Papers
Topics
Authors
Recent
2000 character limit reached

Advanced fuel fusion, phase space engineering, and structure-preserving geometric algorithms (2402.09622v1)

Published 14 Feb 2024 in physics.plasm-ph, cs.NA, math-ph, math.MP, math.NA, math.SG, and physics.comp-ph

Abstract: Non-thermal advanced fuel fusion trades the requirement of a large amount of recirculating tritium in the system for that of large recirculating power. Phase space engineering technologies utilizing externally injected electromagnetic fields can be applied to meet the challenge of maintaining non-thermal particle distributions at a reasonable cost. The physical processes of the phase space engineering are studied from a theoretical and algorithmic perspective. It is emphasized that the operational space of phase space engineering is limited by the underpinning symplectic dynamics of charged particles. The phase space incompressibility according to the Liouville theorem is just one of many constraints, and Gromov's non-squeezing theorem determines the minimum footprints of the charged particles on every conjugate phase space plane. In this sense and level of sophistication, the mathematical abstraction of phase space engineering is symplectic topology. To simulate the processes of phase space engineering, such as the Maxwell demon and electromagnetic energy extraction, and to accurately calculate the minimum footprints of charged particles, recently developed structure-preserving geometric algorithms can be used. The family of algorithms conserves exactly, on discretized spacetime, symplecticity and thus incompressibility, non-squeezability, and symplectic capacities. The algorithms apply to the dynamics of charged particles under the influence of external electromagnetic fields as well as the charged particle-electromagnetic field system governed by the Vlasov-Maxwell equations.

