科技中国杂志

中国参与ITPA活动及对ITER物理的贡献

来源:《科技中国》2018年第一期p51-54

日期:2018-01-16

文/庄革(中国科学技术大学)  万宝年(中科院等离子体物理研究所)  段旭如(中核集团西南物理研究院)

        本文简要介绍了国际托卡马克物理活动组织(International Tokamak Physics Activity,ITPA)的发展历程,以及该组织的目标宗旨、组织架构和任务使命。中国自加入国际热核聚变实验堆(Inter national Thermonuclear Experimental Reactor,ITER)计划之日起,便成为该组织的正式成员,并开始全面参与ITPA的各项活动。十年来,中国参与ITPA活动的广度和深度逐年提高,结合中国实际,成立了中国托卡马克物理活动的组织框架(China Tokamak Physics Activity,CTPA),有组织、有计划地在诊断、快粒子物理、集成运行方案、磁流体稳定性、台基物理、偏滤器与刮削层物理、约束和输运等研究方向上针对ITER所关心的物理问题开展了相关研究,提出了解决问题的中国方案,为ITER建设及其未来研究计划作出了中国应有的贡献。

一、国际托卡马克物理活动(ITPA)简介
        “国际托卡马克物理活动(International Tokamak Physics Activity, ITPA)”发端于1989年的“国际热核聚变实验堆(International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER)”的概念设计。1989年,在ITER概念设计国际研讨会上,科学家们针对托卡马克等离子体低约束模进行了数据分析和定标,得到了ITER-89P能量约束时间定标律;同时就托卡马克等离子体高约束模的定标律研究提出了议案。基于此议题,ITER概念设计开展了一系列托卡马克物理相关的实验和研讨活动,并最终获得了IPB98(y,2)能量约束时间定标律。在此过程中,国际托卡马克物理活动的雏形开始显现,特别是1994年ITER负责人提议将国际托卡马克物理活动扩展成六个专业小组,将ITPA的组织架构基本确定下来。2001年ITPA的专家组重新进行了遴选,ITPA组织正式确立。从2001年至2008年,ITPA是在IAEA支持下开展活动的。2008年后,ITPA在ITER-IO支持下开展工作。中国从2005年开始以观察员身份参加了ITPA活动,加入ITER计划后自动成为ITPA的正式成员。
        ITPA章程于2006年制定,并在2008年进行必要修订。ITPA章程就ITPA的使命、国际协调下的研究活动、成员、组织结构、会议/报告,以及ITPA的法律基础做出了明确的描述。ITPA组织框架包括一个协调委员会 Coordinating Committee (CC) 和若干个专业组Topical Groups(TG)。ITPA 的主要功能是提供一个组织框架以协调国际聚变研究活动,而这些活动必须服务于ITER物理研究需求。在这个组织框架下,各参与方持续开展托卡马克物理的研发活动,为ITER的设计、建设和未来研究计划提供必要的、宽广的物理基础。这些活动不但有利于推进ITER计划的实施,还将有助于各国磁约束聚变能发展计划。ITPA章程中对CC和TG的功能和作用均有明确的定位,CC主要负责协调参与方的托卡马克物理活动,TG则是针对ITER具体的物理需求和目标,确定科学研究任务,并根据任务的优先级来制定年度计划和实施措施。
        国际ITPA物理研究活动主要包括以下几个方面:以一致的物理格式准备和收集经过校验的各个聚变实验装置的实验数据;组织、管理和更新经过检验的数据库;介绍实验的分析结果以提高对聚变等离子体物理的理解;发展理论模型和数值模拟以解释和重现实验结果;鼓励和促进国际托卡马克装置间的联合实验;演示能够用于优化ITER性能的技术,如壁处理/清洗、等离子体控制等;研究适用于ITER放电运行方案;通过基于现有装置模型化的模拟以探索ITER进行燃烧等离子体实验的潜力;确认和决定在ITER等离子体控制中可能发生的关键的加热和电流驱动、诊断、加料问题;支持一些新的相关物理研究;等等。
