展 REGCOIL 以计算这些度量相对于描述等离子体边界的参数的导数。与先前绕线表面优化研究（Paul et al. 2018 Nucl. Fusion 58 076015）一致，形状导数采用离散伴随方法计算。与先前工作不同，导数是相对于等离子体而非绕线表面参数计算的。为进一步降低所需分辨率，我们提出一种更高效的等离子体表面表示，使用单一傅里叶级数描述距坐标轴的径向距离以及谱凝聚极向角。该表示优于 VMEC 代码（Hirshman & Whitson 1983 The Physics of Fluids 26 3553-3568）所用的标准柱坐标表示，因其提供了唯一确定的极向角，消除了等离子体表面优化中的零空间。所得形状梯度突出了与简单线圈一致的等离子体边界特征，并可用于耦合线圈与固定边界优化。
引用
@article{arxiv.2011.03702,
title = {Computing the shape gradient of stellarator coil complexity with respect to the plasma boundary},
author = {Arthur Carlton-Jones and Elizabeth J. Paul and William Dorland},
journal= {arXiv preprint arXiv:2011.03702},
year = {2021}
}