等离子体环境下的核反应研究

The fusion reaction behavior is quite different under the plasma condition compared with the one happened in solid state. The reaction rate is strongly related to the research of inertial confinement fusion, nuclide abundance in the universe and laser driven neutron sources. Because of a rapidly changed electrical and magnetic field, and the potential barrier difference, the ions colliding rate is also different in plasma. In this way, the fusion reaction rate measured by a traditional way might be inaccurate and could not be directly applied with fusion reaction in plasma. This project, we have designed experiment to investigate the fusion reaction in plasma on XG-III laser facility based on the ns, ps and fs laser beams.

等离子体环境下的核反应，与惯性约束核聚变的燃料装药量设计、天体中的核素生成以及激光驱动的中子源等问题息息相关关。等离子环境下，由于其内部具有快变的电磁场，同时粒子处于部分或者全部剥离状态；而且高温粒子处于高速随机运动状态，相比与常温状态，粒子间的势垒也有所不同。这些特征使得等离子环境下的核反应速率与常温环境下往往有所不同，因此传统实验手段测到的核反应数据往往无法直接应用。本项目针对星光－III同时具有纳秒、皮秒和飞秒三束激光的特点，设计实验对不同等离子体状态下的核反应进行测量；同时对参与反应的粒子能量、温度进行测量，以期定量地测量等离子体环境下的核反应速率与常温状态下的不同，以及从粒子能损等方面分析其不同的原因。

为了研制无放射性燃料的新型聚变反应堆，对氢和轻核（氦、锂和硼）中的核反应物理的研究应运而生。在等离子体的环境中，背景电子与核的热运动，以及快变的电磁场，使得离子的输运以及两核之间的碰撞变得比常温环境更为复杂，进而影响核反应几率以及反应截面，这与惯性约束聚变的燃料装药量设计以及天体等离子体中的核素生成和丰度问题息息相关。在改进的聚变燃料中，p-11B反应只释放带电粒子，但截面在温度低于百keV时比D-T反应低得多；且α粒子在等离子体中因弹性散射损失能量，难以形成链式反应。如果要通过p-11B反应实现聚变点火，需要提高其核反应截面，并利用核反应共振峰的内禀属性，增大核反应几率。.在本项目的研究中，我们通过实验结合理论模拟，分析了等离子体温度对反应物离子能损的调控，以及对核反应几率和中子产额的影响。另一方面，我们在XG-III装置上利用高能质子束和硼等离子体相互作用，对p-11B共振核反应进行了实验研究。我们发现等离子体相对于冷靶环境中，α粒子的产额有所增强，而且等离子体的自生电磁场对质子束在硼等离子体中的输运存在一定的影响。通过对α粒子的能谱进行诊断，观测到p-11B反应在(Jπ = 2+, Er = 150 keV)和(Jπ = 3-, Er = 2.4 MeV)的共振峰处的α粒子产额有所增强。