5月5日消息，一项新的研究成果或有助于研究人员推进直接驱动的聚变方法。相关研究揭示了导致等离子体快速膨胀的机制，增进了对宇宙中自然等离子体的理解，推动了基于直接驱动惯性聚变方法的聚变系统发展。
(图片来源：Kyle Palmer / PPPL 通讯部)
在直接驱动惯性约束聚变系统中，强大激光束压缩装满燃料的胶囊并加热使其发生聚变反应。然而，意外磁场会改变热量在等离子体中的传递方式，现有模拟工具可能无法捕捉这些变化，精确模拟对设计稳定输出净能量的聚变系统至关重要。
实验室实验中，研究人员发现高功率激光可瞬间汽化固体靶材，转化为快速膨胀的等离子体，且反复探测到从膨胀等离子体中产生的强磁场结构，但其确切起源长期存争议。此次发表在《物理评论快报》上的新研究揭示了这一现象，阐明了这些场如何形成及可能如何改变聚变实验的等离子体模拟。
研究团队利用计算机模拟，追踪高功率激光照射铝靶时等离子体的行为。当激光强度超过特定阈值时，膨胀的等离子体会在十亿分之一秒内自磁化，产生高达40特斯拉的磁场，约是地球磁场强度的100万倍;低于该强度阈值时，等离子体基本保持非磁化状态。
其原因是两个相互竞争的过程。激光加热的等离子体向外膨胀时，沿膨胀方向冷却速度比垂直方向更快，造成温度不平衡，引发韦伯不稳定性现象进而产生磁场;而粒子间碰撞会使等离子体恢复平衡状态，在更高激光强度下，温度不平衡足以触发磁场产生。
美国能源部副研究物理学家、普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)的研究人员兼该研究主要作者基里尔·列日宁称，工作独特之处在于证明即使激光驱动均匀，仅凭膨胀作用等离子体仍可产生磁场，这些场可能改变系统行为。
磁场一旦出现，会从根本上改变等离子体的演化，将电子束缚在自旋轨道上，抑制热量从激光照射靶区散失。模拟结果表明，磁场效应足以影响等离子体的整体行为和温度。
为使发现对其他研究人员有用，该团队推导出一个简单阈值标准，可用于预测给定激光和目标参数下的等离子体磁化强度。列日宁表示，阈值比预想小，落在常见惯性约束聚变实验的典型强度范围内，使这些磁场效应与该领域研究高度相关。
该研究团队成员包括普林斯顿等离子体物理实验室的列日宁和艾哈迈德·迪亚洛，普林斯顿大学的塞缪尔·托托里卡、杰西·格里夫 - 麦克马洪和休斯·兰茨伯格，堪萨斯大学的米哈伊尔·梅德韦杰夫，麻省理工学院、马里兰大学的威尔·福克斯以及PPPL相关人员。
