可控核聚变前沿探索：原子能院在激光驱动磁化“开尔文-亥姆霍兹”不稳定性研究中取得进展

近日，原子能院核物理研究所强流粒子束与激光研究室联合北京大学和北京师范大学，在激光驱动的磁化“开尔文-亥姆霍兹”不稳定性(KHI)研究中取得重要进展。研究成果《外加磁场对多模扰动下激光驱动开尔文-亥姆霍兹不稳定性的影响》在国际知名学术期刊《等离子体物理》(Physics of Plasmas)发表，为激光驱动磁化“开尔文-亥姆霍兹”不稳定性实验提供理论指导，在可控核聚变前沿研究方面进行了积极探索。原子能院核物理研究所孙伟博士为文章第一作者，该研究工作得到了国家自然科学基金、中国科学院战略优先研究计划以及中国科学院重点项目的支持。

“开尔文-亥姆霍兹”不稳定性(KHI)，是指在有剪切速度的连续流体内部，或有速度差的两个不同流体的界面之间发生的不稳定现象。其作为流体和等离子体中的基本物理过程，广泛存在于卷状云等自然现象、太阳日珥和地磁层等空间物理现象以及惯性约束聚变等工程领域中。尽管目前已开展了不少与KHI相关的实验和数值研究，但由于磁化KHI以及其他宏观流体不稳定性之间的复杂耦合作用，会造成不同燃料层之间发生物质混合和能量耗散，成为现阶段惯性约束聚变点火失败的关键因素。因此针对磁化KHI的起源和发展的研究将有助于制定抑制措施，以遏制不稳定性的增长，从而提高惯性约束聚变点火成功概率。

初始模拟设置图

近年来，随着强激光以及诊断技术的不断发展，其逐渐成为开展磁化KHI研究的重要手段。激光驱动的磁化KHI研究在惯性约束聚变、空间物理和天体物理等领域具有重要意义。研究团队提出了一种通过激光驱动等离子体产生KHI的实验方案，通过辐射磁流体力学程序对激光驱动的调制靶产生的KHI进行了二维数值模拟，充分研究了外加磁场对多模扰动KHI涡旋演化的影响。

数值模拟表明，水平流向外加磁场可抑制单模KHI涡旋发展和多模KHI涡旋的并合过程，外加磁场对多模扰动KHI的演化具有更加强烈的制稳效果，在25纳秒内KHI的平均增长率降低了20%。研究结果可为在强磁环境下利用强激光装置开展KHI实验提供理论指导，对惯性约束聚变前沿研究具有重要意义。

不同模式下的电子密度分布

科普贴士

何为“可控核聚变”?

随着科技的不断进步，原子能的利用主要分两条路径，分别是核裂变和核聚变。在能源需求方面，人们需要实现能量可控，其中以核裂变为基础的核电站已经得到充分发展，而可控核聚变尚处于探索阶段。

可控核聚变有两条实现路径，以激光作为驱动器的惯性约束核聚变是其中之一，由我国科学家王淦昌和苏联科学家巴索夫分别于上世纪六十年代独立提出。其基本思想是用多路高能量密度的激光束对称聚焦、辐照氘氚靶，将燃料向内压缩，由于自身惯性，靶材料形成的等离子体还来不及向四周飞散，就被加热到极高温度并发生聚变反应。

海水中蕴藏着大约40万亿吨氘，一升水能够提炼0.03克的氘，其发生聚变反应释放的能量相当于燃烧300升汽油。1立方公里海水中的氘氚聚变反应所释放出的能量，就相当于全球石油储量燃烧的能量。从这个意义上说，聚变能是未来的清洁、高效、安全的终极能源之一。