文/莊革（中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)）  萬(wàn)寶年（中科院等離子體物理研究所）  段旭如（中核集團(tuán)西南物理研究院）

        本文簡(jiǎn)要介紹了國(guó)際托卡馬克物理活動(dòng)組織（International Tokamak Physics Activity，ITPA）的發(fā)展歷程，以及該組織的目標(biāo)宗旨、組織架構(gòu)和任務(wù)使命。中國(guó)自加入國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（Inter national Thermonuclear Experimental Reactor，ITER）計(jì)劃之日起，便成為該組織的正式成員，并開(kāi)始全面參與ITPA的各項(xiàng)活動(dòng)。十年來(lái)，中國(guó)參與ITPA活動(dòng)的廣度和深度逐年提高，結(jié)合中國(guó)實(shí)際，成立了中國(guó)托卡馬克物理活動(dòng)的組織框架（China Tokamak Physics Activity，CTPA），有組織、有計(jì)劃地在診斷、快粒子物理、集成運(yùn)行方案、磁流體穩(wěn)定性、臺(tái)基物理、偏濾器與刮削層物理、約束和輸運(yùn)等研究方向上針對(duì)ITER所關(guān)心的物理問(wèn)題開(kāi)展了相關(guān)研究，提出了解決問(wèn)題的中國(guó)方案，為ITER建設(shè)及其未來(lái)研究計(jì)劃作出了中國(guó)應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

一、國(guó)際托卡馬克物理活動(dòng)（ITPA）簡(jiǎn)介
        “國(guó)際托卡馬克物理活動(dòng)（International Tokamak Physics Activity, ITPA）”發(fā)端于1989年的“國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER）”的概念設(shè)計(jì)。1989年，在ITER概念設(shè)計(jì)國(guó)際研討會(huì)上，科學(xué)家們針對(duì)托卡馬克等離子體低約束模進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析和定標(biāo)，得到了ITER-89P能量約束時(shí)間定標(biāo)律；同時(shí)就托卡馬克等離子體高約束模的定標(biāo)律研究提出了議案?；诖俗h題，ITER概念設(shè)計(jì)開(kāi)展了一系列托卡馬克物理相關(guān)的實(shí)驗(yàn)和研討活動(dòng)，并最終獲得了IPB98（y，2）能量約束時(shí)間定標(biāo)律。在此過(guò)程中，國(guó)際托卡馬克物理活動(dòng)的雛形開(kāi)始顯現(xiàn)，特別是1994年ITER負(fù)責(zé)人提議將國(guó)際托卡馬克物理活動(dòng)擴(kuò)展成六個(gè)專業(yè)小組，將ITPA的組織架構(gòu)基本確定下來(lái)。2001年ITPA的專家組重新進(jìn)行了遴選，ITPA組織正式確立。從2001年至2008年，ITPA是在IAEA支持下開(kāi)展活動(dòng)的。2008年后，ITPA在ITER-IO支持下開(kāi)展工作。中國(guó)從2005年開(kāi)始以觀察員身份參加了ITPA活動(dòng)，加入ITER計(jì)劃后自動(dòng)成為ITPA的正式成員。
