近日，原子能院核物理研究所強(qiáng)流粒子束與激光研究室聯(lián)合北京大學(xué)和北京師范大學(xué)，在激光驅(qū)動的磁化“開爾文-亥姆霍茲”不穩(wěn)定性（KHI）研究中取得重要進(jìn)展。研究成果《外加磁場對多模擾動下激光驅(qū)動開爾文-亥姆霍茲不穩(wěn)定性的影響》在國際知名學(xué)術(shù)期刊《等離子體物理》（Physics of Plasmas）發(fā)表，為激光驅(qū)動磁化“開爾文-亥姆霍茲”不穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)提供理論指導(dǎo)，在可控核聚變前沿研究方面進(jìn)行了積極探索。原子能院核物理研究所孫偉博士為文章第一作者，該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院戰(zhàn)略優(yōu)先研究計劃以及中國科學(xué)院重點(diǎn)項(xiàng)目的支持。
“開爾文-亥姆霍茲”不穩(wěn)定性（KHI），是指在有剪切速度的連續(xù)流體內(nèi)部，或有速度差的兩個不同流體的界面之間發(fā)生的不穩(wěn)定現(xiàn)象。其作為流體和等離子體中的基本物理過程，廣泛存在于卷狀云等自然現(xiàn)象、太陽日珥和地磁層等空間物理現(xiàn)象以及慣性約束聚變等工程領(lǐng)域中。盡管目前已開展了不少與KHI相關(guān)的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究，但由于磁化KHI以及其他宏觀流體不穩(wěn)定性之間的復(fù)雜耦合作用，會造成不同燃料層之間發(fā)生物質(zhì)混合和能量耗散，成為現(xiàn)階段慣性約束聚變點(diǎn)火失敗的關(guān)鍵因素。因此針對磁化KHI的起源和發(fā)展的研究將有助于制定抑制措施，以遏制不穩(wěn)定性的增長，從而提高慣性約束聚變點(diǎn)火成功概率。
初始模擬設(shè)置圖
近年來，隨著強(qiáng)激光以及診斷技術(shù)的不斷發(fā)展，其逐漸成為開展磁化KHI研究的重要手段。激光驅(qū)動的磁化KHI研究在慣性約束聚變、空間物理和天體物理等領(lǐng)域具有重要意義。研究團(tuán)隊(duì)提出了一種通過激光驅(qū)動等離子體產(chǎn)生KHI的實(shí)驗(yàn)方案，通過輻射磁流體力學(xué)程序?qū)す怛?qū)動的調(diào)制靶產(chǎn)生的KHI進(jìn)行了二維數(shù)值模擬，充分研究了外加磁場對多模擾動KHI渦旋演化的影響。
數(shù)值模擬表明，水平流向外加磁場可抑制單模KHI渦旋發(fā)展和多模KHI渦旋的并合過程，外加磁場對多模擾動KHI的演化具有更加強(qiáng)烈的制穩(wěn)效果，在25納秒內(nèi)KHI的平均增長率降低了20%。研究結(jié)果可為在強(qiáng)磁環(huán)境下利用強(qiáng)激光裝置開展KHI實(shí)驗(yàn)提供理論指導(dǎo)，對慣性約束聚變前沿研究具有重要意義。
不同模式下的電子密度分布
｜科普貼士｜
何為“可控核聚變”？
隨著科技的不斷進(jìn)步，原子能的利用主要分兩條路徑，分別是核裂變和核聚變。在能源需求方面，人們需要實(shí)現(xiàn)能量可控，其中以核裂變?yōu)榛A(chǔ)的核電站已經(jīng)得到充分發(fā)展，而可控核聚變尚處于探索階段。
可控核聚變有兩條實(shí)現(xiàn)路徑，以激光作為驅(qū)動器的慣性約束核聚變是其中之一，由我國科學(xué)家王淦昌和蘇聯(lián)科學(xué)家巴索夫分別于上世紀(jì)六十年代獨(dú)立提出。其基本思想是用多路高能量密度的激光束對稱聚焦、輻照氘氚靶，將燃料向內(nèi)壓縮，由于自身慣性，靶材料形成的等離子體還來不及向四周飛散，就被加熱到極高溫度并發(fā)生聚變反應(yīng)。
海水中蘊(yùn)藏著大約40萬億噸氘，一升水能夠提煉0.03克的氘，其發(fā)生聚變反應(yīng)釋放的能量相當(dāng)于燃燒300升汽油。1立方公里海水中的氘氚聚變反應(yīng)所釋放出的能量，就相當(dāng)于全球石油儲量燃燒的能量。從這個意義上說，聚變能是未來的清潔、高效、安全的終極能源之一。
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