中国科学家解决了一个长期争论不休的等离子体混合辐射输运问题

       在激光惯性约束聚变(Inertial Confinement Fusion)内爆过程中，由于流体力学不稳定性的发展，靶丸界面处通常会形成由轻介质和重介质材料组成的等离子体混合物(见图1a)，而混合状态的含时演化往往呈现出异常复杂的过程。在间接驱动的惯性约束聚变中，辐射输运是非常关键的物理过程，因此等离子体混合物的辐射输运问题(见图1b)引起了同行的高度重视，正确理解辐射在等离子体混合物中的输运过程对预测聚变靶丸的内爆状态和性能都十分重要。国际上，美国利弗莫尔国家实验室（LLNL）和洛斯阿拉莫斯国家实验室（LANL）等最早开展了相关数值模拟和物理建模研究。2007年，美国LANL的Olson研究组基于二维辐射输运数值模拟发现等离子体混合尺度对辐射能流几乎没有影响，该课题组后续大量的二维和三维模拟研究结果强烈支持该结论；2011年，美国LLNL的Brantley团队采用三维蒙特卡罗输运数值模拟发现等离子体混合尺度显著影响辐射能流强度，但Brantley等人没有给出与Olson等人研究结果不一致的原因，他们进一步认为“为了解决这些差异，未来的工作将需要覆盖更广泛的混合宽度和物性参数”（原文为“Future work covering a broader range of domain sizes and material parameters will be required to resolve these discrepancies”）。

       近日，北京应用物理与计算数学研究所高聪章等人在等离子体混合辐射输运问题方面取得了重要进展。基于国产JASMIN框架，研究团队发展了领域内首款高置信度模拟两组分等离子体混合物辐射输运的大规模并行计算程序RAREBIT2D（软件著作权登记号2024SR1017527），在国际上建立了准确模拟等离子体混合物辐射输运的研究能力。针对Olson等人（LANL）和Brantley等人（LLNL）提出的上述物理问题，研究团队开展了数值模拟研究（图2a），研究结果定量地证明了二者在等离子体混合辐射输运方面确实存在尖锐的矛盾。为了解决这个问题，团队基于稳态辐射输运模型开展了物理建模，据此，首次提出了一个理论判据：L/lp，其中L为混合物宽度和lp为光子平均自由程，该判据物理上等价于混合物的等效光学厚度。当前模拟结果表明，Olson等人采取的物理条件始终使得理论判据小于1，对应于光性薄等离子体混合物，此时光子与等离子体混合物作用的概率低，物性参数的变化对辐射能流的改变很弱。相反，Brantley等人研究的物理问题对应的理论判据始终大于1，属于典型的光性厚等离子体混合物，即光子与等离子体混合物作用的概率高，若改变物性参数，将显著影响辐射能流。通过更多数值模拟，结果显示调控理论判据可以使得Brantley等人结果对等离子体混合不敏感（图2b），充分证明了理论判据的合理性。研究结果表明，国际上关于等离子体混合是否影响辐射输运这一长期争论不休的问题本质上具有一定的自洽性，主要原因是不同研究小组研究了光学性质不同的等离子体混合物。

       等离子体混合辐射输运数值模拟关心的另一重要问题——多大颗粒度的重介质材料会使得等离子体混合状态不再是原子混合？实验通常的做法是诊断辐射驱动等离子体混合的辐射热波运动轨迹，然后与原子混合结果对比，该过程对驱动能力和诊断精度都有较高的要求。为此，研究团队从理论上提出了基于光子自由程和混合物宽度的无量纲参数，研究结果表明当无量纲参数较小时，辐射流正比于此参数；当无量纲参数增大时，辐射流在对数尺度仍满足线性关系。因此，研究团队将两个标度率区间的交点处定义为原子混合向非均匀混合转变的临界点（图3a），并且通过了物质温度分布的进一步验证。此外，研究团队还观察到了颗粒-颗粒和颗粒自身的辐射屏蔽效应（图3b），评估了非线性效应对等离子体混合辐射输运的影响。

图 3 （a）确定原子混合向非均匀混合转变的临界点方法；（b）物质温度分布显示出明显的非均匀特征。

       综上所述，基于等离子体混合二维辐射输运大规模数值模拟结果，研究团队首次提出了评估等离子体混合对辐射输运是否重要的理论判据，自洽地解决了美国LANL和LLNL研究小组之间长期存在的争议性问题；理论上给出了寻找原子混合向非均匀混合转变临界点的方法，并开展了初步验证；发现了重介质颗粒-颗粒和颗粒自身的辐射屏蔽效应。该研究工作提供了等离子体混合辐射输运的基准模拟结果，有望促进相关物理模型的建立和校验。

8月30日，相关研究成果以“物质耦合的两组分随机混合物二维辐射输运的基准模拟”（Benchmark simulations of radiative transfer in participating binary stochastic mixtures in two dimensions）为题，在线发表于《极端条件下的物质与辐射》(Matter and Radiation at Extremes)期刊。高聪章和蔡颖是论文共同第一作者，王裴、殷建伟、范征锋和黄成武是论文共同通讯作者。该工作的重要合作者包括朱少平研究员、杨家敏研究员和赵阳研究员。该研究得到国家自然科学基金委面上项目的资助。