Advanced stellarators are promising candidates for fusion reactors due to their intrinsic steady-state operation capability and excellent plasma confinement properties. Near-axis expansion (NAE) provides an efficient framework for directly constructing advanced stellarator configurations with quasisymmetry or quasi-isodynamicity. However, conventional low-order NAE is fundamentally restricted to large-aspect-ratio configurations, limiting its applicability to more compact designs. To overcome this limitation, we employ recursive near-surface expansion to extend the flux surface generated by NAE, enabling the design of significantly more compact stellarator configurations. The method is applied to design both quasisymmetric and quasi-isodynamic configurations. Compared with results obtained from the first-order NAE, the new method shows substantially improved agreement with configurations computed using three-dimensional equilibrium codes. In addition, the new approach reduces magnetic-axis deviations and enhances core plasma confinement. The proposed method can also use the higher-order NAE result as the initial surface to construct the configuration. This work demonstrates that the new asymptotic expansion framework can design compact advanced stellarators and offer a fresh perspective on stellarator configuration design.
先進ステラレーターは、その固有の定常運転能力と優れたプラズマ閉じ込め特性により、核融合炉の有望な候補である。近軸展開(NAE)は、準対称性または準等力学性を有する先進ステラレーター配位を直接構築するための効率的な枠組みを提供する。しかしながら、従来の低次NAEは原理的に大アスペクト比配位に限定されており、よりコンパクトな設計への適用性を制限している。この制限を克服するために、我々は再帰的近表面展開を用いてNAEによって生成された磁気面を拡張し、大幅によりコンパクトなステラレーター配位の設計を可能にする。本手法は、準対称配位と準等力学配位の両方の設計に適用される。一次NAEから得られた結果と比較して、新しい手法は三次元平衡コードを用いて計算された配位との一致が大幅に改善されることを示す。さらに、新しいアプローチは磁気軸のずれを低減し、コアプラズマの閉じ込めを強化する。提案手法は、高次NAEの結果を初期磁気面として使用して配位を構築することもできる。この研究は、新しい漸近展開枠組みがコンパクトな先進ステラレーターを設計でき、ステラレーター配位設計に新たな視点を提供することを実証する。