典型温稠密氘氚靶材料热动力学性质的量子和半经典理论模拟研究

Theoretical study of warm dense matter is an important branch in high energy density physics, and their thermodynamic properties are focused as one of the crucial issues appeared in astrophysics, plasma, and inertial confinement fusion, etc. The present project is scheduled to perform systematic theoretical modeling and numerical simulations of the thermodynamic properties of warm dense matters, which are closely related to the deuterium-tritium capsule used in inertial confinement fusion. Including: To overcome the computational bottleneck in quantum molecular dynamic simulations, as well as the delocalization of the electron and overlap of the pseudo-core, we will improve orbital free molecular dynamic method, where contribution from the gradient of electron density is introduced, and will build short cut off radius, full electron projector augmented wave pseudopotentials; Improve theoretical models, and investigate the first order phase transition in liquid hydrogen (deuterium) with considering the influence introduced by the nuclear quantum effects and the electron nonlocal exchange correlation density functions; Compute the ion structure factor, and discuss the coupling between the ion-ion correlation and environment; Function penetrating and mixing process of warm dense matter at the microscopic level, and figure out the behavior of the macroscopic interphase instability growth factor with considering the equation of state and the ionic transport coefficients; Study the electronic transport coefficients under both of equilibrium and nonequilibrium conditions, and expatiate the ionic coupling and electronic degenerate effect of warm dense matter. The progress in high energy density physics will be promoted through the execution of the present project.

温稠密物质的理论研究是高能量密度物理的一个重要分支，其热动力学性质是天体物理、等离子体物理及惯性约束聚变等领域关注的焦点问题之一。本项目拟从多个层面系统开展与惯性约束聚变氘氚靶紧密相关的温稠密物质热动力学性质的理论建模和数值模拟研究。主要包括：发展计入电子密度梯度贡献的自由轨道分子动力学方法，构造全电子、短截断半径投影缀加平面波原子赝势，解决量子分子动力学计算量瓶颈，以及温稠密物质电子离化和赝原子交叠问题；发展理论模型，揭示原子核量子效应及电子非局域交换关联密度泛函对液态氢（氘）一阶相变的影响；计算离子结构因子，阐述离子关联与环境的耦合；揭示温稠密物质间渗透、扩散的微观动力学机制，及状态方程、离子输运系数对于宏观界面不稳定性增长因子的影响；研究电子-离子温度平衡、非平衡条件下的电子输运系数，揭示温稠密物质的离子耦合与电子简并效应。预期这些研究工作将推动我国在高能量密度物理领域的研究进展。

温稠密物质的离子强耦合和电子部分量子简并效应非常显著，两者同时对物质微观特性与宏观演化起关键作用，如何理论处理与数值模拟温稠密物质的演化规律，自洽获得状态方程、输运系数、辐射光谱等物性参数，是目前国际上公认的难题。温稠密物质特性研究中，基于Kohn-Sham方程的第一性原理分子动力学方法已被证明是适合描述以离子强耦合及电子部分简并为特征的温稠密物质微观动力学特性的一种有效手段。然而，第一性原理分子动力学方法在温稠密物质模拟时将遭遇赝原子交叠和芯电子离化等问题，导致计算失效，因而需要构造考虑内壳层电子效应的高精度原子赝势，并发展高温环境线性标度计算方法。另一方面，激光与物质相互作用、带电粒子在温稠密物质中能量输运的特征时间尺度通常为皮秒甚至飞秒量级，这里，电子-离子间的非平衡物理过程起着非常重要的作用，不能使用基于玻恩-奥本海默近似的第一性原理分子动力学方法模拟技术来刻划，而采用第一性原理方法计算关键物理参数与双温热输运模型相结合是该领域的新方案。为此，课题组充分利用量子输运、量子散射及第一性原理电子结构研究经验，通过构造了适用于高能量密度区的短截断半径、考虑内壳层电子能级的新型原子赝势，发展平面波近似与Kohn-Sham方程相结合的宽区密度泛函理论，结合亥姆霍兹自由能在固态、液态、等离子体区域的解析表述，通过大规模第一性原理分子动力学模拟，在宽区温度和压强范围内（千万摄氏度、千亿大气压）率先模拟获得了多种ICF材料（氘氚、碳氢等）的密度泛函状态方程，并构建实用型固-液-等离子体多相物态方程数据库；自洽计算材料的离子、电子及辐射输运系数、能量驰豫及X-射线吸收/散射性质，并建立了相应的宽区解析公式，从而在该难题上取得了突出进展。上述研究成果为ICF内爆流体动力学模拟提供了重要的第一性原理状态方程数据库及输运参数。

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