高密度氘-氚等离子体输运系数及杂质效应的理论模拟研究

The equation of state, transport coefficient and multicomponent mixing property of deuterium-tritium plasma in the high density regime are of crucial interest for plasma physics, astrophysics, and intense ion-beam, electron-beam or high-power laser interaction with matter. The present project will perform theoretical modeling and numerical simulation on the thermophysical properties for the dense deuterium-tritium plasma with dopants in many aspects, including: To realize the modeling technology for thermophysical properties of material under high density and high temperature, we intent to build short cutoff radius atomic pseudopotentials, introduce and develop orbital free molecular dynamic simulation code; By using quantum molecular dynamic simulation, the equation of state for dense deuterium-tritium plasma can be obtained. The atomic transport coefficient, the electronic transport coefficient and radiation thermal conductivity of the dense plasma will be modeled through a self-consistent method, meanwhile, the process on the transport, as well as the conversion of energy will be discussed; Quantum effect of the ionic coupling and electronic degeneration are planned to be expatiated; We also focus on the mixing properties, structure transition, and pressure induced ionization of plasma with dopant. The present work will improve the experimental and theoretical progress in high energy density physics.

高密度氘-氚等离子体的状态方程、输运系数以及多元素混合效应涉及等离子体物理、天体物理等基础研究领域，同时也是高能激光、高能粒子束实验以及惯性约束核聚变等实际工程应用关注的重要研究内容。本项目拟从多个层面系统开展含杂质高密度氘-氚等离子体热物理性质的理论和模拟研究。主要包括：建立短截断半径原子赝势，发展自由轨道基分子动力学程序，实现适应于超高密度、超高温度环境的材料模拟技术；应用大规模量子分子动力学方法，计算氘-氚等离子体的状态方程；建立理论模型，自洽研究材料的离子输运系数、电子输运系数以及辐射热传导系数，揭示材料在热稠密等离子体区的能量传输与转换机制；全面阐述离子耦合与电子简并的量子效应；研究多种元素与氘-氚等离子体的混合机制，揭示材料的结构转变及压致电离过程。预期这些研究工作将推动高能量密度物理领域的实验和理论进展。

高密度氘-氚等离子体的状态方程、输运系数以及多元素混合效应涉及等离子体物理、天体物理等基础研究领域，同时也是高能激光、高能粒子束实验以及惯性约束核聚变等实际工程应用关注的重要研究内容。本项目从多个层面系统开展了高密度氘-氚等离子体热物理性质的理论和模拟研究。主要包括：建立了短截断半径原子赝势，发展出自由轨道基分子动力学程序，建立了一套平面波近似与第一性原理Kohn-Sham方程自洽耦合的宽区密度泛函理论框架和数值软件，实现了适应于超高密度、超高温度环境的材料模拟技术；基于自主发展的第一性原理模拟技术，系统计算了氘-氚、氘-氦、氘化锂、铍、铝、铁等一系列温稠密及热稠密等离子体的状态方程，并建立了新的理论模型，自洽获得了材料的离子输运系数、电子输运系数以及辐射热传导系数，揭示出材料在热稠密等离子体区的能量传输与转换机制。深入阐述了粒子强耦合效应、内层电子电离效应及电子简并的量子效应。研究了多种元素与氘-氚等离子体的混合机制，揭示出材料的结构转变及温致和压致电离过程。这些研究工作实质性推动了高能量密度物理领域的实验和理论进展。本项目完成论文40篇，其中33篇已发表，吸引了国际同行的高度关注和引用。本项目执行期间，负责人被评为第二批国家“万人计划”科技创新领军人才、科技部“中青年科技创新领军人才”， 获得国家杰出青年基金、求是杰出青年实用工程奖、于敏数理科学奖、国家自然科学二等奖1项、省部级科技进步二等奖2项。