        ITPA章程于2006年制定，并在2008年進(jìn)行必要修訂。ITPA章程就ITPA的使命、國(guó)際協(xié)調(diào)下的研究活動(dòng)、成員、組織結(jié)構(gòu)、會(huì)議/報(bào)告，以及ITPA的法律基礎(chǔ)做出了明確的描述。ITPA組織框架包括一個(gè)協(xié)調(diào)委員會(huì) Coordinating Committee (CC) 和若干個(gè)專業(yè)組Topical Groups（TG）。ITPA 的主要功能是提供一個(gè)組織框架以協(xié)調(diào)國(guó)際聚變研究活動(dòng)，而這些活動(dòng)必須服務(wù)于ITER物理研究需求。在這個(gè)組織框架下，各參與方持續(xù)開(kāi)展托卡馬克物理的研發(fā)活動(dòng)，為ITER的設(shè)計(jì)、建設(shè)和未來(lái)研究計(jì)劃提供必要的、寬廣的物理基礎(chǔ)。這些活動(dòng)不但有利于推進(jìn)ITER計(jì)劃的實(shí)施，還將有助于各國(guó)磁約束聚變能發(fā)展計(jì)劃。ITPA章程中對(duì)CC和TG的功能和作用均有明確的定位，CC主要負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)參與方的托卡馬克物理活動(dòng)，TG則是針對(duì)ITER具體的物理需求和目標(biāo)，確定科學(xué)研究任務(wù)，并根據(jù)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)來(lái)制定年度計(jì)劃和實(shí)施措施。
        國(guó)際ITPA物理研究活動(dòng)主要包括以下幾個(gè)方面：以一致的物理格式準(zhǔn)備和收集經(jīng)過(guò)校驗(yàn)的各個(gè)聚變實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；組織、管理和更新經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)的數(shù)據(jù)庫(kù)；介紹實(shí)驗(yàn)的分析結(jié)果以提高對(duì)聚變等離子體物理的理解；發(fā)展理論模型和數(shù)值模擬以解釋和重現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果；鼓勵(lì)和促進(jìn)國(guó)際托卡馬克裝置間的聯(lián)合實(shí)驗(yàn)；演示能夠用于優(yōu)化ITER性能的技術(shù)，如壁處理/清洗、等離子體控制等；研究適用于ITER放電運(yùn)行方案；通過(guò)基于現(xiàn)有裝置模型化的模擬以探索ITER進(jìn)行燃燒等離子體實(shí)驗(yàn)的潛力；確認(rèn)和決定在ITER等離子體控制中可能發(fā)生的關(guān)鍵的加熱和電流驅(qū)動(dòng)、診斷、加料問(wèn)題；支持一些新的相關(guān)物理研究；等等。
        ITPA除了承擔(dān)由ITER-IO同意了的、對(duì)實(shí)現(xiàn)ITER目標(biāo)具有重要性的科學(xué)研究之外，每年還需要提出符合ITER需求的年度優(yōu)先級(jí)高的研發(fā)問(wèn)題清單，這一清單明確定義了研究計(jì)劃中的課題，并以這些課題的開(kāi)展來(lái)促進(jìn)國(guó)際托卡馬克物理研究。
        此外，國(guó)際能源機(jī)構(gòu)International Energy Agency (IEA) 也從2002年起實(shí)施聚變研究合作執(zhí)行協(xié)議，后來(lái)演化成托卡馬克合作計(jì)劃（Co-operation on Tokamak Programs，CTP）。由于中國(guó)不是IEA的成員，未能加入這一計(jì)劃，僅有中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所和西南物理研究院從2005年受邀參加。2014年底，中國(guó)國(guó)際聚變能源計(jì)劃執(zhí)行中心與IEA簽署協(xié)議，中國(guó)成為IEA聚變能合作委員會(huì)（Fusion Power Coordinating Committee，F(xiàn)PCC）的正式觀察員，正式加入CTP計(jì)劃。每年，CC成員、TG主席、國(guó)際上主要托卡馬克裝置負(fù)責(zé)人討論聯(lián)合實(shí)驗(yàn)（Joint EXperiments）計(jì)劃，并建議裝置負(fù)責(zé)人將這些聯(lián)合實(shí)驗(yàn)納入他們正常的實(shí)驗(yàn)計(jì)劃中。這一計(jì)劃與ITPA的實(shí)驗(yàn)研究計(jì)劃合并，成為IEA/ITPA Joint Experimental Planning（JEX）。
