Hamiltonian Particle Dynamics in Fusion Plasmas: Orbital Tomography and Spectrum Analysis for Energy and Momentum Transport under Resonant Non-Axisymmetric Perturbations

Αντώνενας, Ιωάννης; Antonenas, Yiannis

dc.contributor.author	Αντώνενας, Ιωάννης
dc.contributor.author	Antonenas, Yiannis
dc.date.accessioned	2025-09-22T09:25:24Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/62503
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.30199
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Hamiltonian Dynamics	el
dc.subject	Fusion	el
dc.subject	Plasma Physics	el
dc.subject	Mode-Particle Resonances	el
dc.subject	Action-Angle Variables	el
dc.title	Hamiltonian Particle Dynamics in Fusion Plasmas: Orbital Tomography and Spectrum Analysis for Energy and Momentum Transport under Resonant Non-Axisymmetric Perturbations	en
dc.title	ΧΑΜΙΛΤΟΝΙΑΝΗ ΔΥΝΑΜΙΚΗ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΣΕ ΠΛΑΣΜΑ ΣΥΝΤΗΞΗΣ: ΤΡΟΧΙΑΚΗ ΤΟΜΟΓΡΑΦΙΑ ΚΑΙ ΦΑΣΜΑΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΓΙΑ ΤΗ ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΑΙ ΟΡΜΗΣ ΥΠΟ ΤΗΝ ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΣΥΝΤΟΝΙΣΜΩΝ ΜΡ ΜΗ-ΑΞΟΝΟΣΥΜΜΕΤΡΙΚΕΣ ΔΙΑΤΑΡΑΧΕΣ	el
dc.contributor.department	Fusion Research Group of the National Technical University of Athens	el
heal.type	doctoralThesis
heal.classification	Plasma Physics	en
heal.dateAvailable	2026-09-21T21:00:00Z
heal.language	en
heal.access	embargo
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2025-04-30
heal.abstract	This thesis investigates the impact of resonant mode-particle interactions on the transportand confinement properties of toroidal fusion plasmas. Using both analytical and numerical computational approaches, we analyze how magnetic perturbations, both intrinsic and exter- nally applied, influence the behavior of plasma particles with different kinetic characteristics. The primary focus is on understanding the resonant interactions between perturbative modes and the guiding center motion of plasma particles. We present a novel, low-computational-cost method, based on Action-Angle variables, to identify resonance locations and other key characteristics of resonances, such as the number of islands in a resonance island chain, as well as the formation of transport barriers, within phase space of the particle’s guiding center motion. We introduce the drift center (DC) approximation to derive analytical expressions for the orbital frequencies and the kinetic q factor in the case of a large aspect ratio (LAR) equilibrium. These expressions are essential for identifying the conditions under which mode-particle resonances occur, which significantly affect particle, momentum, and energy transport, and, consequently, the overall plasma confinement. We validate these results through comparisons with numerical simulations, providing an efficient and accurate tool for predicting transport barriers and the behavior of energetic particles in the presence of non-axisymmetric perturbations. We extend the applicability of our orbital frequencies analysis methodology from LAR equilibria to numerically reconstructed, realistic equilibria. For this, we employ a compu- tationally efficient, semi-analytical geometrical method that can be applied to any given unperturbed equilibrium. Furthermore, for the LAR equilibrium, we extend our analysis to time-varying perturba- tions, demonstrating the emergence of Arnold diffusion in the guiding center phase space and highlighting the role of the Arnold web in particle transport. This work enhances our under- standing of how mode-particle resonant interactions influence plasma behavior, paving the way for more accurate predictions of fusion device performance and offering computational tools applicable to realistic experimental configurations.	en
