【資訊】NIF燃燒等離子體中出現(xiàn)反常超熱離子的物理機制被揭示 | ICF新知

圖1 左：初始模擬溫度密度設(shè)置，符合等壓穩(wěn)定條件；中：小角度與大角度碰撞軌跡示意；右：頻繁交換能量的小角度碰撞易導(dǎo)致平衡態(tài)麥?zhǔn)戏植?，而單次碰撞中交換大部分能量的大角度碰撞易產(chǎn)生高能離子，導(dǎo)致非平衡效應(yīng)

       張杰院士團(tuán)隊創(chuàng)新性地提出了一種模擬大角度碰撞的動理學(xué)新模型。該模型結(jié)合了背景離子屏蔽勢與離子在兩體碰撞中的相對運動，可全面捕捉離子動理學(xué)特征，如圖1。特別值得一提的是，當(dāng)逐漸降低等離子體密度時，大角度碰撞效應(yīng)變?nèi)?，該模型可逐漸退化到以Fokker-Planck方程為主的小角度碰撞描述。此外，研究團(tuán)隊采用第一性原理分子動力學(xué)（MD）模擬方法，開展了上百萬粒子數(shù)的MD模擬與新模型模擬結(jié)果的對比驗證，如圖2，進(jìn)一步檢驗了該模型的準(zhǔn)確性。

圖2 MD與LAPINS模擬高能離子能譜的對比。（a）MD，220 fs；（b）LAPINS，400 fs

       為了精準(zhǔn)模擬實驗條件下的ICF核燃燒等離子體，研究團(tuán)隊將新模型融入新開發(fā)的流體動理學(xué)混合模擬程序LAPINS中，并開展了一系列數(shù)值模擬。模擬結(jié)果深刻揭示了大角度碰撞的多個關(guān)鍵影響：

（a）D能譜演化；（b）點火前同產(chǎn)額D能譜對比；（c）中子譜均值與方差的偏移

1. 超熱離子分布與中子譜變化：在模擬中引入大角度碰撞后，能明顯觀察到超熱離子的產(chǎn)生，如圖3（a）。其中氘離子能譜可分為兩部分，分別對應(yīng)于低溫冷燃料和高溫?zé)岚?。圖3（b）中點火前的超熱離子截止能量約為34 keV，與NIF實驗的中子譜分析結(jié)果（35 keV）高度一致。此外，大角度碰撞顯著影響了中子譜的特性，具體表現(xiàn)為均值與方差的改變，如圖3（c）。

   
   

2. 點火時間提前：大角度碰撞有利于聚變中子產(chǎn)額的進(jìn)一步增加。值得注意的是，原本在初始溫度4.0 keV下難以點火的熱斑，在大角度碰撞的作用下成功實現(xiàn)了點火，如圖4（c）。在更高的溫度下，達(dá)到相同產(chǎn)額時的點火時間提前了約10 ps。這一現(xiàn)象的根源在于超熱離子沉積增強了聚變反應(yīng)幾率與功率，這種效應(yīng)在熱斑邊界區(qū)域尤為突出。

   
   

   
   

• 圖4，左/右圖與虛/實線對應(yīng)否/是引入大角度碰撞

  （a）α粒子密度演化；（b）D溫度演化；（c）中子產(chǎn)額與燃耗演化；（d）熱斑(>3.0 keV)大小演化

  
  

• 超熱離子沉積與熱斑擴展：大角度碰撞顯著縮短了超熱離子的平均自由程，加速了α粒子在局部區(qū)域的能量沉積。如圖4（a）所示，在相同產(chǎn)額對比下，大角度碰撞導(dǎo)致熱斑邊界的α粒子峰值密度從0.97     g/cm3躍升至1.88 g/cm3，沉積密度近乎翻倍；即便在熱斑中心區(qū)域，α粒子密度也提升了約24%。由于α粒子沉積的顯著增強，離子溫度也隨之相應(yīng)上升，如圖4（b）。因此，大角度碰撞對于維持穩(wěn)定且劇烈的核燃燒狀態(tài)至關(guān)重要，如圖4（d）。