In this work, we utilize new coil objectives for stellarator optimization with autodifferentiation, including pointwise and net coil–coil forces and torques. We use these methods to perform the first large-scale optimization of planar dipole coil arrays, since arrays of small and geometrically simple coils have been proposed to partially produce the 3D magnetic fields for stellarators, generate advantageous magnetic field perturbations in tokamaks, and provide active, real-time control capabilities. We perform an ablation study to show that minimizing the orientation and location of each coil may be essential to get coil forces, coil torques, and field errors to tolerable levels. We conclude with solutions for three reactor-scale quasi-symmetric stellarators by jointly optimizing nonplanar TF coils and planar coil arrays.
本研究では、自動微分を用いたステラレータ最適化のための新しいコイル目的関数を利用する。これには、点別および正味のコイル間力とトルクが含まれる。我々はこれらの手法を用いて、平面ダイポールコイルアレイの初の大規模最適化を実行する。なぜなら、小型で幾何学的に単純なコイルのアレイは、ステラレータの3次元磁場を部分的に生成し、トカマクにおいて有利な磁場摂動を生成し、アクティブなリアルタイム制御能力を提供するために提案されてきたからである。我々は、各コイルの向きと位置について最小化することが、コイル力、コイルトルク、および磁場誤差を許容可能な水準に抑えるために不可欠であり得ることを示すアブレーション研究を実行する。最後に、非平面TFコイルと平面コイルアレイを共同最適化することにより、3つの炉規模準対称ステラレータに対する解を示す。