39-EFT.WP.Plasma.Confinement v1.0 | 第14章 仿真栈与基准算例（Methods.SimStack.Plasma）

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第14章 仿真栈与基准算例（Methods.SimStack.Plasma）

I. 章节目标与结构

1. 目标：构建适用于 Plasma Confinement 的多层仿真栈（SimStack.Plasma），在统一口径下完成从 netlist/geometry/coils/binding、平衡与波/加热、导引中心与输运、Edge/SOL 到合成诊断—同化—发布的前向→反演→校核→发布全流程；提供可复现实验对齐与基准算例库。
2. 结构：仿真栈分层 → 公共口径与记录 → 数值方法与稳定性 → 基准算例库 → 多域/实验对齐流程 → 可证伪准则 → 数据结构与导出 → 合规模板 → 跨章闭环。
3. 共享到达时两口径（等价，须显式 gamma(ell) 与 d ell 并记录 delta_form）：
   • 常量外提：T_arr = ( 1 / c_ref ) * ( ∫ n_eff d ell )
   • 一般口径：T_arr = ( ∫ ( n_eff / c_ref ) d ell )

II. 仿真栈分层（Plasma，自下而上）

• Physics Core（S20-/S30-/S40-）：最小方程、Grad–Shafranov 平衡、能量原理 δW 与 Δ'。
• Waves（S50-）：色散与 n_eff(omega)、射线/全波、α_abs 与 P_dep(r)、T_arr。
• Guiding-Center & Neoclassical（S60-）：v_E/v_{∇B}/v_{curv} 漂移、μ/J_∥ 不变量、D_nc/χ_nc/J_bs。
• Transport（S70-）：QL/混合长度闭式、标度律/表格化闭式、通量面平均与全局能量闭合。
• Edge/SOL（S80-）：沿场 1D 最小方程、鞘层匹配与 Bohm 判据、回收/杂质/辐射、热负荷与脱离。
• Binding（I10-）：几何—线圈—边界—度量生成，B(x)/psi/q(psi)/V'(ψ)/g_ab 输出。
• UQ & Inversion（M10-/Mx-*）：观测算子、协方差、同化/证据、PPC 与不确定度传播。
• I/O & Cards：数据/模型/管线卡；arrival 与 qa_gates 强制字段；版本锁与复现实验种子。

III. 公共口径与记录（强制）

• 单位/量纲：SI；关键等式 check_dim=pass。
• 能量/功率闭合（硬门）：P_in = P_ref + P_rad + P_wall + ∫ P_dep dV 在 u 内闭合。
• 拓扑一致：q(ψ)、LCFS/X/分离器与成像/磁测一致（与 S30-/I10-）。
• 稳定性门：δW_min > 0、Δ' ≤ 0、局地 {D_S,D_M} > 0（S40-）。
• 到达时一致：两口径 T_arr 在 u(T_arr) 内一致（S50-/M10-）。
• 谱窗/标定版本化：AF/PF/窗口/bw/fs/Δt_sync 统一记录到数据卡。

IV. 数值方法与稳定性（Plasma 侧重点）

• 平衡（GS）：Δ*ψ = − μ0 R^2 p'(ψ) − F F'(ψ)；自由/固定边界、线圈耦合（BEM/FEM/混合）；p'(ψ)/F'(ψ) 平滑与单调性约束。
• 稳定性：能量原理离散化（体—边界耦合的真空/线圈边界项）、撕裂内层匹配与 Δ'；PPC 校验 δW + ∫ E·J dV 与 Poynting 通量闭合。
• 波/加热：冷/温等离子体色散矩阵、截止/共振处理（带限正则）、射线 Hamilton 方程与步长自适应、全波网格与 CFL 约束。
• 导引中心：辛积分或 Boris 变体、μ 漂移守恒门、轨道分类（穿越/捕获）与香蕉宽度评估。
• 输运：QL/混合长度 γ_k/k_⊥^2 估计、表格化闭式插值的带限与外推门、通量面平均与一致度量。
• Edge/SOL：沿场 1D 稳态/瞬态求解、鞘层边界条件、回收/杂质源、热负荷与脱离窗扫描。
• 数值稳定策略：网格收敛、谱平坦度检查、残差白化；关键算子（GS/全波/同化）的谱半径与条件数监控。

V. 基准算例库（Plasma，最小可复现）

• SIM-PC-01｜平衡（GS）：导入几何/线圈→ψ/q(ψ) 与磁测/成像回归；门：力平衡残差、拓扑一致。
• SIM-PC-02｜稳定性：δW/Δ' 与诊断谱特征对齐；门：δW_min>0 ∧ Δ'≤0。
• SIM-PC-03｜波/沉积：n_eff/k_∥/k_⊥→α_abs/P_dep 与功率闭合；门：∫P_dep ≈ P_in−P_ref−P_rad−P_wall。
• SIM-PC-04｜导引中心/新古典：μ̇≈0、D_nc/χ_nc/J_bs vs 表格/理论；门：相对偏差 ≤ 设定阈。
• SIM-PC-05｜输运标度：D,χ 与 D_GB/标度律回归；门：R^2 ≥ R^2_gate、残差 ≤ ε_gate。
• SIM-PC-06｜Edge/SOL 脱离窗：q_t 与 P_in/R/geometry 联合窗；门：q_t ≤ q_gate、脱离判据成立。

