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

來(lái)源:筱曉(上海)光子技術(shù)有限公司   2025年02月24日 17:45  

      如何正確對(duì)燃燒等離子體中的庫(kù)侖碰撞進(jìn)行準(zhǔn)確建模是國(guó)際學(xué)術(shù)界的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。先前的研究中大角度碰撞的建模依賴(lài)于靜態(tài)屏蔽庫(kù)侖勢(shì),無(wú)法充分描述實(shí)驗(yàn)觀察到的非麥?zhǔn)现凶幼V和離子運(yùn)動(dòng)之間的直接關(guān)聯(lián),尤其是離子相對(duì)速度對(duì)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(kù)侖碰撞機(jī)制,并提高模型的預(yù)測(cè)能力,需要納入離子相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)改進(jìn)現(xiàn)有的大角度碰撞模型。這一改進(jìn)不僅有望解決理論模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的不一致問(wèn)題,還具有為ICF燃燒等離子體研究開(kāi)辟新途徑、推動(dòng)聚變能源研究發(fā)展的潛力。



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(duì)創(chuàng)新性地提出了一種模擬大角度碰撞的動(dòng)理學(xué)新模型。該模型結(jié)合了背景離子屏蔽勢(shì)與離子在兩體碰撞中的相對(duì)運(yùn)動(dòng),可全面捕捉離子動(dòng)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(shí),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(duì)采用第一性原理分子動(dòng)力學(xué)(MD)模擬方法,開(kāi)展了上百萬(wàn)粒子數(shù)的MD模擬與新模型模擬結(jié)果的對(duì)比驗(yàn)證,如圖2,進(jìn)一步檢驗(yàn)了該模型的準(zhǔn)確性。


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


       為了精準(zhǔn)模擬實(shí)驗(yàn)條件下的ICF核燃燒等離子體,研究團(tuán)隊(duì)將新模型融入新開(kāi)發(fā)的流體動(dòng)理學(xué)混合模擬程序LAPINS中,并開(kāi)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(gè)關(guān)鍵影響:



圖3,上/下圖與虛/實(shí)線對(duì)應(yīng)否/是引入大角度碰撞


(a)D能譜演化;(b)點(diǎn)火前同產(chǎn)額D能譜對(duì)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(duì)應(yīng)于低溫冷燃料和高溫?zé)岚?。圖3(b)中點(diǎn)火前的超熱離子截止能量約為34 keV,與NIF實(shí)驗(yàn)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(diǎn)火時(shí)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(diǎn)火的熱斑,在大角度碰撞的作用下成功實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)火,如圖4(c)。在更高的溫度下,達(dá)到相同產(chǎn)額時(shí)的點(diǎn)火時(shí)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(qiáng)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(shí)線對(duì)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(kuò)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(duì)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(qiáng),離子溫度也隨之相應(yīng)上升,如圖4(b)。因此,大角度碰撞對(duì)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)。



圖5 中子譜均值偏移-方差-關(guān)系?;疑珵榱黧w力學(xué)預(yù)測(cè)區(qū)域,黑實(shí)線為其邊界。

帶誤差條的方塊為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),菱形/圓點(diǎn)對(duì)應(yīng)否/是引入大角度碰撞


4 總結(jié)與展望


       最終,模擬結(jié)果顯示的中子譜呈現(xiàn)出與麥克斯韋行為相偏離的均值-方差關(guān)系,并且模擬進(jìn)一步預(yù)測(cè):隨著聚變產(chǎn)額的不斷增加,這種偏離將變得更加顯著。這些與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合的均值-方差關(guān)系,不僅為上述研究結(jié)論提供了強(qiáng)有力的支持,同時(shí)也充分驗(yàn)證了研究團(tuán)隊(duì)新開(kāi)發(fā)的流體動(dòng)理學(xué)混合程序LAPINS,在結(jié)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(xiàn): 中國(guó)光學(xué)期刊網(wǎng) 


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