        ITPA除了承担由ITER-IO同意了的、对实现ITER目标具有重要性的科学研究之外,每年还需要提出符合ITER需求的年度优先级高的研发问题清单,这一清单明确定义了研究计划中的课题,并以这些课题的开展来促进国际托卡马克物理研究。
        此外,国际能源机构International Energy Agency (IEA) 也从2002年起实施聚变研究合作执行协议,后来演化成托卡马克合作计划(Co-operation on Tokamak Programs,CTP)。由于中国不是IEA的成员,未能加入这一计划,仅有中国科学院等离子体物理研究所和西南物理研究院从2005年受邀参加。2014年底,中国国际聚变能源计划执行中心与IEA签署协议,中国成为IEA聚变能合作委员会(Fusion Power Coordinating Committee,FPCC)的正式观察员,正式加入CTP计划。每年,CC成员、TG主席、国际上主要托卡马克装置负责人讨论联合实验(Joint EXperiments)计划,并建议装置负责人将这些联合实验纳入他们正常的实验计划中。这一计划与ITPA的实验研究计划合并,成为IEA/ITPA Joint Experimental Planning(JEX)。
二、中国参与ITPA活动的开展情况及贡献
        我国参加ITPA的宗旨是充分利用ITPA资源和国内现有装置条件,积极参与和开展ITPA活动,了解和掌握国际聚变研究领域的前沿动态,不断提升我国磁约束聚变研究的能力和水平,逐步培养和造就一支能够与国际ITPA接轨的聚变研究队伍,为我国磁约束聚变能研发事业服务。从近期来看,根据国家中长期科学和技术发展规划纲要中所提出的要求,针对ITER科学研究计划,夯实国内的研究基础,为充分参与ITER计划、获取ITER的科学技术成果做好准备。从长远来说,一是通过广泛的国际合作促进我国在磁约束等离子体科学方面的研究;二是通过参加ITER研究计划,推动燃烧等离子体和聚变能源科学和技术发展,为未来我国具备有独立开展聚变示范堆物理和工程设计能力奠定了科学技术和人才队伍基础。
        我国自加入ITPA以来,严格遵守ITPA章程,积极主动参与ITPA各项研究活动,对ITPA和其它国际前沿动态的技术资料积极进行收集、整理、吸收和消化。同时,通过开展与ITPA相关的物理研究活动,不断加强聚变领域国际间的交流和合作,切实提高了我国托卡马克物理的研究能力和水平。
        目前我国参加ITPA的协调委员会(CC)成员共3人,参加7个专业物理组(TG)的成员共39人,参加ITPA JEX的装置有中核集团西南物理研究院的HL-2A装置、中国科学院等离子体物理研究所的EAST装置、华中科技大学的J-TEXT装置、中国科学技术大学的KTX装置以及清华大学的Sunist装置。十年来,随着国家对磁约束核聚变能研发事业的支持,我国的托卡马克装置得以不断完善,实验水平得以不断提高,特别是HL-2A装置和EAST装置,它们已经具备开展一些前沿物理研究的基本能力,是我国开展ITPA JEX计划的主力装置。
        我国参加ITPA的总体情况良好。随着国家磁约束聚变能发展专项的支持力度不断提升,我国磁约束聚变科研实力和水平逐年提高,聚变领域的国际交流和合作也逐年加深。为了更好、更有效地利用ITPA资源和发挥中国在ITPA中的作用,在科技部和磁约束聚变专家组的推动下,2011年中国磁约束聚变界成立了中国托卡马克物理活动的组织框架(China Tokamak Physics Activity, CTPA),开展关键物理研讨和组织国内相关的研究,促进中国磁约束聚变物理的发展和统筹参与ITPA的活动。2010年至今,我国科学家参加ITPA CC和TG各类会议达到119人次,各类报告87人次,参与TG 的JEX课题数目逐年上升,参与度也不断提高。据不完全统计,我国参加JEX课题的参与度已从2010年不到10%增长到2016年的37%。
        从2010年起,我国每年都参加ITPA CC年度会议,报告我国托卡马克物理活动和磁约束聚变能研发的主要进展,让ITER参与七方充分了解我国磁约束聚变能研发的情况和ITPA相关工作的开展情况,为我国磁约束聚变研究进一步拓展国际间合作和交流奠定基础和创造条件。
        十年来,我国科学家和聚变实验装置积极参与到ITPA TG的活动中。
