文/莊革（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)）  萬寶年（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）

        本文簡要介紹了國際托卡馬克物理活動組織（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。中國自加入國際熱核聚變實(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，并開始全面參與ITPA的各項(xiàng)活動。十年來，中國參與ITPA活動的廣度和深度逐年提高，結(jié)合中國實(shí)際，成立了中國托卡馬克物理活動的組織框架（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ITER所關(guān)心的物理問題開展了相關(guān)研究，提出了解決問題的中國方案，為ITER建設(shè)及其未來研究計(jì)劃作出了中國應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

一、國際托卡馬克物理活動（ITPA）簡介
        “國際托卡馬克物理活動（International Tokamak Physics Activity, ITPA）”發(fā)端于1989年的“國際熱核聚變實(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)國際研討會上，科學(xué)家們針對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能量約束時間定標(biāo)律；同時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)開展了一系列托卡馬克物理相關(guān)的實(shí)驗(yàn)和研討活動，并最終獲得了IPB98（y，2）能量約束時間定標(biāo)律。在此過程中，國際托卡馬克物理活動的雛形開始顯現(xiàn)，特別是1994年ITER負(fù)責(zé)人提議將國際托卡馬克物理活動擴(kuò)展成六個專業(yè)小組，將ITPA的組織架構(gòu)基本確定下來。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支持下開展活動的。2008年后，ITPA在ITER-IO支持下開展工作。中國從2005年開始以觀察員身份參加了ITPA活動，加入ITER計(jì)劃后自動成為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、國際協(xié)調(diào)下的研究活動、成員、組織結(jié)構(gòu)、會議/報告，以及ITPA的法律基礎(chǔ)做出了明確的描述。ITPA組織框架包括一個協(xié)調(diào)委員會 Coordinating Committee (CC) 和若干個專業(yè)組Topical Groups（TG）。ITPA 的主要功能是提供一個組織框架以協(xié)調(diào)國際聚變研究活動，而這些活動必須服務(wù)于ITER物理研究需求。在這個組織框架下，各參與方持續(xù)開展托卡馬克物理的研發(fā)活動，為ITER的設(shè)計(jì)、建設(shè)和未來研究計(jì)劃提供必要的、寬廣的物理基礎(chǔ)。這些活動不但有利于推進(jìn)ITER計(jì)劃的實(shí)施，還將有助于各國磁約束聚變能發(fā)展計(jì)劃。ITPA章程中對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，TG則是針對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)先級來制定年度計(jì)劃和實(shí)施措施。
        國際ITPA物理研究活動主要包括以下幾個方面：以一致的物理格式準(zhǔn)備和收集經(jīng)過校驗(yàn)的各個聚變實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；組織、管理和更新經(jīng)過檢驗(yàn)的數(shù)據(jù)庫；介紹實(shí)驗(yàn)的分析結(jié)果以提高對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；鼓勵和促進(jìn)國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、診斷、加料問題；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)先級高的研發(fā)問題清單，這一清單明確定義了研究計(jì)劃中的課題，并以這些課題的開展來促進(jìn)國際托卡馬克物理研究。
        此外，國際能源機(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，后來演化成托卡馬克合作計(jì)劃（Co-operation on Tokamak Programs，CTP）。由于中國不是IEA的成員，未能加入這一計(jì)劃，僅有中國科學(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，中國國際聚變能源計(jì)劃執(zhí)行中心與IEA簽署協(xié)議，中國成為IEA聚變能合作委員會（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、中國參與ITPA活動的開展情況及貢獻(xiàn)
        我國參加ITPA的宗旨是充分利用ITPA資源和國內(nèi)現(xiàn)有裝置條件，積極參與和開展ITPA活動，了解和掌握國際聚變研究領(lǐng)域的前沿動態(tài)，不斷提升我國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際ITPA接軌的聚變研究隊(duì)伍，為我國磁約束聚變能研發(fā)事業(yè)服務(wù)。從近期來看，根據(jù)國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要中所提出的要求，針對ITER科學(xué)研究計(jì)劃，夯實(shí)國內(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。從長遠(yuǎn)來說，一是通過廣泛的國際合作促進(jìn)我國在磁約束等離子體科學(xué)方面的研究；二是通過參加ITER研究計(jì)劃，推動燃燒等離子體和聚變能源科學(xué)和技術(shù)發(fā)展，為未來我國具備有獨(dú)立開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)。
        我國自加入ITPA以來，嚴(yán)格遵守ITPA章程，積極主動參與ITPA各項(xiàng)研究活動，對ITPA和其它國際前沿動態(tài)的技術(shù)資料積極進(jìn)行收集、整理、吸收和消化。同時，通過開展與ITPA相關(guān)的物理研究活動，不斷加強(qiáng)聚變領(lǐng)域國際間的交流和合作，切實(shí)提高了我國托卡馬克物理的研究能力和水平。
