Podrobno

Accelerating Particle-in-Cell simulations in Tokamak Scrape-off Layer using segmented surrogate models
ID Vukašinović, Nikola (Avtor), ID Urbas, Uroš (Avtor), ID Kos, Leon (Avtor), ID Vasileska, Ivona (Avtor)

.pdfPDF - Predstavitvena datoteka, prenos (2,48 MB)
MD5: 6B2D9D54E465018CA916063B39283B95
URLURL - Izvorni URL, za dostop obiščite https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0952197626006135 Povezava se odpre v novem oknu

Izvleček
Achieving sustainable fusion energy critically depends on accurately modeling complex plasma dynamics within tokamak reactors, particularly in the Scrape-off Layer (SOL), where heat and particles directly interact with reactor walls, influencing reactor performance and component longevity. Particle-in-Cell (PIC) simulations, although highly accurate, are computationally expensive and time-consuming, limiting their use for iterative design and real-time control. We employ an Extreme Gradient Boosting (XGBoost)-based surrogate model to efficiently predict plasma potential along the tokamak SOL using data from PIC simulations under varying operating conditions. The machine learning (ML) approach integrates physics-informed segmentation of the spatial modeling domain, distinguishing sharply between sheath regions and the quasineutral bulk plasma. This segmentation substantially enhances the surrogate model’s predictive accuracy to localized physical phenomena, a marked improvement over traditional global modeling strategies. We utilize XGBoost regression with hyperparameter optimization achieved through a tailored leave-one-curve-out (LOCO) validation method, ensuring robust generalization to previously unseen plasma conditions. We found that a global model with segmented consideration of the spatial dimension based on boundary plasma physics captures localized behaviors more accurately. This segmented approach leads to a mean absolute percentage error (MAPE) of 3.2%, outperforming other methods. The main engineering application of this approach is the significant reduction in computational resources and simulation time required for fusion reactor design and real-time plasma control. This allows rapid iterative design, improved operational decision-making, and potentially extends the operational lifetime of reactor components.

Jezik:Angleški jezik
Ključne besede:fusion energy, plasma potential, machine learning, surrogate modeling, extreme gradient boosting method
Vrsta gradiva:Članek v reviji
Tipologija:1.01 - Izvirni znanstveni članek
Organizacija:FS - Fakulteta za strojništvo
Status publikacije:Objavljeno
Različica publikacije:Objavljena publikacija
Leto izida:2026
Št. strani:14 str.
Številčenje:Vol. 172, art. 114332
PID:20.500.12556/RUL-180118 Povezava se odpre v novem oknu
UDK:621.039:004.85
ISSN pri članku:0952-1976
DOI:10.1016/j.engappai.2026.114332 Povezava se odpre v novem oknu
COBISS.SI-ID:270229507 Povezava se odpre v novem oknu
Datum objave v RUL:03.03.2026
Število ogledov:260
Število prenosov:189
Metapodatki:XML DC-XML DC-RDF
:
Kopiraj citat
Objavi na:Bookmark and Share

Gradivo je del revije

Naslov:Engineering applications of artificial intelligence
Skrajšan naslov:Eng. appl. artif. intell.
Založnik:Pineridge Press
ISSN:0952-1976
COBISS.SI-ID:25396224 Povezava se odpre v novem oknu

Licence

Licenca:CC BY 4.0, Creative Commons Priznanje avtorstva 4.0 Mednarodna
Povezava:http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/deed.sl
Opis:To je standardna licenca Creative Commons, ki daje uporabnikom največ možnosti za nadaljnjo uporabo dela, pri čemer morajo navesti avtorja.

Sekundarni jezik

Jezik:Slovenski jezik
Ključne besede:fuzijska energija, plazemski potencial, strojno učenje, nadomestno modeliranje, metoda ekstremnega gradientnega ojačevanja

Projekti

Financer:ARIS - Javna agencija za znanstvenoraziskovalno in inovacijsko dejavnost Republike Slovenije
Številka projekta:P2-0425
Naslov:Decentralizirane rešitve za digitalizacijo industrije ter pametnih mest in skupnosti

Financer:ARIS - Javna agencija za znanstvenoraziskovalno in inovacijsko dejavnost Republike Slovenije
Številka projekta:P2-0405
Naslov:Fuzijske tehnologije

Financer:ARIS - Javna agencija za znanstvenoraziskovalno in inovacijsko dejavnost Republike Slovenije
Številka projekta:J2-60053
Naslov:Optimizacijsko ogrodje pridružene in umetne inteligence za optimizacijo kompleksnih večfizikalne simulacijskih modelom (A2FOMS)

Financer:ARIS - Javna agencija za znanstvenoraziskovalno in inovacijsko dejavnost Republike Slovenije
Številka projekta:N2-0335
Naslov:HEXAPIC - Delčna koda za heterogene računalniške arhiteture na ravni eksa

Financer:Drugi - Drug financer ali več financerjev
Program financ.:Luxembourg National Research Fund
Številka projekta:C23/IS/18105668/HEXAPIC
Naslov:HEXAPIC

Podobna dela

Podobna dela v RUL:
Podobna dela v drugih slovenskih zbirkah:

Nazaj