        在输运和约束方面,我国参加了同ITER偏滤器相关的粒子输运和加料、动量输运、三维物理效应、剖面的刚性机制、芯部到边界的湍动和输运,以及L-H模转换的物理模型等课题研究。其中,在动量输运、三维物理效应及边界湍动和输运等方面贡献比较突出,为解决ITER尺度下约束输运关心的关键性问题以及发展基于“第一性原理”可预测ITER输运过程的能力提供参考。
        在诊断方面,我国参与ITER部分诊断的研发工作,对确定ITER安全保护、等离子体控制以及评估和理解燃烧等离子体性能所需的诊断作出一些有特色的工作,特别是在ITER诊断内置第一镜的测试和污染处理方法作出了独特贡献。未来,我国将参与发展针对ITER升级(高聚变增益)和未来DEMO所需的关键诊断的工作。
        在偏滤器及刮削层物理方面,我国参加了控制流向偏滤器靶板的热流、钨偏滤器的损伤过程及机理、燃料粒子的滞留和杂质迁移机理研究等方面的工作。特别是控制流向偏滤器靶板热流的研究,我国除了采用传统的共振扰动磁场方法外,提出了采用低混杂电流驱动这一比较独特的技术方案,为ITER及未来聚变堆的物理设计提供了独特的思路。
        在集成运行方案方面,主要是基于已有实验结果开展ITER集成运行方案的模型研究,发展ITER的控制策略,其最终目的是演示拟议的集成运行方案,建立起将该方案推广至ITER的实验基础。截至目前,我国科学家参与ITER baseline运行方案、稳态运行方案和混合运行方案,以及ITER的运行和控制策略,辅助加热和电流驱动控制和实现策略等课题研究。在这个领域内,我国充分利用全超导托卡马克EAST的优势,开展了稳态(长脉冲)运行的实验研究,获得了长达100秒的基于射频波加热和电流驱动的完全非感应电流高约束模式放电,这无疑会对ITER未来开展相关运行及其运行和控制策略提供了重要且有益的参考。近期,EAST和美国的DIII-D托卡马克联合实验研究,也极大地丰富了ITER稳态和混合运行方案的内容。
        在台基物理方面,我国参与边界局域模(ELM)控制方法、台基结构刻画以及L-H模转换物理机制和定标律修正等研究工作。在ELM缓解和抑制机制研究中,我国科学家阐述了RMP缓解ELM的非线性机制,为ITER采用RMP缓解ELM的方法提供重要的物理基础。此外,我国的研究工作还将对边界局域模(ELMs)物理及其定标律,以及将其推广至ITER尺度的可信度,还有L-H模转换物理和定标律以及将其推广至ITER尺度的可信度等ITER关心的问题起到一定的推动作用。
        在宏观磁流体稳定方面,我国参与破裂的预测、避免和缓解,锯齿、新经典撕裂模及电阻壁模的刻画及控制研究,轴对称控制,误差场控制及减弱方法等研究工作。我国在轴对称及误差场控制方面有一些比较有特色的工作,这些工作为ITER破裂数据库及破裂缓解方法、MHD不稳定性及其主动控制策略等相关研究作出了一定贡献。
        在快粒子TG中,由于我国大功率中性束加热系统和快粒子诊断手段最近才发展起来,这一方面的工作开展尚少。
三、结语
        在ITPA的框架下,中国积极融入到了国际托卡马克物理研究的主流活动中,并已经开展了卓有成效的工作,在各个TG中也开始崭露头角。随着ITER计划的不断推进,中国托卡马克物理研究愈来愈关注于解决ITER所关心和面临的关键物理问题,并积极提出中国方案,不断丰富ITPA的研究内容。我国借鉴ITPA工作模式,已经开始并将持续推进CTPA的工作,着手开展了ITER和CFETR关心的物理问题的研究,同时结合ITPA框架下已有成果,加速推进了我国CFETR聚变堆芯物理设计。此外,一批年青科研人才在这些活动中得以锻炼,成长迅速,也为我国将来磁约束聚变能研发培养和储备较多的优秀青年人才。
        我国两大实验装置EAST和HL-2A下一步将会尽快提高和完善装置的实验水平和研究能力,以利于更加全面地、更好地开展ITPA课题研究,扩大我国ITPA的参与规模,为我国科研人员深入了解ITER物理和主持或参加ITER未来科学研究奠定基础。
我国继续积极参与ITPA活动,保持与ITER参与方之间托卡马克物理研究的良好合作势头,将使得我国CFETR堆芯物理设计可以有效地寻求到国际方面的经验和帮助,这无疑会为我国磁约束聚变能研究的快速发展构建起良好的外部支撑。