二、中國(guó)參與ITPA活動(dòng)的開(kāi)展情況及貢獻(xiàn)
        我國(guó)參加ITPA的宗旨是充分利用ITPA資源和國(guó)內(nèi)現(xiàn)有裝置條件，積極參與和開(kāi)展ITPA活動(dòng)，了解和掌握國(guó)際聚變研究領(lǐng)域的前沿動(dòng)態(tài)，不斷提升我國(guó)磁約束聚變研究的能力和水平，逐步培養(yǎng)和造就一支能夠與國(guó)際ITPA接軌的聚變研究隊(duì)伍，為我國(guó)磁約束聚變能研發(fā)事業(yè)服務(wù)。從近期來(lái)看，根據(jù)國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要中所提出的要求，針對(duì)ITER科學(xué)研究計(jì)劃，夯實(shí)國(guó)內(nèi)的研究基礎(chǔ)，為充分參與ITER計(jì)劃、獲取ITER的科學(xué)技術(shù)成果做好準(zhǔn)備。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)說(shuō)，一是通過(guò)廣泛的國(guó)際合作促進(jìn)我國(guó)在磁約束等離子體科學(xué)方面的研究；二是通過(guò)參加ITER研究計(jì)劃，推動(dòng)燃燒等離子體和聚變能源科學(xué)和技術(shù)發(fā)展，為未來(lái)我國(guó)具備有獨(dú)立開(kāi)展聚變示范堆物理和工程設(shè)計(jì)能力奠定了科學(xué)技術(shù)和人才隊(duì)伍基礎(chǔ)。
        我國(guó)自加入ITPA以來(lái)，嚴(yán)格遵守ITPA章程，積極主動(dòng)參與ITPA各項(xiàng)研究活動(dòng)，對(duì)ITPA和其它國(guó)際前沿動(dòng)態(tài)的技術(shù)資料積極進(jìn)行收集、整理、吸收和消化。同時(shí)，通過(guò)開(kāi)展與ITPA相關(guān)的物理研究活動(dòng)，不斷加強(qiáng)聚變領(lǐng)域國(guó)際間的交流和合作，切實(shí)提高了我國(guó)托卡馬克物理的研究能力和水平。
        目前我國(guó)參加ITPA的協(xié)調(diào)委員會(huì)（CC）成員共3人，參加7個(gè)專業(yè)物理組（TG）的成員共39人，參加ITPA JEX的裝置有中核集團(tuán)西南物理研究院的HL-2A裝置、中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所的EAST裝置、華中科技大學(xué)的J-TEXT裝置、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的KTX裝置以及清華大學(xué)的Sunist裝置。十年來(lái)，隨著國(guó)家對(duì)磁約束核聚變能研發(fā)事業(yè)的支持，我國(guó)的托卡馬克裝置得以不斷完善，實(shí)驗(yàn)水平得以不斷提高，特別是HL-2A裝置和EAST裝置，它們已經(jīng)具備開(kāi)展一些前沿物理研究的基本能力，是我國(guó)開(kāi)展ITPA JEX計(jì)劃的主力裝置。
