[论文解读] Modeling of Particle Transport, Neutrals and Radiation in Magnetically-Confined Plasmas with Aurora

F. Sciortino, T. Odstrčil+9 more|arXiv (Cornell University)|Jun 8, 2021

Magnetic confinement fusion research参考文献 31被引用 23

一句话总结

Aurora 是一个开源的多语言模拟软件包，用于模拟磁约束聚变等离子体中的粒子输运、中性粒子和辐射。它利用 ADAS 等来源的原子数据，实现高性能的 1.5D 杂质输运模拟，关键创新包括针对重离子的超级能级近似，以及验证了在 ITER 核心区域，电荷交换对辐射功率的影响可忽略不计。

ABSTRACT

We present Aurora, an open-source package for particle transport, neutrals and radiation modeling in magnetic confinement fusion plasmas. Aurora's modern multi-language interface enables simulations of 1.5D impurity transport within high-performance computing frameworks, particularly for the inference of particle transport coefficients. A user-friendly Python library allows simple interaction with atomic rates from the Atomic Data and Atomic Structure database as well as other sources. This enables a range of radiation predictions, both for power balance and spectroscopic analysis. We discuss here the superstaging approximation for complex ions, as a way to group charge states and reduce computational cost, demonstrating its wide applicability within the Aurora forward model and beyond. Aurora also facilitates neutral particle analysis, both from experimental spectroscopic data and other simulation codes. Leveraging Aurora's capabilities to interface SOLPS-ITER results, we demonstrate that charge exchange is unlikely to affect the total radiated power from the ITER core during high performance operation. Finally, we describe the ImpRad module in the OMFIT framework, developed to enable experimental analysis and transport inferences on multiple devices using Aurora.

研究动机与目标

• 开发一个现代、开源的框架，用于磁约束聚变装置中杂质输运、辐射和中性粒子的集成建模。
• 通过超级能级近似降低复杂离子建模的计算成本。
• 实现高性能、内存内模拟，以实现从实验数据快速推断输运系数。
• 促进与 SOLPS-ITER 和 FIDASIM 等主要聚变代码，以及用于实验分析的 OMFIT 框架的互操作性。
• 通过 ADAS 等来源的标准化原子数据，支持光谱分析和辐射功率预测。

提出的方法

• Aurora 实现了一个 1.5D 粒子输运前向模型，通过用户定义或推断的输运系数求解电荷态密度的耦合偏微分方程。
• 通过自动在线获取或本地文件输入，集成来自 ADAS 数据库及其他来源的原子速率系数。
• 超级能级近似将多个电荷态合并为超能级，以降低计算成本，同时保持辐射和输运预测的准确性。
• 该软件包提供一个 Python 库，用于解析 ADF15（PECs）、ADF04（GCR）及其他原子数据格式，支持发射谱强度和辐射功率的计算。
• 支持对 KN1D、FIDASIM 和 SOLPS-ITER 等代码输出的中性粒子数据进行后处理，实现电荷交换和中性束分析。
• OMFIT 中的 ImpRad 模块利用 Aurora 的物理模型和贝叶斯推断工具，实现跨多个装置的一致实验分析与输运系数推断。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 ITER 中，边缘中性粒子与离子的电荷交换在最后一张闭合磁面内对总辐射功率的影响有多大？
• RQ2 对于钨等重离子，超级能级近似在预测辐射和输运方面的准确性如何？
• RQ3 Aurora 的 1.5D 输运模型能否实现从实验数据高效推断粒子输运系数？
• RQ4 Aurora 能在多大程度上利用 ADAS 及其他来源的原子数据准确再现实验光谱信号？
• RQ5 Aurora 的模块化设计和开放架构在多大程度上支持与多样化聚变模拟与分析工作流的集成？

主要发现

• 超级能级近似显著降低了对钨等复杂离子建模的计算成本，同时保持了辐射和输运预测的准确性。
• 基于使用 Aurora 对 SOLPS-ITER 输出进行后处理的结果，电荷交换与边缘中性粒子对 ITER 核心区域总辐射功率的影响可忽略不计，尤其在高性能运行条件下。
• Aurora 实现了高性能、内存内 1.5D 模拟，与依赖磁盘 I/O 的方法相比，运行时间减少 10 倍以上，特别有利于输运系数的推断。
• OMFIT 中的 ImpRad 模块通过基于 Aurora 的统一物理模型，实现了跨多个装置的一致实验分析与输运系数推断。
• Aurora 与 EFIT、GACODE、SOLPS-ITER、FIDASIM 和 KN1D 的实验数据和模拟输出成功对接，支持跨代码验证与光谱分析。
• 该软件包支持 ADAS ADF15 和 ADF04 文件的自动解析与插值，可准确计算融合相关离子的发射谱强度与冷却系数。