羅切斯特大學(xué)的新研究將提高計(jì)算機(jī)模型，在激光驅(qū)動(dòng)內(nèi)爆模擬中使用的準(zhǔn)確性，發(fā)表在《自然物理學(xué)》期刊上的這項(xiàng)研究，解決了科學(xué)家長(zhǎng)期尋求實(shí)現(xiàn)核聚變的挑戰(zhàn)之一。

在激光驅(qū)動(dòng)的慣性約束聚變(ICF)實(shí)驗(yàn)中，例如在羅切斯特大學(xué)激光能量實(shí)驗(yàn)室(LLE)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中，由持續(xù)時(shí)間僅為十億分之一秒的強(qiáng)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(biāo)。理想情況下，這個(gè)過程會(huì)釋放出比用來加熱系統(tǒng)能量更多的能量。

激光驅(qū)動(dòng)的慣性約束聚變實(shí)驗(yàn)要求許多激光束通過等離子體（自由運(yùn)動(dòng)的電子和離子熱湯）來精確地將其輻射能量沉積在預(yù)定目標(biāo)上。但是當(dāng)光束發(fā)射時(shí)，它們與等離子體相互作用的方式可能會(huì)使預(yù)期結(jié)果復(fù)雜化。LLE科學(xué)家、該論文的第一作者david turnbull解釋說：慣性約束聚變必然會(huì)產(chǎn)生許多激光束在目標(biāo)周圍熱等離子體中重疊的環(huán)境，多年來科學(xué)家已經(jīng)認(rèn)識(shí)到激光束可以相互作用和交換能量。為了準(zhǔn)確地模擬這種相互作用，科學(xué)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(guān)于激光束如何改變等離子體的理論，但從來沒有實(shí)驗(yàn)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(guó)家實(shí)驗(yàn)室和法國(guó)國(guó)家科學(xué)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(jìn)而影響聚變實(shí)驗(yàn)中的能量轉(zhuǎn)移。LLE主任Michael Campbell表示：這些結(jié)果很好地證明了實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)新，以及為國(guó)家核聚變計(jì)劃建立對(duì)激光-等離子體不穩(wěn)定性堅(jiān)實(shí)理解的重要性。

使用超級(jí)計(jì)算機(jī)模擬核聚變

科學(xué)家經(jīng)常使用超級(jí)計(jì)算機(jī)來研究核聚變實(shí)驗(yàn)中涉及的內(nèi)爆。因此，重要的是，這些計(jì)算機(jī)模型準(zhǔn)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(biāo)的能量交換。在過去的十年中，科學(xué)家已經(jīng)使用計(jì)算機(jī)模型來描述激光驅(qū)動(dòng)聚變實(shí)驗(yàn)中涉及的激光束相互作用。然而，模型通常假設(shè)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(dāng)沒有激光存在時(shí)，人們?cè)诮粨Q中會(huì)期望這種平衡。LLE的資深科學(xué)家達(dá)斯汀·弗羅拉(Dustin Froula)說：但是，當(dāng)然，激光是存在的。

科學(xué)家們?cè)诖蠹s40年前就預(yù)測(cè)，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(duì)慢電子的優(yōu)先加熱，提出了一種理論來預(yù)測(cè)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(yù)測(cè)，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(zhuǎn)移的方式。但由于缺乏實(shí)驗(yàn)證據(jù)來驗(yàn)證這一預(yù)測(cè)，研究人員在模擬中沒有說明這一點(diǎn)。

特恩布爾，弗羅拉和物理學(xué)和天文學(xué)研究生avram milder在LLE的歐米茄激光設(shè)備進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，對(duì)激光加熱的等離子體進(jìn)行了非常詳細(xì)的測(cè)量。這些實(shí)驗(yàn)的結(jié)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(xiàng)新研究不僅驗(yàn)證了一個(gè)長(zhǎng)期存在的理論，而且還表明激光-等離子體相互作用強(qiáng)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(nèi)聯(lián)模型，這將能提高集成內(nèi)爆模擬的預(yù)測(cè)能力。

博科園｜研究/來自：羅切斯特大學(xué)

參考期刊《自然物理學(xué)》

DOI: 10.1038/s41567-019-0725-z

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