        我國(guó)參加ITPA的總體情況良好。隨著國(guó)家磁約束聚變能發(fā)展專項(xiàng)的支持力度不斷提升，我國(guó)磁約束聚變科研實(shí)力和水平逐年提高，聚變領(lǐng)域的國(guó)際交流和合作也逐年加深。為了更好、更有效地利用ITPA資源和發(fā)揮中國(guó)在ITPA中的作用，在科技部和磁約束聚變專家組的推動(dòng)下，2011年中國(guó)磁約束聚變界成立了中國(guó)托卡馬克物理活動(dòng)的組織框架（China Tokamak Physics Activity, CTPA），開(kāi)展關(guān)鍵物理研討和組織國(guó)內(nèi)相關(guān)的研究，促進(jìn)中國(guó)磁約束聚變物理的發(fā)展和統(tǒng)籌參與ITPA的活動(dòng)。2010年至今，我國(guó)科學(xué)家參加ITPA CC和TG各類會(huì)議達(dá)到119人次，各類報(bào)告87人次，參與TG 的JEX課題數(shù)目逐年上升，參與度也不斷提高。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)參加JEX課題的參與度已從2010年不到10%增長(zhǎng)到2016年的37%。
        從2010年起，我國(guó)每年都參加ITPA CC年度會(huì)議，報(bào)告我國(guó)托卡馬克物理活動(dòng)和磁約束聚變能研發(fā)的主要進(jìn)展，讓ITER參與七方充分了解我國(guó)磁約束聚變能研發(fā)的情況和ITPA相關(guān)工作的開(kāi)展情況，為我國(guó)磁約束聚變研究進(jìn)一步拓展國(guó)際間合作和交流奠定基礎(chǔ)和創(chuàng)造條件。
        十年來(lái)，我國(guó)科學(xué)家和聚變實(shí)驗(yàn)裝置積極參與到ITPA TG的活動(dòng)中。
        在輸運(yùn)和約束方面，我國(guó)參加了同ITER偏濾器相關(guān)的粒子輸運(yùn)和加料、動(dòng)量輸運(yùn)、三維物理效應(yīng)、剖面的剛性機(jī)制、芯部到邊界的湍動(dòng)和輸運(yùn)，以及L-H模轉(zhuǎn)換的物理模型等課題研究。其中，在動(dòng)量輸運(yùn)、三維物理效應(yīng)及邊界湍動(dòng)和輸運(yùn)等方面貢獻(xiàn)比較突出，為解決ITER尺度下約束輸運(yùn)關(guān)心的關(guān)鍵性問(wèn)題以及發(fā)展基于“第一性原理”可預(yù)測(cè)ITER輸運(yùn)過(guò)程的能力提供參考。
        在診斷方面，我國(guó)參與ITER部分診斷的研發(fā)工作，對(duì)確定ITER安全保護(hù)、等離子體控制以及評(píng)估和理解燃燒等離子體性能所需的診斷作出一些有特色的工作，特別是在ITER診斷內(nèi)置第一鏡的測(cè)試和污染處理方法作出了獨(dú)特貢獻(xiàn)。未來(lái)，我國(guó)將參與發(fā)展針對(duì)ITER升級(jí)（高聚變?cè)鲆妫┖臀磥?lái)DEMO所需的關(guān)鍵診斷的工作。
        在偏濾器及刮削層物理方面，我國(guó)參加了控制流向偏濾器靶板的熱流、鎢偏濾器的損傷過(guò)程及機(jī)理、燃料粒子的滯留和雜質(zhì)遷移機(jī)理研究等方面的工作。特別是控制流向偏濾器靶板熱流的研究，我國(guó)除了采用傳統(tǒng)的共振擾動(dòng)磁場(chǎng)方法外，提出了采用低混雜電流驅(qū)動(dòng)這一比較獨(dú)特的技術(shù)方案，為ITER及未來(lái)聚變堆的物理設(shè)計(jì)提供了獨(dú)特的思路。
        在集成運(yùn)行方案方面，主要是基于已有實(shí)驗(yàn)結(jié)果開(kāi)展ITER集成運(yùn)行方案的模型研究，發(fā)展ITER的控制策略，其最終目的是演示擬議的集成運(yùn)行方案，建立起將該方案推廣至ITER的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。截至目前，我國(guó)科學(xué)家參與ITER baseline運(yùn)行方案、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行方案和混合運(yùn)行方案，以及ITER的運(yùn)行和控制策略，輔助加熱和電流驅(qū)動(dòng)控制和實(shí)現(xiàn)策略等課題研究。