Fusion energy offers the potential for the generation of clean, safe, and nearly inexhaustible energy. While notable progress has been made in recent years, significant challenges persist in achieving net energy gain. Improving plasma confinement and stability stands as a crucial task in this regard and requires optimization and control of the plasma system. In this work, we deploy a PDE-constrained optimization formulation that uses a kinetic description for plasma dynamics as the constraint. This is to optimize, over all possible controllable external electric fields, the stability of the plasma dynamics under the condition that the Vlasov--Poisson (VP) equation is satisfied. For computing the functional derivative with respect to the external field in the optimization updates, the adjoint equation is derived. Furthermore, in the discrete setting, where we employ the semi-Lagrangian method as the forward solver, we also explicitly formulate the corresponding adjoint solver and the gradient as the discrete analogy to the adjoint equation and the Frechet derivative. A distinct feature we observed of this constrained optimization is the complex landscape of the objective function and the existence of numerous local minima, largely due to the hyperbolic nature of the VP system. To overcome this issue, we utilize a gradient-accelerated genetic algorithm, leveraging the advantages of the genetic algorithm's exploration feature to cover a broader search of the solution space and the fast local convergence aided by the gradient information. We show that our algorithm obtains good electric fields that are able to maintain a prescribed profile in a beam shaping problem and uses nonlinear effects to suppress plasma instability in a two-stream configuration.


翻译:聚变能源具有产生清洁、安全且近乎无限能源的潜力。尽管近年来取得了显著进展,但在实现净能量增益方面仍存在重大挑战。改善等离子体约束与稳定性是此领域的关键任务,需要对等离子体系统进行优化与控制。本研究提出了一种基于偏微分方程约束的优化框架,以等离子体动力学的动理学描述作为约束条件。该框架旨在所有可控外部电场中,寻找满足Vlasov-Poisson(VP)方程条件下使等离子体动力学稳定性最优的电场。为计算优化迭代中对外部电场的泛函导数,我们推导了伴随方程。此外,在采用半拉格朗日方法作为正向求解器的离散框架中,我们明确构建了相应的伴随求解器,并将梯度定义为伴随方程与弗莱歇导数的离散类比。该约束优化的一个显著特征是目标函数的复杂景观及大量局部极小值的出现,这主要源于VP系统的双曲特性。为克服这一问题,我们采用了梯度加速遗传算法,既利用遗传算法探索特性覆盖更广的解空间搜索范围,又借助梯度信息实现快速局部收敛。研究表明,该算法在束流整形问题中可获取能够维持预设轮廓的优质电场,并通过非线性效应在双流构型中有效抑制等离子体不稳定性。

0
下载
关闭预览

相关内容

不可错过!《机器学习100讲》课程,UBC Mark Schmidt讲授
专知会员服务
76+阅读 · 2022年6月28日
【干货书】机器学习速查手册,135页pdf
专知会员服务
129+阅读 · 2020年11月20日
专知会员服务
41+阅读 · 2020年9月6日
Linux导论,Introduction to Linux,96页ppt
专知会员服务
82+阅读 · 2020年7月26日
强化学习最新教程,17页pdf
专知会员服务
182+阅读 · 2019年10月11日
【哈佛大学商学院课程Fall 2019】机器学习可解释性
专知会员服务
106+阅读 · 2019年10月9日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
无监督元学习表示学习
CreateAMind
27+阅读 · 2019年1月4日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
【论文】变分推断(Variational inference)的总结
机器学习研究会
39+阅读 · 2017年11月16日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
VIP会员
最新内容
博士论文 | 面向大模型推理的内存高效算法
专知会员服务
0+阅读 · 40分钟前
美空军新型反无人机部队初探
专知会员服务
4+阅读 · 今天5:45
《防空交战流程的概率建模研究》
专知会员服务
6+阅读 · 今天5:04
ICML 2026 教程 | 数值优化理论还重要吗?
专知会员服务
4+阅读 · 7月26日
ICM 2026 | 陶哲轩:人工智能时代的数学
专知会员服务
8+阅读 · 7月26日
《反无人机交战场景下的战斗归零研究》
专知会员服务
7+阅读 · 7月26日
博士论文 | 用代码结构感知方法推进代码大模型
相关VIP内容
不可错过!《机器学习100讲》课程,UBC Mark Schmidt讲授
专知会员服务
76+阅读 · 2022年6月28日
【干货书】机器学习速查手册,135页pdf
专知会员服务
129+阅读 · 2020年11月20日
专知会员服务
41+阅读 · 2020年9月6日
Linux导论,Introduction to Linux,96页ppt
专知会员服务
82+阅读 · 2020年7月26日
强化学习最新教程,17页pdf
专知会员服务
182+阅读 · 2019年10月11日
【哈佛大学商学院课程Fall 2019】机器学习可解释性
专知会员服务
106+阅读 · 2019年10月9日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
相关资讯
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
无监督元学习表示学习
CreateAMind
27+阅读 · 2019年1月4日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
【论文】变分推断(Variational inference)的总结
机器学习研究会
39+阅读 · 2017年11月16日
相关基金
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员