2019-12-03 05:21:01
当激光束遇到等离子体时新数据解决了融合研究中的空白

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罗彻斯特大学的最新研究将提高用于模拟激光驱动内爆的计算机模型的准确性。这项发表在《自然物理学》杂志上的研究解决了科学家长期寻求实现聚变的挑战之一。

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学实验室(LLE)进行的实验中,短束由光的强脉冲组成,脉冲持续时间仅为十亿分之一秒,将能量传递给加热并压缩氢燃料电池的靶材。理想情况下,此过程将释放比加热系统更多的能量。

激光驱动的ICF实验要求许多激光束通过等离子体(自由移动的电子和离子的热汤)传播,以将其辐射能精确地沉积在预定目标上。但是,当光束照做时,它们以可能使预期结果复杂化的方式与等离子体相互作用。

LLE科学家,《自然》杂志的第一作者戴维·特恩布尔(David Turnbull)说:“ ICF必定会在许多环境中在周围目标的热等离子体中重叠许多激光束,并且人们已经认识到,激光束可以相互作用并交换能量。”纸。

为了准确地模拟这种相互作用,科学家需要确切地知道来自激光束的能量如何与等离子体相互作用。尽管研究人员提供了有关激光束改变等离子体的方式的理论,但从未有过实验证明。

现在,LLE的研究人员以及他们在加利福尼亚州的劳伦斯·利弗莫尔国家实验室和法国的国家科学中心的同事们,首次直接展示了激光束如何改变潜在等离子体的条件,进而影响到聚变实验中的能量转移。

LLE主任迈克尔·坎贝尔说:“结果很好地证明了实验室的创新,以及对国家核聚变计划建立对激光等离子体不稳定性的牢固理解的重要性。”

使用超级计算机进行模型融合

研究人员经常使用超级计算机来研究聚变实验涉及的内爆。因此,重要的是,这些计算机模型必须准确地描述所涉及的物理过程,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,研究人员使用计算机模型描述了激光驱动聚变实验中涉及的相互激光束相互作用。但是,这些模型通常假定来自激光束的能量以一种称为麦克斯韦分布的平衡类型进行交互作用-当不存在激光时,在交换中会期望达到平衡。

LLE的资深科学家Dustin Froula说:“但是,当然有激光。”

Froula指出,科学家在40年前就预测激光将以重要方式改变潜在的等离子体状况。 1980年,由于激光束优先加热慢速电子,提出了一种理论,预测了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,罗切斯特大学的研究生Bedros Afeyan '89(博士)预测,这些非麦克斯韦电子分布函数的作用将改变激光能量在光束之间的传输方式。

但是由于缺乏实验证据来验证这一预测,研究人员并未在模拟中对其进行解释。

特恩布尔,弗洛拉(Froula)以及物理学和天文学的研究生Avram Milder在LLE的Omega激光实验室进行了实验,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的相互作用的影响,无法再由主流模型准确描述。

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。

特恩布尔说:“目前正在开发能更好地说明潜在等离子体状况的新型在线模型,这将改善集成内爆模拟的预测能力。”

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