01 导读

美国国家点火装置(NIF)研究人员2021年实现了激光聚变(ICF)燃烧等离子体，观测到了暂时无法解释的实验现象——中子能谱数据显著偏离流体力学数值模拟预测并存在偏离麦克斯韦分布的高能氘氚离子。近 日，中国科学院物理研究所/上海交通大学张杰院士领导的联合研究团队结合自主研发的流体动理学混合程序LAPINS与新构建的大角度碰撞模型，成功实现了对ICF核燃烧过程的高精细度动理学数值模拟。 其数值模拟结果与NIF燃烧等离子体中高能离子的实验数据高度吻合，找到了美国NIF实验现象的物理原因，并预示着随着能量增益的进一步提高，等离子体偏离麦氏行为的非平衡现象将更显著。这项工作不仅为ICF实验带来了全新的阐释视角，而且为ICF核燃烧等离子体这一尚待深入探索的领域开辟了一条全新的研究途径。

相关成果以“Mechanisms behind the surprising observation of supra-thermal ions in NIF’s fusion burning plasmas”为题，于2024年12月4日在线发表在Science Bulletin期刊。

02 研究背景

在过去的50年时间里，科学家们一直梦想着在地球上再造太阳——实现受控核聚变反应，从而可以获得支撑人类社会未来可持续发展的巨大能量。近年来，这一梦想因激光聚变（ICF）领域的不断突破而逐步变为现实。 ICF通过内爆压缩创造极端高温、高压的状态，并点燃氘氚(DT)燃料靶丸实现受控核聚变反应。氘氚发生核聚变反应时，会释放出中子与α粒子，中子可以穿透燃料将大部分聚变产生的能量带出来发电，而α粒子的能量主要沉积在燃料中并推动聚变反应持续进行。

2021年2月，美国国家点火装置(NIF)首次实现了ICF燃烧等离子体状态，即聚变反应α粒子的沉积能量超过了内爆过程的机械功，令离子温度开始呈指数级增长，能量密度大幅度提高。在此基础上，NIF于2022年12月4日进一步实现靶增益G>1的“点火”，即聚变产生的能量超过触发聚变的入射激光能量，这是人类社会进入聚变能时代的一个重要里程碑。

燃烧等离子体状态的实现不仅为聚变能源的开发奠定了坚实基础，还提供了一个窥探宇宙早期演化复杂物理机制的极端状态。然而，此极端状态也伴随着新物理现象和挑战的出现，Hartouni等人在NIF的燃烧等离子体实验中观察到：中子能谱数据显著偏离流体力学预测、存在大量超热氘(D)和氚(T)离子的奇异现象，且这些现象无法用现有的辐射流体模型进行复现与解释。这一发现挑战了基于麦克斯韦分布的现有模型，揭示了被忽视的动理学效应和非平衡机制在燃烧等离子体中的重要性。

麦克斯韦分布是描述平衡态下粒子速度分布的经典理论，但在燃烧等离子体中，高能DT离子与α粒子的直接库仑碰撞，尤其是大角度碰撞引起的能量交换，在α粒子沉积过程中至关重要。单次的这种碰撞即可交换大量能量并产生出超热离子，从而导致离子分布偏离麦氏分布，使受限于麦氏分布的流体描述失效。 相反，小角度碰撞虽然频繁，但难以使离子分布偏离平衡态。

如何正确对燃烧等离子体中的库仑碰撞进行准确建模是国际学术界的一个巨大挑战。先前的研究中大角度碰撞的建模依赖于静态屏蔽库仑势，无法充分描述实验观察到的非麦氏中子谱和离子运动之间的直接关联，尤其是离子相对速度对中子谱均值偏移的重要影响。因此，为了深入理解燃烧等离子体中的库仑碰撞机制，并提高模型的预测能力，需要纳入离子相对运动来改进现有的大角度碰撞模型。这一改进不仅有望解决理论模拟与实验结果的不一致问题，还具有为ICF燃烧等离子体研究开辟新途径、推动聚变能源研究发展的潜力。

03 研究创新点

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：

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)。

图3，上/下图与虚/实线对应否/是引入大角度碰撞。(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

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

3）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)。

图5，中子谱均值偏移(v_iso)-方差(T_ion)关系。灰色为流体力学预测区域，黑实线为其边界。带误差条的方块为实验数据，菱形/圆点对应否/是引入大角度碰撞

最终，模拟结果显示的中子谱呈现出与麦克斯韦行为相偏离的均值-方差关系，并且模拟进一步预测：随着聚变产额的不断增加，这种偏离将变得更加显著。这些与实验结果相吻合的均值-方差关系，不仅为上述研究结论提供了强有力的支持，同时也充分验证了研究团队新开发的流体动理学混合程序LAPINS，在结合大角度碰撞后，能精确且有效地模拟ICF核燃烧等离子体。

04 总结与展望

该工作提出一种能全面捕捉离子动理学特征的离子大角度碰撞新模型，这个模型与团队自主研发的流体动理学混合模拟程序LAPINS相结合，实现了对ICF核燃烧等离子体的高精细度动理学数值模拟，数值模拟结果解释了NIF实验的中子能谱数据与流体力学预测之间的偏差，并预测此偏差随聚变产额提升而逐渐增大。进一步的研究还发现，大角度碰撞不仅可促使点火时刻提前约10 ps，还产生了特定的超热DT离子，显著增强热斑内部及其边缘的α粒子沉积，使峰值α粒子密度倍增。这项工作不仅为ICF实验带来了全新的阐释视角，而且为ICF核燃烧等离子体这一尚待深入探索的领域开辟了一条全新的研究途径。此外，该工作在设计并优化新型点火方案以及揭示早期宇宙演化背后的物理机制方面，也具有重要的科学意义。

该研究得到了中国科学院战略先导A类专项“新型激光聚变方案研究”、国家自然科学基金以及阳阳发展基金等项目的支持，此外国家超算天津中心聚变支持计划还为本研究提供了超过3000000核时的免费计算资源。上海交通大学博士生薛宇涵为该论文第一作者，中国科学院物理研究所/上海交通大学张杰院士以及上海交通大学吴栋副教授为论文共同通讯作者。此外，上海交通大学数学科学学院徐振礼教授团队在百万粒子数规模分子动理学模拟验证方面给予团队有力支持，中国科学院物理研究所博士生李昱衡在LAPINS程序聚变α粒子融合算法实现方面也做出了重要贡献。