每例配 dataset_card/pipeline_card/env_lock 与参考输出，用于回归与发布门。

VI. 多域/实验对齐流程（I10-/S30-/S50-/S60-/S70-/S80-/M10-）

• 几何/线圈绑定（I10-）：导入 S_wall/ports/divertor、C_i(s)/A_i/I_coil，生成 B(x) 与 psi_bc，构造 (ψ,θ,ζ)/V'(ψ)/g_ab。
• 平衡（S30-）：解 GS 得 ψ/q(ψ)/J_∥；拓扑/力平衡 QA。
• 稳定性（S40-）：δW/Δ'/{D_S,D_M} 评估与谱映射。
• 波/加热（S50-）：色散→射线/全波→α_abs/P_dep/T_arr/T_group，功率闭合与到达时一致。
• 导引中心/新古典（S60-）：轨道与 D_nc/χ_nc/J_bs 计算；与度量一致。
• 输运（S70-）：QL/表格闭式→Γ/Q/Π_ψ 与通量面平均、全局能量闭合。
• Edge/SOL（S80-）：1D 沿场解、鞘层匹配、q_t 与脱离窗。
• 合成诊断与同化（M10-）：构造 H(x) 与协方差 R/B，同化得到 x_a；QA：功率/拓扑/到达时一致。

VII. 可证伪准则（SimStack.Plasma 对应）

• F-PC-1（能量/功率不闭合）：P_in − P_ref − P_rad − P_wall − ∫P_dep dV 超出 u，否决 α_abs/P_dep 或功率口径。
• F-PC-2（拓扑不一致）：ψ/q(ψ)/LCFS/X 与成像/磁测不符，否决边界/线圈/度量映射。
• F-PC-3（稳定性门失败）：δW_min ≤ 0 或 Δ' > 0，拒绝发布或退回剖面/边界项。
• F-PC-4（沉积/到达时不符）：P_dep 峰/宽或 T_arr 两口径不一致，否决色散/射线/同步改正。
• F-PC-5（输运标度偏离）：D/χ 回归残差与 D_GB/表格超门，否决闭式或输入剖面。
• F-PC-6（新古典冲突）：D_nc/χ_nc/J_bs 与 ν_* , q , ε 关系不符，否决系数拟合或碰撞模型。

VIII. 数据结构与导出（最小模板）

simstack_plasma:

case_id: "SIM-PC-03"

model_id: "PC-eft-ms"

freq_grid_Hz: [...]

geometry_ref: "GEOM-COIL-0001"

binding_ref: "I10-PC-0001"

i10_binding: "/artifacts/i10_binding.yaml"

equilibrium:

psi: "/eq/psi.nc"

q: "/eq/q.nc"

waves:

n_eff: "/waves/n_eff.tbl"

rays: "/waves/rays.json"

alpha_abs: "/waves/alpha.tbl"

P_dep_Wm3: "/waves/Pdep.nc"

guiding_center:

D_nc_m2s: "/nc/Dnc.tbl"

chi_nc_m2s:"/nc/Chinc.tbl"

J_bs_Am2: "/nc/Jbs.tbl"

transport:

closure: "/closures/ql_mix.tbl"

Gamma_Q_Pi: "/flux/fluxes.nc"

edge_sol:

s_grid_m: "/edge/s.npy"

profiles_1D:"/edge/profiles.nc"

diagnostics:

H_blocks: [ "ECE_transfer", "Reflect_phase", "Mag_inversion", "IR_heatflux" ]

windows: "/diag/windows.yaml"

arrival:

form: "n_over_c"

gamma: "explicit"

measure: "d_ell"

c_ref: 299792458.0

Tarr_s: 3.1e-06

u_Tarr_s: 9.0e-08

delta_form: "n_over_c"

qa_gates: {check_dim:"pass", power_closure:"pass", topology:"pass", Tarr_dual:"pass"}

seed: 20250916

IX. 合规模板（API 与计算片段）

• API 原型

api:

- id: "SimStackPlasma.build"

proto: "build(geometry, coils, binding_i10, options) -> sim_handle"

- id: "SimStackPlasma.forward"

proto: "forward(sim_handle, theta, grid) -> {equilibrium, stability, waves, gc, transport, edge, synth_obs}"

- id: "SimStackPlasma.invert"

proto: "invert(sim_handle, data, priors, sampler:'EnKF|4DVar') -> {posterior, logZ, summary}"

- id: "SimStackPlasma.ppc"

proto: "ppc(sim_handle, posterior, grid) -> {residual_spectrum, gates}"

- id: "SimStackPlasma.export"

proto: "export(sim_handle, format:'cards|json') -> artifacts[]"

• 功率闭合与到达时（伪代码）

# 功率闭合

Pdep = integrate(P_dep_grid) # waves

assert abs(P_in - P_ref - P_rad - P_wall - Pdep) <= u_power

# 到达时两口径

Tarr1 = (1/c_ref) * trapz(n_eff(ω)*dℓ, ω)

Tarr2 = trapz((n_eff(ω)/c_ref)*dℓ, ω)

assert abs(Tarr1 - Tarr2) <= u_Tarr

• 稳定性与输运回归（伪代码）

assert deltaW_min > 0 and DeltaPrime <= 0

R2_D = r2_score(log(D), log(D_GB))

R2_χ = r2_score(log(χ), log(χ_GB))

assert R2_D >= R2_gate and R2_χ >= R2_gate

X. 跨章引用与闭环

• 依赖：第4章（S20- 最小方程）、第5章（S30- 平衡）、第6章（S40- 稳定性）、第7章（S50- 波/沉积/到达时）、第8章（S60- 导引中心）、第9章（S70- 输运闭式）、第10章（S80- 边界层/壁）、第11章（I10- 绑定）、第12章（M10- 同化）。
• 对接：第15章（数据与复现——数据/管线/环境锁与等价性阈值）、第16章（设计规程与工程清单——将仿真回归门纳入签核）。