【特别报道】——“天河三号”原型机助力人造小太阳核聚变反应堆的研究

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核聚变反应堆研制又称为“人造小太阳”计划，旨在通过建造反应堆及核聚变装置，把“人造小太阳”从梦想变成现实，也就是通过人工方式实现受控热核聚变，解决人类能源短缺问题和环境发展问题。目前，基于天河系列超级计算机，国内外多个磁约束聚变模拟团队开展了国际热核聚变实验堆（ITER）关键技术、我国磁约束核聚变能装置和关键技术研发、聚变等离子体宏观微观不稳定性、湍流输运和加热等物理过程的数值模拟工作，并取得了大量应用成果。

其中，在磁约束聚变装置中，微观不稳定性被认为是破坏约束性能的主要原因。若能模拟出ITER或CFETR装置级不稳定性模式与增长率，将成为这一领域的新参考标准，若可以找到一种外界扰动方法，或等离子体位形，将使得微观不稳定性大大减弱甚至不存在，则可以大大降低目前磁约束装置的造价。

由于等离子体天然具有多时空尺度的特性，故为了演化低频问题，必须将时间步长设得足够小以解析物理系统中最短的时间尺度，这使得算法的长期守恒性变得十分重要。传统基于微分方程的Particle-in-Cell（PIC）求解器因截断误差的累积，其长期演化的结果会由于发散而不可靠。

为了解决这一问题，近日，国家超级计算天津中心用户中国科学技术大学肖建元课题组基于“天河三号”原型机开发了一套基于几何算法的PIC程序，其使用的格式保证了离散系统演化时的辛二形式严格守恒，从而可以保证系统所有不变量的演化误差不发散，因此极度适合于多尺度等离子体物理问题的模拟。

应用成果

肖建元课题组首次使用了电磁全动理学模拟，模拟了真实参数的小型Tokamak装置（与CMod装置尺寸类似）电子-氘离子等离子体演化。模拟规模为192x64x256，每格128个采样点，总模拟时间步长为150万，大约模拟到2000个离子回旋周期（0.05ms）。

由于模拟的时间尺度跨越6个数量级，以往采用简化模型的方式，如磁流体与回旋动理学两种模型，都无法完整再现等离子体内部的全部物理过程，并且最终使用的离散格式无法保证长时间的守恒性质，故难以得到可靠的长期演化结果。

该课题组首次通过电磁全动理学模拟，直接计算低频的磁约束等离子体微观不稳定性的演化，验证了在足够大规模的高性能计算机集群上直接采用保结构电磁全动理学模拟磁约束环型装置等离子体的可行性。

小型Tokamak装置不同环向模式下的小环截面密度模式结构

上述研究工作得到了国家重点研发计划、国家磁约束聚变能发展研究专项、国家自然科学基金的支持。相关成果的计算工作得到了国家超级计算天津中心的大力支持。