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

更新時間：2025-02-24

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如何正確對燃燒等離子體中的庫侖碰撞進行準確建模是國際學術界的一個巨大挑戰。先前的研究中大角度碰撞的建模依賴于靜態屏蔽庫侖勢，無法充分描述實驗觀察到的非麥氏中子譜和離子運動之間的直接關聯，尤其是離子相對速度對中子譜均值偏移的重要影響。因此，為了深入理解燃燒等離子體中的庫侖碰撞機制，并提高模型的預測能力，需要納入離子相對運動來改進現有的大角度碰撞模型。這一改進不僅有望解決理論模擬與實驗結果的不一致問題，還具有為ICF燃燒等離子體研究開辟新途徑、推動聚變能源研究發展的潛力。

圖1 左：初始模擬溫度密度設置，符合等壓穩定條件；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致平衡態麥氏分布，而單次碰撞中交換大部分能量的大角度碰撞易產生高能離子，導致非平衡效應

張杰院士團隊創新性地提出了一種模擬大角度碰撞的動理學新模型。該模型結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特征，如圖1。特別值得一提的是，當逐漸降低等離子體密度時，大角度碰撞效應變弱，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，研究團隊采用第一性原理分子動力學（MD）模擬方法，開展了上百萬粒子數的MD模擬與新模型模擬結果的對比驗證，如圖2，進一步檢驗了該模型的準確性。

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

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

圖3，上/下圖與虛/實線對應否/是引入大角度碰撞

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

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生，如圖3（a）。其中氘離子能譜可分為兩部分，分別對應于低溫冷燃料和高溫熱斑。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，具體表現為均值與方差的改變，如圖3（c）。
點火時間提前：大角度碰撞有利于聚變中子產額的進一步增加。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了點火，如圖4（c）。在更高的溫度下，達到相同產額時的點火時間提前了約10 ps。這一現象的根源在于超熱離子沉積增強了聚變反應幾率與功率，這種效應在熱斑邊界區域尤為突出。

圖4，左/右圖與虛/實線對應否/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粒子在局部區域的能量沉積。如圖4（a）所示，在相同產額對比下，大角度碰撞導致熱斑邊界的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上升，如圖4（b）。因此，大角度碰撞對于維持穩定且劇烈的核燃燒狀態至關重要，如圖4（d）。

圖5 中子譜均值偏移-方差-關系。灰色為流體力學預測區域，黑實線為其邊界。

帶誤差條的方塊為實驗數據，菱形/圓點對應否/是引入大角度碰撞

4 總結與展望

最終，模擬結果顯示的中子譜呈現出與麥克斯韋行為相偏離的均值-方差關系，并且模擬進一步預測：隨著聚變產額的不斷增加，這種偏離將變得更加顯著。這些與實驗結果相吻合的均值-方差關系，不僅為上述研究結論提供了強有力的支持，同時也充分驗證了研究團隊新開發的流體動理學混合程序LAPINS，在結合大角度碰撞后，能精確且有效地模擬ICF核燃燒等離子體。

參考文獻：中國光學期刊網

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