在這個(gè)領(lǐng)域內(nèi)，我國(guó)充分利用全超導(dǎo)托卡馬克EAST的優(yōu)勢(shì)，開(kāi)展了穩(wěn)態(tài)（長(zhǎng)脈沖）運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)研究，獲得了長(zhǎng)達(dá)100秒的基于射頻波加熱和電流驅(qū)動(dòng)的完全非感應(yīng)電流高約束模式放電，這無(wú)疑會(huì)對(duì)ITER未來(lái)開(kāi)展相關(guān)運(yùn)行及其運(yùn)行和控制策略提供了重要且有益的參考。近期，EAST和美國(guó)的DIII-D托卡馬克聯(lián)合實(shí)驗(yàn)研究，也極大地豐富了ITER穩(wěn)態(tài)和混合運(yùn)行方案的內(nèi)容。
        在臺(tái)基物理方面，我國(guó)參與邊界局域模（ELM）控制方法、臺(tái)基結(jié)構(gòu)刻畫以及L-H模轉(zhuǎn)換物理機(jī)制和定標(biāo)律修正等研究工作。在ELM緩解和抑制機(jī)制研究中，我國(guó)科學(xué)家闡述了RMP緩解ELM的非線性機(jī)制，為ITER采用RMP緩解ELM的方法提供重要的物理基礎(chǔ)。此外，我國(guó)的研究工作還將對(duì)邊界局域模（ELMs）物理及其定標(biāo)律，以及將其推廣至ITER尺度的可信度，還有L-H模轉(zhuǎn)換物理和定標(biāo)律以及將其推廣至ITER尺度的可信度等ITER關(guān)心的問(wèn)題起到一定的推動(dòng)作用。
        在宏觀磁流體穩(wěn)定方面，我國(guó)參與破裂的預(yù)測(cè)、避免和緩解，鋸齒、新經(jīng)典撕裂模及電阻壁模的刻畫及控制研究，軸對(duì)稱控制，誤差場(chǎng)控制及減弱方法等研究工作。我國(guó)在軸對(duì)稱及誤差場(chǎng)控制方面有一些比較有特色的工作，這些工作為ITER破裂數(shù)據(jù)庫(kù)及破裂緩解方法、MHD不穩(wěn)定性及其主動(dòng)控制策略等相關(guān)研究作出了一定貢獻(xiàn)。
        在快粒子TG中，由于我國(guó)大功率中性束加熱系統(tǒng)和快粒子診斷手段最近才發(fā)展起來(lái)，這一方面的工作開(kāi)展尚少。
三、結(jié)語(yǔ)
        在ITPA的框架下，中國(guó)積極融入到了國(guó)際托卡馬克物理研究的主流活動(dòng)中，并已經(jīng)開(kāi)展了卓有成效的工作，在各個(gè)TG中也開(kāi)始嶄露頭角。隨著ITER計(jì)劃的不斷推進(jìn)，中國(guó)托卡馬克物理研究愈來(lái)愈關(guān)注于解決ITER所關(guān)心和面臨的關(guān)鍵物理問(wèn)題，并積極提出中國(guó)方案，不斷豐富ITPA的研究?jī)?nèi)容。我國(guó)借鑒ITPA工作模式，已經(jīng)開(kāi)始并將持續(xù)推進(jìn)CTPA的工作，著手開(kāi)展了ITER和CFETR關(guān)心的物理問(wèn)題的研究，同時(shí)結(jié)合ITPA框架下已有成果，加速推進(jìn)了我國(guó)CFETR聚變堆芯物理設(shè)計(jì)。此外，一批年青科研人才在這些活動(dòng)中得以鍛煉，成長(zhǎng)迅速，也為我國(guó)將來(lái)磁約束聚變能研發(fā)培養(yǎng)和儲(chǔ)備較多的優(yōu)秀青年人才。
        我國(guó)兩大實(shí)驗(yàn)裝置EAST和HL-2A下一步將會(huì)盡快提高和完善裝置的實(shí)驗(yàn)水平和研究能力，以利于更加全面地、更好地開(kāi)展ITPA課題研究，擴(kuò)大我國(guó)ITPA的參與規(guī)模，為我國(guó)科研人員深入了解ITER物理和主持或參加ITER未來(lái)科學(xué)研究奠定基礎(chǔ)。
我國(guó)繼續(xù)積極參與ITPA活動(dòng)，保持與ITER參與方之間托卡馬克物理研究的良好合作勢(shì)頭，將使得我國(guó)CFETR堆芯物理設(shè)計(jì)可以有效地尋求到國(guó)際方面的經(jīng)驗(yàn)和幫助，這無(wú)疑會(huì)為我國(guó)磁約束聚變能研究的快速發(fā)展構(gòu)建起良好的外部支撐。