快电子束在量子简并等离子体中输运的自组织箍缩效应

聚变为解决人类能源问题提供了潜在的终极方案。为了使氘氚原子克服核斥力发生聚变反应，燃料需要达到极高的能量密度，这对物理设计和工程实现都提出了极大的挑战。

张杰院士提出的双锥对撞点火方案，如图1所示，氘氚球壳燃料初始放置在两个对顶的压缩金锥中。使用多束纳秒激光脉冲均匀地辐照燃料球壳，通过烧蚀作用推动燃料向心压缩加速，在中心对头碰撞，形成一团高密度的均匀等离子体。通过调制纳秒脉冲的波形，可以使得燃料在压缩过程中保持量子简并状态。随后，皮秒拍瓦激光脉冲辐照在垂直于对撞轴线的加热金锥中，产生动能为MeV量级的快电子束流，注入到对撞产生的等离子体中并沉积能量，快速提升局部等离子体的温度，形成一个发生剧烈聚变反应的“燃烧”热斑。热斑内氘氚燃料的核反应产生的巨大能量，以α粒子的形式继续向外传播，加热并“点燃”外围氘氚燃料。

图1（a）双锥对撞点火方案示意图；（b）快电子束在对撞等离子体中输运过程示意图

在整个点火方案中，注入燃料的快电子束流，是释放聚变能量的引火线。快电子束流在高密度等离子体中的能量沉积效率，决定了热斑能否形成，关系到点火的成功与否。

为了提高快电子束在等离子体中的沉积效率，需要控制快电子的发散角，使快电子在等离子体中沉积能量的区域更集中。大量研究和探索聚焦在加热锥锥尖的特殊设计，希望利用到快电子在锥尖输运时产生的自生电磁场约束发散角。然而，研究人员们往往忽视了快电子束注入氘氚燃料后，在高密度等离子体中产生的自生磁场。

在双锥对撞点火方案中，通过调整压缩纳秒激光脉冲的波形，和压缩金锥侧壁的热传导与动量筛选的作用，可以使球壳燃料在锥内压缩加速过程中保持低熵，并在对撞后处于强量子简并状态。不同于经典等离子体模型，在简并状态下，等离子体的电阻率η 随温度Τ 升高而升高。根据法拉第定律：

当快电子束在简并等离子体中传输时，增长率公式中的电阻率项与电阻率梯度相关项符号相同，共同促进自生磁场的增长；而在经典等离子体中，这两项对于自生磁场的贡献相反，相互竞争。因此，对于双锥对撞点火方案，初始处于简并状态的对撞的等离子体，将有利于快电子束注入初期自生磁场的快速增长。

尽管随着快电子束的注入，等离子体将被加热升温而快速脱离简并状态，这一阶段所产生的自生磁场已经能够对快电子的轨迹产生影响。如图2所示，当自生磁场将原本发散的快电子约束向前传输时，前向输运的电流密度j 随之升高，进而使得自生磁场的增长率提升，进一步将快电子束向心箍缩。这一自组织的箍缩效应，会使快电子在等离子体中的能量沉积更加集中。

图2 快电子在简并等离子体中输运的自组织箍缩效应示意图

为了验证这一理论，研究团队使用包含量子简并效应的混合Particle-In-Cell程序LAPINS，开展了三维数值模拟，将初始能量为1.5 MeV、带有30°发散角的快电子束流注入300 g/cm³，200 eV的简并氘氚等离子体中。如图3所示，在等离子体中的自生磁场增长经历了三个阶段：(1)在2 ps以前，等离子体处在简并状态，当快电子注入等离子体，自生磁场快速增长；（2）2 ps-5 ps阶段，由于快电子束的加热，等离子体脱离量子简并状态，自生磁场的增速放缓；（3）>5 ps之后，由于自组织的箍缩效应，自生磁场再次快速增长。与人为关闭电磁场的算例相对比，自生磁场使得原本发散的快电子变为前向传输，能量沉积效率提升了1倍以上。

图2 (a-d)LAPINS三维数值模拟磁场剖面图，其中黑色箭头代表快电子电流密度方向矢量；（e）磁场最大值随时间演化以及三个增长阶段示意

成果发表在High Power Laser Science and Engineering 2025年第3期的文章(Y.-H. Li, D. Wu, J. Zhang, "Pinching relativistic electrons in the quantum degenerate plasmas to enhance the fast heating," High Power Laser Sci. Eng. 13, 03000e34 (2025))。

本研究揭示了快电子束在简并等离子体中的输运，自生磁场对快电子束的自组织箍缩效应及其对能量沉积效率的提升。对于使用快电子作为加热手段的快点火方案具有广泛启示作用：在燃料的压缩阶段，应当尽可能实现低熵压缩，并在快电子注入时刻保持高密度等离子体的量子简并状态，以利用自组织箍缩效应提高能量沉积效率。在神光II进行的双锥对撞点火方案的集成实验中，已在快电子束流注入方向的对向15°角范围内，设计架设6台电子磁谱仪，旨在通过逃逸电子的能谱及角分布，直接验证输运过程中的自组织箍缩现象。

张杰，中国科学院院士，德国科学院院士，第三世界科学院院士，英国皇家工程院外籍院士，美国科学院外籍院士。曾担任上海交通大学校长和中国科学院副院长，目前担任中国物理学会理事长、上海交通大学学术委员会主任、李政道研究所所长。张杰教授在X射线激光和强场物理研究领域享有很高的学术地位和国际声望。曾因其学术成就荣获2015年爱德华·泰勒奖、2018年求是杰出科技成就集体奖、2021年未来科学大奖物质科学奖等奖项。

吴栋，上海交通大学激光等离子体实验室长聘教轨副教授、博士生导师；以第一作者或通讯作者在Science Bulletin、Nature Communication、Phys. Rev. Lett、Phys. Rev. E/Applied/Research、Nuclear Fusion以及The Astrophysical Journal 等刊物发表论文50余篇；获得首届国防基础科研-核科学挑战专题-高能量密度物理领域“科学挑战英才”称号、陕西省教育厅科技成果奖特等奖以及英国物理联合会TOP 1%高引用论文作者奖等奖励，入选 2022 年度阳阳青年学者，2023 年度上海市东方英才青年学者，2024 年度教育部青年长江学者。