羅切斯特大學的新研究將提高計算機模型，在激光驅動內爆模擬中使用的準確性，發(fā)表在《自然物理學》期刊上的這項研究，解決了科學家長期尋求實現(xiàn)核聚變的挑戰(zhàn)之一。

在激光驅動的慣性約束聚變(ICF)實驗中，例如在羅切斯特大學激光能量實驗室(LLE)進行的實驗中，由持續(xù)時間僅為十億分之一秒的強光脈沖組成短光束傳遞能量來加熱和壓縮氫燃料電池的目標。理想情況下，這個過程會釋放出比用來加熱系統(tǒng)能量更多的能量。

激光驅動的慣性約束聚變實驗要求許多激光束通過等離子體（自由運動的電子和離子熱湯）來精確地將其輻射能量沉積在預定目標上。但是當光束發(fā)射時，它們與等離子體相互作用的方式可能會使預期結果復雜化。LLE科學家、該論文的第一作者david turnbull解釋說：慣性約束聚變必然會產生許多激光束在目標周圍熱等離子體中重疊的環(huán)境，多年來科學家已經認識到激光束可以相互作用和交換能量。為了準確地模擬這種相互作用，科學家們需要確切地知道激光束能量是如何與等離子體相互作用的。

雖然研究人員提供了關于激光束如何改變等離子體的理論，但從來沒有實驗證明過?，F(xiàn)在，LLE研究人員與在加利福尼亞州勞倫斯利弗莫爾國家實驗室和法國國家科學研究中心的同事一起，首次直接演示了激光束如何改變潛在等離子體的條件，進而影響聚變實驗中的能量轉移。LLE主任Michael Campbell表示：這些結果很好地證明了實驗室的創(chuàng)新，以及為國家核聚變計劃建立對激光-等離子體不穩(wěn)定性堅實理解的重要性。

使用超級計算機模擬核聚變

科學家經常使用超級計算機來研究核聚變實驗中涉及的內爆。因此，重要的是，這些計算機模型準確地描述了所涉及的物理過程，包括從激光束到等離子體以及最終到目標的能量交換。在過去的十年中，科學家已經使用計算機模型來描述激光驅動聚變實驗中涉及的激光束相互作用。然而，模型通常假設激光束的能量以一種稱為麥克斯韋分布的平衡相互作用——當沒有激光存在時，人們在交換中會期望這種平衡。LLE的資深科學家達斯汀·弗羅拉(Dustin Froula)說：但是，當然，激光是存在的。

科學家們在大約40年前就預測，激光在重要方面改變了潛在的等離子體條件。1980年由于激光束對慢電子的優(yōu)先加熱，提出了一種理論來預測激光等離子體中的這些非麥克斯韋分布函數(shù)。在隨后的幾年中，Rochester畢業(yè)生Bedros Afeyan‘89(Ph.D.)預測，這些非麥克斯韋電子分布函數(shù)的影響，將改變激光能量在光束之間轉移的方式。但由于缺乏實驗證據來驗證這一預測，研究人員在模擬中沒有說明這一點。

特恩布爾，弗羅拉和物理學和天文學研究生avram milder在LLE的歐米茄激光設備進行了實驗，對激光加熱的等離子體進行了非常詳細的測量。這些實驗的結果首次表明，等離子體中電子能量的分布受其與激光輻射相互作用影響，不再能用主流模型精確描述。這項新研究不僅驗證了一個長期存在的理論，而且還表明激光-等離子體相互作用強烈地改變了能量的傳遞。目前正在開發(fā)更好地解釋潛在等離子體條件的新內聯(lián)模型，這將能提高集成內爆模擬的預測能力。

博科園｜研究/來自：羅切斯特大學

參考期刊《自然物理學》

DOI: 10.1038/s41567-019-0725-z

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