Definition Search Book Streamline Icon: https://streamlinehq.com
References (98)
  1. R. W. Bussard and N. A. Krall, Fusion Technology 26, 1326 (1994).
  2. N. Rostoker, M. W. Binderbauer, and H. J. Monkhorst, Science 278, 1419 (1997).
  3. W. M. Nevins, Journal of Fusion Energy 17, 25 (1998a).
  4. V. Volosov, Nuclear Fusion 46, 820 (2006).
  5. S. Son and N. Fisch, Physics Letters A 356, 72 (2006).
  6. E. Mazzucato, Fundamental Plasma Physics 6, 100022 (2023).
  7. T. H. Rider, Physics of Plasmas 4, 1039 (1997).
  8. W. M. Nevins, Science 281, 307 (1998b).
  9. I. E. Ochs and N. J. Fisch, Physical Review Letters 127, 025003 (2021).
  10. E. J. Kolmes, I. E. Ochs, and N. J. Fisch, Physics of Plasmas 29, 10.1063/5.0119434 (2022).
  11. V. R. Munirov and N. J. Fisch, Physical Review E 107, 065205 (2023).
  12. I. E. Ochs and N. J. Fisch, Physics of Plasmas 31, 10.1063/5.0184945 (2024).
  13. N. J. Fisch and J.-M. Rax, Physical Review Letters 69, 612 (1992).
  14. N. J. Fisch, Physics of Plasmas 2, 2375 (1995).
  15. N. Fisch and M. Herrmann, Nuclear Fusion 35, 1753 (1995).
  16. M. C. Herrmann and N. J. Fisch, Physical Review Letters 79, 1495 (1997).
  17. I. E. Ochs, N. Bertelli, and N. J. Fisch, Physics of Plasmas 22, 10.1063/1.4928903 (2015).
  18. T. H. Stix, Waves in Plasmas (Springer, New York, 1992) rev. and updated ed. of: The theory of plasma waves. 1962.
  19. I. Dodin, Journal of Plasma Physics 88, 10.1017/s0022377822000502 (2022).
  20. A. H. Reiman, The Physics of Fluids 26, 1338 (1983).
  21. Y. Yoshioka, S. Kinoshha, and T. Kobayashi, Nuclear Fusion 24, 565 (1984).
  22. A. Reiman and N. Fisch, Physical Review Letters 121, 225001 (2018).
  23. N. J. Fisch, Reviews of Modern Physics 59, 175 (1987).
  24. E. Courant and H. Snyder, Annals of Physics 3, 1 (1958).
  25. A. W. Chao, Physics of Collective Beam Instabilities in High Energy Accelerators (Wiley, New York, 1993).
  26. T. P. Wangler, Principles of RF Linear Accelerators (John Wiley & Sons Inc., New York, 1998).
  27. R. C. Davidson and H. Qin, Physics of Intense Charged Particle Beams in High Energy Accelerators (Imperial College Press and World Scientific, Singapore, 2001).
  28. L. Szilard, Zeitschrift für Physik 53, 840 (1929).
  29. L. Brillouin, Journal of Applied Physics 22, 334 (1951).
  30. R. Landauer, IBM Journal of Research and Development 5, 183 (1961).
  31. C. H. Bennett, International Journal of Theoretical Physics 21, 905 (1982).
  32. W. H. Zurek, Nature 341, 119 (1989).
  33. R. Landauer, Science 272, 1914 (1996).
  34. N. J. Fisch, J. M. Rax, and I. Y. Dodin, Physical Review Letters 91, 205004 (2003).
  35. I. Y. Dodin, N. J. Fisch, and J. M. Rax, Physics of Plasmas 11, 5046 (2004).
  36. P. Helander, Journal of Plasma Physics 83, 10.1017/s0022377817000496 (2017).
  37. E. J. Kolmes, P. Helander, and N. J. Fisch, Physics of Plasmas 27, 10.1063/5.0009760 (2020).
  38. P. Helander, Journal of Plasma Physics 86, 10.1017/s0022377820000057 (2020).
  39. E. J. Kolmes and N. J. Fisch, Physical Review E 106, 055209 (2022).
  40. C. S. Gardner, The Physics of Fluids 6, 839 (1963).
  41. I. Dodin and N. Fisch, Physics Letters A 341, 187 (2005).
  42. E. J. Kolmes and N. J. Fisch, Physical Review E 102, 063209 (2020).
  43. J. E. Marsden and T. Ratiu, Introduction to mechanics and symmetry: a basic exposition of classical mechanical systems, Vol. 17 (Springer Science & Business Media, 2013).
  44. H. Qin, Fields Institute Communications 46, 171 (2005).
  45. M. Gromov, Inventiones Mathematicae 82, 307 (1985).
  46. I. Stewart, Nature 329, 17 (1987).
  47. H. Hofer and E. Zehnder, Symplectic invariants and Hamiltonian dynamics (Birkhauser Verlag, 1994).
  48. M. de Gosson, Symplectic Geometry and Quantum Mechanics (Birkhäuser Verlag, Basel, 2006).
  49. M. de Gosson and F. Luef, Physics Reports 484, 131 (2009).
  50. M. A. de Gosson, Foundations of Physics 39, 194 (2009).
  51. M. A. de Gosson and B. J. Hiley, Foundations of Physics 41, 1415 (2011).
  52. M. A. de Gosson, American Journal of Physics 81, 328 (2013).
  53. M. A. de Gosson and B. Hiley, The Principles of Newtonian and Quantum Mechanics: The Need for Planck’s Constant, h (WORLD SCIENTIFIC, 2016).
  54. I. Ekeland and H. Hofer, Mathematische Zeitschrift 200, 355 (1989).
  55. I. Ekeland and H. Hofer, Mathematische Zeitschrift 203, 553 (1990).