heal.abstract	Η παρούσα διατριβή μελετά την επίδραση που έχει η αλληλεπίδραση, μέσω συντονισμών, ενεργητικών σωματιδίων με μαγνητικές διαταραχές σε φαινόμενα μεταφοράς και συγκράτησης του πλάσματος σε τοροειδή συστήματα πυρηνικής σύντηξης. Χρησιμοποιώντας τόσο αναλυτικές όσο και αριθμητικές υπολογιστικές μεθόδους, αναλύεται ο τρόπος με τον οποίο οι μαγνητικές διαταραχές, είτε εμφανίζονται εγγενώς στο πλάσμα είτε επιβάλλονται εξωτερικά, επηρεάζουν τη συμπεριφορά σωματιδίων του πλάσματος με διαφορετικά κινητικά χαρακτηριστικά. Κύριος στόχος είναι η κατανόηση των συντονισμών μεταξύ διαταραχών του μαγνητικού πεδίου και της κίνησης του Guiding Center (GC) ενεργητικών σωματιδίων του πλάσματος. Παρουσιάζεται μία νέα μέθοδος χαμηλού υπολογιστικού κόστους, βασισμένη στις μεταβλητές Δράσης-Γωνίας (Action-Angle), για τον υπολογισμό τόσο των περιοχών του φασικού χώρου των σωματιδίων που λαμβάνουν χώρα οι συντονισμοί όσο και άλλων βασικών χαρακτηριστικών τους, όπως ο αριθμός των νησίδων συντονισμού, σε μια αλυσίδα νησίδων συντονισμού, καθώς επίσης και ο σχηματισμός φραγμάτων μεταφοράς στον φασικό χώρο του σωματιδίου. Εισάγεται η προσέγγιση του Drift Center (DC) της τροχιάς του GC για την εξαγωγή αναλυτικών εκφράσεων, στην περίπτωση ενός αναλυτικά δοσμένου μαγνητικού πεδίου ισορροπίας, για τις συχνότητες της τροχιάς και για τον κινητικό παράγοντα qkin. Αυτές οι εκφράσεις είναι απαραίτητες για τον προσδιορισμό των συνθηκών υπό τις οποίες λαμβάνουν χώρα οι συντονισμοί μεταξύ διαταραχών και σωματιδίων, οι οποίοι επηρεάζουν σημαντικά τη μεταφορά σωματιδίων, ορμής και ενέργειας, και κατά συνέπεια τη συνολική συγκράτηση του πλάσματος. Τα αποτελέσματα αυτά, που επαληθεύονται μέσω συγκρίσεων με αριθμητικές προσομοιώσεις, προσφέρουν ένα αποτελεσματικό και ακριβές εργαλείο για την πρόβλεψη των φραγμάτων μεταφοράς και της συμπεριφοράς ενεργητικών σωματιδίων παρουσία μη-αξονοσυμμετρικών διαταραχών. Επεκτείνουμε την εφαρμογή της μεθοδολογίας υπολογισμού των συχνοτήτων της τροχιάς από LAR μαγνητικά πεδία ισορροπίας σε μαγνητικά πεδία ισορροπίας που δίνονται αριθμητικά είτε από αριθμητική κατασκευή τους είτε από πειραματικά δεδομένα. Για τον σκοπό αυτό, χρησιμοποιείται μια υπολογιστικά αποδοτική, ημι-αναλυτική γεωμετρική μέθοδος που μπορεί να εφαρμοστεί σε οποιαδήποτε μαγνητικό πεδίο ισορροπίας δοθεί. Επιπλέον, για την περίπτωση LAR μαγνητικού πεδίου ισορροπίας, η ανάλυση επεκτείνεται και σε χρονικά μεταβαλλόμενες διαταραχές, όπου αναδεικνύεται η εμφάνιση ενός ιδιαίτερου τύπου διάχυσης της τροχιάς του GC στον φασικό χώρο, η οποία ονομάζεται Arnold difusion, και ο ρόλος του πλέγματος Arnold (Arnold web) στα φαινόμενα μεταφοράς. Η δουλειά αυτή ενισχύει την κατανόησή μας για τον τρόπο με τον οποίο οι συντονισμοί μεταξύ διαταραχών και σωματιδίων επηρεάζουν τη συμπεριφορά του πλάσματος, ανοίγοντας τον δρόμο για πιο ακριβείς προβλέψεις σχετικά με την απόδοση αντιδραστήρων σύντηξης και προσφέροντας υπολογιστικά εργαλεία εφαρμόσιμα σε πειραματικές διατάξεις.	el
heal.sponsor	This work has been carried out within the framework of the EUROfusion Consortium, funded by the European Union via the Euratom Research and Training Programme (Grant Agreement No 101052200 — EUROfusion). Views and opinions expressed are however those of the author(s) only and do not necessarily reflect those of the European Union or the European Commission. Neither the European Union nor the European Commission can be held responsible for them. The work has also been partially supported by the National Fusion Programme of the Hellenic Republic – General Secretariat for Research and Innovation.	en
heal.advisorName	Κομίνης, Ιωάννης
heal.advisorName	Kominis, Yannis
heal.committeeMemberName	Γιαννακόπουλος, Αντώνιος
heal.committeeMemberName	Γλύτσης, Ηλίας
heal.committeeMemberName	Θρουμουλόπουλος, Γεώργιος
heal.committeeMemberName	Τσιρώνης, Χρήστος
heal.committeeMemberName	Σκόκος, Χαράλαμπος
heal.committeeMemberName	Χιτζανίδης, Κυριάκος
heal.committeeMemberName	Giannakopoulos, Antonios
heal.committeeMemberName	Glytsis, Elias
heal.committeeMemberName	Throumoulopoulos, George
heal.committeeMemberName	Tsironis, Christos
heal.committeeMemberName	Hizanidis, Kyriakos
heal.committeeMemberName	Skokos, Haris
heal.academicPublisher	Σχολή Εφαρμοσμένων Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	165
heal.fullTextAvailability	false