罗切斯特大学的新研究将提高计算机模型，在激光驱动内爆模拟中使用的准确性，发表在《自然物理学》期刊上的这项研究，解决了科学家长期寻求实现核聚变的挑战之一。在激光驱动的惯性约束聚变(ICF)实验中，例如在罗切斯特大学激光能量实验室(LLE)进行的实验中，由持续时间仅为十亿分之一秒的强光脉冲组成短光束传递能量来加热和压缩氢燃料电池的目标。理想情况下，这个过程会释放出比用来加热系统能量更多的能量。
激光驱动的惯性约束聚变实验要求许多激光束通过等离子体（自由运动的电子和离子热汤）来精确地将其辐射能量沉积在预定目标上。但是当光束发射时，它们与等离子体相互作用的方式可能会使预期结果复杂化。LLE科学家、该论文的第一作者david turnbull解释说：惯性约束聚变必然会产生许多激光束在目标周围热等离子体中重叠的环境，多年来科学家已经认识到激光束可以相互作用和交换能量。为了准确地模拟这种相互作用，科学家们需要确切地知道激光束能量是如何与等离子体相互作用的。
虽然研究人员提供了关于激光束如何改变等离子体的理论，但从来没有实验证明过。现在，LLE研究人员与在加利福尼亚州劳伦斯利弗莫尔国家实验室和法国国家科学研究中心的同事一起，首次直接演示了激光束如何改变潜在等离子体的条件，进而影响聚变实验中的能量转移。LLE主任Michael Campbell表示：这些结果很好地证明了实验室的创新，以及为国家核聚变计划建立对激光-等离子体不稳定性坚实理解的重要性。
使用超级计算机模拟核聚变
科学家经常使用超级计算机来研究核聚变实验中涉及的内爆。因此，重要的是，这些计算机模型准确地描述了所涉及的物理过程，包括从激光束到等离子体以及最终到目标的能量交换。在过去的十年中，科学家已经使用计算机模型来描述激光驱动聚变实验中涉及的激光束相互作用。然而，模型通常假设激光束的能量以一种称为麦克斯韦分布的平衡相互作用——当没有激光存在时，人们在交换中会期望这种平衡。LLE的资深科学家达斯汀·弗罗拉(Dustin Froula)说：但是，当然，激光是存在的。
科学家们在大约40年前就预测，激光在重要方面改变了潜在的等离子体条件。1980年由于激光束对慢电子的优先加热，提出了一种理论来预测激光等离子体中的这些非麦克斯韦分布函数。在随后的几年中，Rochester毕业生Bedros Afeyan‘89(Ph.D.)预测，这些非麦克斯韦电子分布函数的影响，将改变激光能量在光束之间转移的方式。但由于缺乏实验证据来验证这一预测，研究人员在模拟中没有说明这一点。
特恩布尔，弗罗拉和物理学和天文学研究生avram milder在LLE的欧米茄激光设备进行了实验，对激光加热的等离子体进行了非常详细的测量。这些实验的结果首次表明，等离子体中电子能量的分布受其与激光辐射相互作用影响，不再能用主流模型精确描述。这项新研究不仅验证了一个长期存在的理论，而且还表明激光-等离子体相互作用强烈地改变了能量的传递。目前正在开发更好地解释潜在等离子体条件的新内联模型，这将能提高集成内爆模拟的预测能力。
博科园｜研究/来自：罗切斯特大学
参考期刊《自然物理学》
DOI: 10.1038/s41567-019-0725-z
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