  56. D. McDuff and D. Salamon, Introduction to Symplectic Topology (Oxford University Press, 2017).
  57. H. Qin, M. Chung, and R. C. Davidson, Physical Review Letters 103, 224802 (2009).
  58. H. Qin, R. C. Davidson, and B. G. Logan, Physical Review Letters 104, 254801 (2010).
  59. H. Qin and R. C. Davidson, Physics of Plasmas 18, 056708 (2011).
  60. H. Qin and R. C. Davidson, Physical Review Letters 110, 064803 (2013).
  61. M. Chung and H. Qin, Physics of Plasmas 25, 011605 (2018).
  62. H. Qin, Journal of Mathematical Physics 60, 022901 (2019).
  63. Z. R. Iwinski and L. A. Turski, Letters in Applied and Engineering Sciences 4, 179 (1976).
  64. P. J. Morrison, Physics Letters A 80, 383 (1980).
  65. A. Weinstein and P. J. Morrison, Physics Letters A 86, 235 (1981).
  66. P. J. Morrison, AIP Conf. Proc. 88, 13 (1982).
  67. J. E. Marsden, Canadian Mathematical Bulletin 25, 129 (1982).
  68. J. E. Marsden and A. Weinstein, Physica D: Nonlinear Phenomena 4, 394 (1982).
  69. H. Qin and X. Guan, Physical Review Letters 100, 035006 (2008).
  70. J. Xiao and H. Qin, Computer Physics Communications 241, 19 (2019a).
  71. J. Squire, H. Qin, and W. M. Tang, Geometric Integration of the Vlasov-Maxwell System with a Variational Particle-in-cell Scheme, Tech. Rep. PPPL-4748 (Princeton Plasma Physics Laboratory, 2012).
  72. J. Squire, H. Qin, and W. M. Tang, Physics of Plasmas 19, 084501 (2012b).
  73. P. J. Morrison, Physics of Plasmas 24, 055502 (2017).
  74. J. W. Burby, Physics of Plasmas 24, 032101 (2017).
  75. J. Xiao, H. Qin, and J. Liu, Plasma Science and Technology 20, 110501 (2018).
  76. J. Xiao and H. Qin, Nuclear Fusion 59, 106044 (2019b).
  77. A. S. Glasser and H. Qin, Journal of Plasma Physics 86, 835860303 (2020).
  78. K. Kormann and E. Sonnendrücker, Journal of Computational Physics 425, 109890 (2021).
  79. B. Perse, K. Kormann, and E. Sonnendrücker, SIAM Journal on Scientific Computing 43, B194 (2021).
  80. A. S. Glasser and H. Qin, Journal of Plasma Physics 88, 10.1017/s0022377822000290 (2022).
  81. M. Campos Pinto, K. Kormann, and E. Sonnendrücker, Journal of Scientific Computing 91, 10.1007/s10915-022-01781-3 (2022).
  82. J. W. Burby, Scientific Reports 13, 10.1038/s41598-023-45416-5 (2023).
  83. A. Matsuyama and M. Furukawa, Computer Physics Communications 220, 285 (2017).
  84. A. V. Higuera and J. R. Cary, Physics of Plasmas 24, 052104 (2017).
  85. J. Boris, in Proceedings of the Fourth Conference on Numerical Simulation of Plasmas (Naval Research Laboratory, Washington D. C., 1970) p. 3.
  86. M. Winkel, R. Speck, and D. Ruprecht, Journal of Computational Physics 295, 456 (2015a).
  87. M. Winkel, R. Speck, and D. Ruprecht, PAMM 15, 687 (2015b).
  88. E. Hairer and C. Lubich, BIT Numerical Mathematics 58, 969 (2018).
  89. C. Ellison, J. Burby, and H. Qin, Journal of Computational Physics 301, 489 (2015).
  90. T. Umeda, Computer Physics Communications 228, 1 (2018).
  91. S. Zenitani and T. Umeda, Physics of Plasmas 25, 112110 (2018).
  92. E. Hairer, C. Lubich, and B. Wang, Numerische Mathematik 144, 787 (2020).
  93. S. Zenitani and T. N. Kato, Computer Physics Communications 247, 106954 (2020).
  94. J. Xiao and H. Qin, Computer Physics Communications 265, 107981 (2021b).
  95. Y. Fu, X. Zhang, and H. Qin, Journal of Computational Physics 449, 110767 (2022).
  96. E. Hairer, C. Lubich, and Y. Shi, Numerische Mathematik 151, 659 (2022).
  97. C. Lubich and Y. Shi, BIT Numerical Mathematics 63, 10.1007/s10543-023-00951-5 (2023).
  98. E. Hairer, C. Lubich, and Y. Shi, SIAM Journal on Numerical Analysis 61, 2844 (2023).
Citations (1)
View on Semantic Scholar

Summary

We haven't generated a summary for this paper yet.

Ai Sparkles Streamline Icon: https://streamlinehq.com Summarize Now

Whiteboard

Open Problems

We found no open problems mentioned in this paper.

Continue Learning

We haven't generated follow-up questions for this paper yet.

Ai Sparkles Streamline Icon: https://streamlinehq.com Generate Now

Authors (1)

  1. Hong Qin

Collections

Sign up for free to add this paper to one or more collections.

User Circle Single Streamline Icon: https://streamlinehq.com Sign Up

Tweets

Sign up for free to view the 2 tweets with 2 likes about this paper.

User Circle Single Streamline Icon: https://streamlinehq.com Sign Up for Free