温稠密氦氖混合物的热力学性质、相变和输运性质的理论模拟研究

Warm dense He and Ne elements and there mixtures are widely presented in implosion process of nuclear fusion and the inner core of universe stars, thus the thermodynamic properties and radiation transport parameters of them in warm dense state play a vital role in designing the fusion experiment and studying the evolution of stellar structure. Compared with the widely studied mixtures of hydrogen and helium, helium and neon elements have large mass ratio and very different electronic properties under high temperature and high pressure. The mixture formed by them is highly asymmetric. The investigation of the physical properties of this special system under warm dense condition can deepen the understanding of the physical mechanism of atomic and molecular structure and multi-body interaction in warm dense matter. In this project, we simulate the response characteristics of ions and electrons in He-Ne mixtures under different temperature, density and composition by employing efficient quantum Langevin molecular dynamics method which takes a full consideration of electron-ion collision effect in warm dense matter. With the simulation results, we can build thermodynamic parameters database for He-Ne mixtures in a wild density and temperature range and study the transport properties in this asymmetric mixture. Combined with the ion configuration analysis, electronic conductivity changes and free energy calculations, we can diagnosis the phase transition and determine the immiscible gap in He-Ne mixtures, which can serves as important theoretical reference to study internal structure of giant planets and “helium rain” (He-Ne droplet) drop to deeper level in Jupiter.

温稠密状态下氦氖元素及其混合物广泛存在于核聚变内爆过程和宇宙星体中，其热力学和辐射输运等性质在聚变实验设计和星体结构演化研究中具有重要科学意义。相比于被广泛研究的氢氦混合物，氦与氖元素具有较大的质量比以及高温高压下截然不同的电子性质，它们形成的混合物具有高度的不对称性。对该特殊体系在温稠密状态下的物性研究可以深化对温稠密物质中原子分子结构及多体相互作用等物理机制的认识。本课题将采用包含温稠密物质中电子离子碰撞物理效应的量子郎之万分子动力学方法模拟温度、密度和组分多重因素影响下氦氖混合物中离子和电子的响应特性，以期构建宽域氦氖混合物的完全热力学参数库并深入研究其离子输运行为，通过离子构型分析、电子电导变化以及发展温稠密状态下混合物的自由能计算方法和程序，诊断混合物中发生的相变，确定氦氖混合物的不混溶区，从而为研究巨行星内部结构及木星中“氦雨”（氦氖液滴）在球体内部沉积过程提供理论参考。

温稠密物质广泛存在于地幔内部、核聚变内爆过程和宇宙星体中，处于温稠密状态的体系会形成包括原子、分子、电子和离子等多种成分的强耦合等离子体并伴随复杂的粒子间相互作用，对 WDM 的研究可以建立起凝聚态理论和等离子体物理之间的桥梁。近代自然科学与工程技术中的几个重大实际问题诸如聚变和天体演化等过程均涉及到惰性元素及其混合物在极端条件下（高温高压）的状态以及动态响应过程。如对氦在极端条件下物质特性的了解将有助于惯性约束聚变工程中靶形的设计和聚变反应的精确控制。另外，在天体物理中，很多星体的起源、热演化和内部结构的研究都强烈依赖于氦、氖及其混合物在温稠密星体环境下的状态方程和辐射输运性质。. 本项目利用第一性原理分子动力学方法，对温稠密氦以及氦氖混合物开展了宽广温度密度范围内的分子动力学模拟，基于模拟结果我们构建了氦以及三个不同元素比例的氦氖混合物宽域物态方程数据库。结合线性响应理论计算了温稠密氦的电子电导、热导等输运性质和辐射不透明度等光学性质，通过电子结构计算了不同比例下氖掺入时混合物体系带隙随温度和密度的变化。我们发现的主要结果有：（1）在金属化区域，低密度区域温稠密氦具有较高的电子热导率达到10^3 WK^-1m^-1, 而在十几g/cm3以上的密度区域，电子热导率有了一个数量级的降低，显示过高的密度增加了电子在热输运过程中离子的散射作用从而使电子热导率降低。（2）在温度从5到30 kK之间温稠密氦的辐射不透明度发生了一个与带隙的闭合金属化转变有关的迅速增大。（3）在强耦合和简并区域，温稠密氦的Lorentz数非常接近理想值1.18×10^-8。（4）氦氖混合物的带隙随温度的增加都呈现减小趋势，混合物体系带隙随密度的变化关系则取决于氖元素的比例，不同比例呈现不同的变化趋势。