        目前我國參加ITPA的協(xié)調(diào)委員會（CC）成員共3人，參加7個專業(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，隨著國家對磁約束核聚變能研發(fā)事業(yè)的支持，我國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)具備開展一些前沿物理研究的基本能力，是我國開展ITPA JEX計(jì)劃的主力裝置。
        我國參加ITPA的總體情況良好。隨著國家磁約束聚變能發(fā)展專項(xiàng)的支持力度不斷提升，我國磁約束聚變科研實(shí)力和水平逐年提高，聚變領(lǐng)域的國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)揮中國在ITPA中的作用，在科技部和磁約束聚變專家組的推動下，2011年中國磁約束聚變界成立了中國托卡馬克物理活動的組織框架（China Tokamak Physics Activity, CTPA），開展關(guān)鍵物理研討和組織國內(nèi)相關(guān)的研究，促進(jìn)中國磁約束聚變物理的發(fā)展和統(tǒng)籌參與ITPA的活動。2010年至今，我國科學(xué)家參加ITPA CC和TG各類會議達(dá)到119人次，各類報告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)，我國參加JEX課題的參與度已從2010年不到10%增長到2016年的37%。
        從2010年起，我國每年都參加ITPA CC年度會議，報告我國托卡馬克物理活動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磁約束聚變能研發(fā)的情況和ITPA相關(guān)工作的開展情況，為我國磁約束聚變研究進(jìn)一步拓展國際間合作和交流奠定基礎(chǔ)和創(chuàng)造條件。
        十年來，我國科學(xué)家和聚變實(shí)驗(yàn)裝置積極參與到ITPA TG的活動中。
        在輸運(yùn)和約束方面，我國參加了同ITER偏濾器相關(guān)的粒子輸運(yùn)和加料、動量輸運(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，在動量輸運(yùn)、三維物理效應(yīng)及邊界湍動和輸運(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)鍵性問題以及發(fā)展基于“第一性原理”可預(yù)測ITER輸運(yùn)過程的能力提供參考。
        在診斷方面，我國參與ITER部分診斷的研發(fā)工作，對確定ITER安全保護(hù)、等離子體控制以及評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)置第一鏡的測試和污染處理方法作出了獨(dú)特貢獻(xiàn)。未來，我國將參與發(fā)展針對ITER升級（高聚變增益）和未來DEMO所需的關(guān)鍵診斷的工作。
        在偏濾器及刮削層物理方面，我國參加了控制流向偏濾器靶板的熱流、鎢偏濾器的損傷過程及機(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，我國除了采用傳統(tǒng)的共振擾動磁場方法外，提出了采用低混雜電流驅(qū)動這一比較獨(dú)特的技術(shù)方案，為ITER及未來聚變堆的物理設(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)動控制和實(shí)現(xiàn)策略等課題研究。在這個領(lǐng)域內(nèi)，我國充分利用全超導(dǎo)托卡馬克EAST的優(yōu)勢，開展了穩(wěn)態(tài)（長脈沖）運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)研究，獲得了長達(dá)100秒的基于射頻波加熱和電流驅(qū)動的完全非感應(yīng)電流高約束模式放電，這無疑會對ITER未來開展相關(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。
        在臺基物理方面，我國參與邊界局域模（ELM）控制方法、臺基結(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，我國的研究工作還將對邊界局域模（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)心的問題起到一定的推動作用。
        在宏觀磁流體穩(wěn)定方面，我國參與破裂的預(yù)測、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，軸對稱控制，誤差場控制及減弱方法等研究工作。我國在軸對稱及誤差場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)庫及破裂緩解方法、MHD不穩(wěn)定性及其主動控制策略等相關(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，這一方面的工作開展尚少。
三、結(jié)語
        在ITPA的框架下，中國積極融入到了國際托卡馬克物理研究的主流活動中，并已經(jīng)開展了卓有成效的工作，在各個TG中也開始嶄露頭角。隨著ITER計(jì)劃的不斷推進(jìn)，中國托卡馬克物理研究愈來愈關(guān)注于解決ITER所關(guān)心和面臨的關(guān)鍵物理問題，并積極提出中國方案，不斷豐富ITPA的研究內(nèi)容。我國借鑒ITPA工作模式，已經(jīng)開始并將持續(xù)推進(jìn)CTPA的工作，著手開展了ITER和CFETR關(guān)心的物理問題的研究，同時結(jié)合ITPA框架下已有成果，加速推進(jìn)了我國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中得以鍛煉，成長迅速，也為我國將來磁約束聚變能研發(fā)培養(yǎng)和儲備較多的優(yōu)秀青年人才。
        我國兩大實(shí)驗(yàn)裝置EAST和HL-2A下一步將會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、更好地開展ITPA課題研究，擴(kuò)大我國ITPA的參與規(guī)模，為我國科研人員深入了解ITER物理和主持或參加ITER未來科學(xué)研究奠定基礎(chǔ)。
我國繼續(xù)積極參與ITPA活動，保持與ITER參與方之間托卡馬克物理研究的良好合作勢頭，將使得我國CFETR堆芯物理設(shè)計(jì)可以有效地尋求到國際方面的經(jīng)驗(yàn)和幫助，這無疑會為我國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。