【资讯】NIF燃烧等离子体中出现反常超热离子的物理机制被揭示 | ICF新知

图1 左：初始模拟温度密度设置，符合等压稳定条件；中：小角度与大角度碰撞轨迹示意；右：频繁交换能量的小角度碰撞易导致平衡态麦氏分布，而单次碰撞中交换大部分能量的大角度碰撞易产生高能离子，导致非平衡效应

       张杰院士团队创新性地提出了一种模拟大角度碰撞的动理学新模型。该模型结合了背景离子屏蔽势与离子在两体碰撞中的相对运动，可全面捕捉离子动理学特征，如图1。特别值得一提的是，当逐渐降低等离子体密度时，大角度碰撞效应变弱，该模型可逐渐退化到以Fokker-Planck方程为主的小角度碰撞描述。此外，研究团队采用第一性原理分子动力学（MD）模拟方法，开展了上百万粒子数的MD模拟与新模型模拟结果的对比验证，如图2，进一步检验了该模型的准确性。

图2 MD与LAPINS模拟高能离子能谱的对比。（a）MD，220 fs；（b）LAPINS，400 fs

       为了精准模拟实验条件下的ICF核燃烧等离子体，研究团队将新模型融入新开发的流体动理学混合模拟程序LAPINS中，并开展了一系列数值模拟。模拟结果深刻揭示了大角度碰撞的多个关键影响：

（a）D能谱演化；（b）点火前同产额D能谱对比；（c）中子谱均值与方差的偏移

1. 超热离子分布与中子谱变化：在模拟中引入大角度碰撞后，能明显观察到超热离子的产生，如图3（a）。其中氘离子能谱可分为两部分，分别对应于低温冷燃料和高温热斑。图3（b）中点火前的超热离子截止能量约为34 keV，与NIF实验的中子谱分析结果（35 keV）高度一致。此外，大角度碰撞显著影响了中子谱的特性，具体表现为均值与方差的改变，如图3（c）。

   
   

2. 点火时间提前：大角度碰撞有利于聚变中子产额的进一步增加。值得注意的是，原本在初始温度4.0 keV下难以点火的热斑，在大角度碰撞的作用下成功实现了点火，如图4（c）。在更高的温度下，达到相同产额时的点火时间提前了约10 ps。这一现象的根源在于超热离子沉积增强了聚变反应几率与功率，这种效应在热斑边界区域尤为突出。

   
   

   
   

• 图4，左/右图与虚/实线对应否/是引入大角度碰撞

  （a）α粒子密度演化；（b）D温度演化；（c）中子产额与燃耗演化；（d）热斑(>3.0 keV)大小演化

  
  

• 超热离子沉积与热斑扩展：大角度碰撞显著缩短了超热离子的平均自由程，加速了α粒子在局部区域的能量沉积。如图4（a）所示，在相同产额对比下，大角度碰撞导致热斑边界的α粒子峰值密度从0.97     g/cm³跃升至1.88 g/cm³，沉积密度近乎翻倍；即便在热斑中心区域，α粒子密度也提升了约24%。由于α粒子沉积的显著增强，离子温度也随之相应上升，如图4（b）。因此，大角度碰撞对于维持稳定且剧烈的核燃烧状态至关重要，如图4（d）。