羅徹斯特大學(xué)的一項(xiàng)新研究將提高激光內(nèi)爆計(jì)算機(jī)模型的準(zhǔn)確性。這項(xiàng)發(fā)表在《自然物理》雜志上的研究解決了科學(xué)家長(zhǎng)期以來(lái)尋求實(shí)現(xiàn)核聚變的其中一個(gè)挑戰(zhàn)。

在激光驅(qū)動(dòng)的慣性約束聚變(ICF)實(shí)驗(yàn)中，由僅持續(xù)十億分之一秒的強(qiáng)烈光脈沖所組成的短光束會(huì)將能量傳遞給目標(biāo)氫燃料，并壓縮目標(biāo)。理想情況下，這個(gè)過(guò)程釋放的能量會(huì)比用來(lái)加熱系統(tǒng)的能量要更多。

激光驅(qū)動(dòng)的ICF實(shí)驗(yàn)要求許多激光束通過(guò)等離子體(一種由自由移動(dòng)的電子和離子組成的離子化氣體狀物質(zhì))傳播，從而將它們的輻射能量精確地儲(chǔ)存在預(yù)定的目標(biāo)上。但是，當(dāng)光束這樣做的時(shí)候，它們與等離子體之間的相互作用會(huì)使預(yù)期結(jié)果變得復(fù)雜化。

該論文的第一作者、羅切斯特大學(xué)激光能量學(xué)實(shí)驗(yàn)室(LLE)科學(xué)家戴維特恩布爾(David Turnbull)表示：“ICF必然會(huì)產(chǎn)生一種許多激光束在圍繞目標(biāo)的熱等離子體中重疊的環(huán)境。多年來(lái)，人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，激光束可以相互作用并交換能量?！?/span>

為了精確地模擬這種相互作用，科學(xué)家需要確切地知道激光束的能量會(huì)怎樣和等離子體進(jìn)行相互作用。雖然研究人員曾經(jīng)提出過(guò)幾個(gè)關(guān)于激光束改變等離子體的方式的理論，但這些理論都沒(méi)有通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到證實(shí)。

現(xiàn)在，LLE的研究人員和他們?cè)诩又輨趥愃估ツ獱枃?guó)家實(shí)驗(yàn)室和法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心的同事首次直接證明了激光改變基礎(chǔ)等離子體條件、進(jìn)而影響核聚變實(shí)驗(yàn)的能量轉(zhuǎn)移過(guò)程的方式。

LLE主任邁克爾·坎貝爾(Michael Campbell)說(shuō)：“這些結(jié)果是實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)新的一個(gè)很好的證明，同時(shí)也說(shuō)明了在國(guó)家核聚變項(xiàng)目中了解激光等離子體不穩(wěn)定性的重要性?！?/span>

使用超級(jí)計(jì)算機(jī)模擬核聚變

研究人員經(jīng)常使用超級(jí)計(jì)算機(jī)來(lái)研究核聚變實(shí)驗(yàn)中的內(nèi)爆現(xiàn)象。因此，這些計(jì)算機(jī)模型能否準(zhǔn)確地描述現(xiàn)象所涉及的物理過(guò)程非常重要，其中包括能量從激光束到等離子體，最終到達(dá)目標(biāo)的交換過(guò)程。

在過(guò)去的十年中，研究人員使用計(jì)算機(jī)模型來(lái)描述激光驅(qū)動(dòng)核聚變實(shí)驗(yàn)中的激光束相互作用。然而，這些模型通常會(huì)假定激光束的能量會(huì)以一種被稱為麥克斯韋分布的平衡方式相互作用，但人們通常認(rèn)為這種平衡方式只會(huì)在沒(méi)有激光的交換過(guò)程中出現(xiàn)。

LLE的資深科學(xué)家達(dá)斯汀·弗羅拉(Dustin Froula)說(shuō)：“但當(dāng)然了，激光是存在的?！?/span>

Froula指出，科學(xué)家們?cè)诖蠹s40年前就預(yù)測(cè)到激光會(huì)在很大程度上改變基礎(chǔ)等離子體條件。在1980年提出的一種理論預(yù)測(cè)，激光等離子體中的非麥克斯韋分布函數(shù)是由于激光光束對(duì)慢電子的優(yōu)先加熱而產(chǎn)生的。在隨后的幾年中，羅切斯特大學(xué)的研究生Bedros Afeyan’ 89(Ph.D.)預(yù)測(cè)這些非麥克斯韋電子分布函數(shù)的影響將會(huì)改變激光能量在光束之間的傳輸方式。

但是由于缺乏實(shí)驗(yàn)證據(jù)來(lái)驗(yàn)證這一預(yù)測(cè)，研究人員沒(méi)有在他們的模擬中考慮到這一點(diǎn)。

Turnbull、Froula和物理學(xué)與天文學(xué)研究生阿夫拉姆·米爾德(Avram Milder)在LLE的Omega激光設(shè)備上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，他們對(duì)激光加熱的等離子體進(jìn)行了非常詳細(xì)的測(cè)量。這些實(shí)驗(yàn)的結(jié)果首次表明，等離子體中的電子能量分布受到它們和激光輻射的相互作用的影響，并且不能用主流模型來(lái)進(jìn)行精確描述。

這項(xiàng)新研究不僅證實(shí)了一個(gè)長(zhǎng)期存在的理論，而且還表明激光與等離子體的相互作用強(qiáng)烈地改變了能量的傳遞過(guò)程。

Turnbull說(shuō)：“目前可以更好地描述基礎(chǔ)等離子體條件的內(nèi)聯(lián)模型正在開(kāi)發(fā)當(dāng)中，這將提高集成內(nèi)爆模擬實(shí)驗(yàn)的預(yù)測(cè)能力?！?/span>