温稠密氢-氦混合物相变及热动力学性质的理论和模拟研究

Warm dense hydrogen-helium mixtures have important applications in the areas of astrophysics, Inertial Confinement Fusion (ICF), and so on. There are many quantum effects and complex interactions in the system at such extreme conditions, and therefore the research are full of challenges. This project focuses on the theoretical study of the phase transitions and thermodynamical properties in warm dense hydrogen-helium mixtures, mainly including: 1) We will develop and apply the theoretical models and numerical methods which could take the quantum effects into account, such as the electron ionization, non-local exchange-correlation interactions and nuclear quantum effect, to simulate the molecular-to-atomic phase transition in warm dense hydrogen-helium mixtures accurately; 2) We will develop the ab initio computational scheme for the ion and electron transport coefficients of warm dense mixtures, and thus obtain the accurate transport coefficients and determine the nonmetal-to-metal transition curve; 3) We will study the optical properties and wide-range radiative opacities of warm dense hydrogen-helium mixtures in a consistent way, explore the dominant way and competitive mechanisms of the energy transfer at different thermodynamic conditions; 4) We will develop the theoretical scheme for the calculation of Gibbs free energy of mixing to determine the phase separation boundary of warm dense hydrogen-helium mixtures, construct the theoretical models to describe the diffusion coefficients, which could be used to identify the phase transition, and explore the dynamical mechanisms of diffusion and penetration in the interface between two kinds of matters. We expect the related results will provide the accurate data of warm dense hydrogen-helium mixtures for astrophysical research and ICF device design.

温稠密氢-氦混合物在天体物理、惯性约束聚变等领域中具有重要应用。该体系量子效应丰富，相互作用机制复杂，研究极具挑战性。本项目聚焦于温稠密氢-氦混合物的相变及热动力学性质问题开展精确的理论模拟研究，主要包括：1) 发展和应用包括电子电离、非局域交换-关联作用及原子核量子效应等物理效应的第一性原理理论方法，准确描述体系中的分子-原子相变行为；2) 发展混合物体系离子和电子输运系数的第一性原理计算方案，获得准确的输运系数，确定非金属-金属相变曲线；3) 开展温稠密氢-氦混合物光学性质和宽区不透明度的自洽理论研究，阐述不同热力学状态下能量传播的主导方式和竞争机制；4) 发展混合吉普斯自由能计算方案，准确确定氢-氦相分离边界，并对扩散系数进行理论建模并用于氢-氦相分离诊断，揭示两相边界物质之间扩散和渗透的动力学机制。预期相关结果将为天体物理研究、ICF装置设计提供高精度的温稠密氢-氦混合物特性参数。

温稠密氢-氦混合物在天体物理、惯性约束聚变等领域中具有重要应用。该体系量子效应丰富，相互作用机制复杂，研究极具挑战性。本项目聚焦于温稠密氢-氦混合物的相变及热动力学性质问题开展精确的理论模拟研究，主要包括：1) 基于量子分子动力学模拟方法，开展相关的算法和程序方案研究，建立了宽区输运系数的高精度计算和X射线近边吸收谱计算方法，并用于扩散和黏性系数及近边吸收谱的计算；2) 应用包括电子电离、非局域交换-关联作用及原子核量子效应等物理效应的第一性原理理论方法，模拟了广泛温度、密度状态下H-He混合物体系，获得了状态方程，发现了高温高压下氢-氦混合物的原子-分子相变、分子分解-聚合等现象；3）基于第一性原理分子动力学模拟，结合线性响应理论，获得了准确的氢-氦混合物电导率和热导率，确定了非金属-金属相变曲线，揭示了非金属-金属相变机制；4) 开展了温稠密氢-氦混合物光学性质和宽区不透明度的自洽理论研究，阐述不同热力学状态下能量传播的主导方式和竞争机制；5) 计算了氢-氦混合物的扩散系数和粘性系数等离子输运性质，发现其特征行为的变化，指出扩散系数的测量可以作为诊断相分离的实验手段；6）在该课题资助下，还开展了氮氢、碳氢多原子分子体系和金属锂、铝的相变及热动力学性质研究。通过这些研究，可为天体物理研究、ICF装置设计提供高精度的温稠密氢-氦混合物特性参数，获得了对这些高能量密度物质复杂物理规律的认识和掌握，很好地促进了这些体系的研究进展。相关结果在国际知名杂志Physical Review E、Scientific Reports、Physics of plasmas等发表。