Deep learning approaches to recover the plasma current density profile from the safety factor based on Grad–Shafranov solutions across multiple tokamaks

托卡马克 感知器 安全系数 计算机科学 卷积神经网络 人工神经网络 理论(学习稳定性) 等离子体 人工智能 算法 物理 多层感知器 应用数学 机器学习 数学 核物理学
作者
Hanyu 瀚予 ZHANG 张,Lina 利娜 ZHOU 周,Yueqiang 钺强 LIU 刘,Guangzhou 广周 HAO 郝,Shuo 硕 WANG 王,Xu Yong,Yutian 雨田 MIAO 苗,Ping 萍 DUAN 段,Long 龙 CHEN 陈
出处
期刊:Plasma Science & Technology [IOP Publishing]
卷期号:26 (5): 055101-055101
标识
DOI:10.1088/2058-6272/ad13e3
摘要

Abstract Many magnetohydrodynamic stability analyses require generation of a set of equilibria with a fixed safety factor q -profile while varying other plasma parameters. A neural network (NN)-based approach is investigated that facilitates such a process. Both multilayer perceptron (MLP)-based NN and convolutional neural network (CNN) models are trained to map the q- profile to the plasma current density J -profile, and vice versa, while satisfying the Grad–Shafranov radial force balance constraint. When the initial target models are trained, using a database of semi-analytically constructed numerical equilibria, an initial CNN with one convolutional layer is found to perform better than an initial MLP model. In particular, a trained initial CNN model can also predict the q - or J -profile for experimental tokamak equilibria. The performance of both initial target models is further improved by fine-tuning the training database, i.e. by adding realistic experimental equilibria with Gaussian noise. The fine-tuned target models, referred to as fine-tuned MLP and fine-tuned CNN, well reproduce the target q - or J -profile across multiple tokamak devices. As an important application, these NN-based equilibrium profile convertors can be utilized to provide a good initial guess for iterative equilibrium solvers, where the desired input quantity is the safety factor instead of the plasma current density.
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