羅徹斯特大學的一項新研究將提高激光內爆計算機模型的準確性。這項發表在《自然物理》雜志上的研究解決了科學家長期以來尋求實現核聚變的其中一個挑戰。

在激光驅動的慣性約束聚變(ICF)實驗中，由僅持續十億分之一秒的強烈光脈沖所組成的短光束會將能量傳遞給目標氫燃料，并壓縮目標。理想情況下，這個過程釋放的能量會比用來加熱系統的能量要更多。

激光驅動的ICF實驗要求許多激光束通過等離子體(一種由自由移動的電子和離子組成的離子化氣體狀物質)傳播，從而將它們的輻射能量精確地儲存在預定的目標上。但是，當光束這樣做的時候，它們與等離子體之間的相互作用會使預期結果變得復雜化。

該論文的第一作者、羅切斯特大學激光能量學實驗室(LLE)科學家戴維特恩布爾(David Turnbull)表示：“ICF必然會產生一種許多激光束在圍繞目標的熱等離子體中重疊的環境。多年來，人們已經認識到，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，科學家需要確切地知道激光束的能量會怎樣和等離子體進行相互作用。雖然研究人員曾經提出過幾個關于激光束改變等離子體的方式的理論，但這些理論都沒有通過實驗得到證實。

現在，LLE的研究人員和他們在加州勞倫斯利弗莫爾國家實驗室和法國國家科學研究中心的同事首次直接證明了激光改變基礎等離子體條件、進而影響核聚變實驗的能量轉移過程的方式。

LLE主任邁克爾·坎貝爾(Michael Campbell)說：“這些結果是實驗室創新的一個很好的證明，同時也說明了在國家核聚變項目中了解激光等離子體不穩定性的重要性?！?/span>

使用超級計算機模擬核聚變

研究人員經常使用超級計算機來研究核聚變實驗中的內爆現象。因此，這些計算機模型能否準確地描述現象所涉及的物理過程非常重要，其中包括能量從激光束到等離子體，最終到達目標的交換過程。

在過去的十年中，研究人員使用計算機模型來描述激光驅動核聚變實驗中的激光束相互作用。然而，這些模型通常會假定激光束的能量會以一種被稱為麥克斯韋分布的平衡方式相互作用，但人們通常認為這種平衡方式只會在沒有激光的交換過程中出現。

LLE的資深科學家達斯汀·弗羅拉(Dustin Froula)說：“但當然了，激光是存在的。”

Froula指出，科學家們在大約40年前就預測到激光會在很大程度上改變基礎等離子體條件。在1980年提出的一種理論預測，激光等離子體中的非麥克斯韋分布函數是由于激光光束對慢電子的優先加熱而產生的。在隨后的幾年中，羅切斯特大學的研究生Bedros Afeyan’ 89(Ph.D.)預測這些非麥克斯韋電子分布函數的影響將會改變激光能量在光束之間的傳輸方式。

但是由于缺乏實驗證據來驗證這一預測，研究人員沒有在他們的模擬中考慮到這一點。

Turnbull、Froula和物理學與天文學研究生阿夫拉姆·米爾德(Avram Milder)在LLE的Omega激光設備上進行了實驗，他們對激光加熱的等離子體進行了非常詳細的測量。這些實驗的結果首次表明，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進行精確描述。

這項新研究不僅證實了一個長期存在的理論，而且還表明激光與等離子體的相互作用強烈地改變了能量的傳遞過程。

Turnbull說：“目前可以更好地描述基礎等離子體條件的內聯模型正在開發當中，這將提高集成內爆模擬實驗的預測能力?！?/span>