惯性约束聚变 (ICF) 正在推动可控核聚变成为丰富清洁能源的进程。该方法通过在内爆过程中使氘氚 (DT) 燃料经受极端温度和压力来点燃它。在 DT 聚变中，大部分能量被中子带走用于发电，而阿尔法粒子则留在燃料中，促进进一步的聚变反应。当阿尔法粒子释放的能量超过内爆产生的能量时，等离子体进入燃烧状态，能量密度显著增加。
2021 年 2 月，国家点火装置 (NIF) 实现了 ICF 燃烧等离子体，标志着聚变能开发和类似早期宇宙的极端条件研究的重要里程碑。然而，在这种状态下，Hartouni 及其同事观察到了新的物理现象：中子谱数据与流体动力学预测明显偏离，表明存在超热 DT 离子。这些发现挑战了现有的基于麦克斯韦分布的模型，凸显了以前被忽视的动力学效应和非平衡机制的重要性。
模拟这些动力学效应，尤其是涉及大量能量交换的大角度碰撞，是一项挑战。此类碰撞在阿尔法粒子沉积过程中会产生超热离子，导致偏离平衡状态，超出流体动力学的描述范围。
针对这一问题，中国科学院物理研究所和上海交通大学的张杰教授团队提出了一种大角度碰撞模型。该模型将背景离子的屏蔽势与二元碰撞过程中离子的相对运动相结合，有效地捕捉了离子动力学。他们新开发的混合粒子网格 LAPINS 程序采用了该模型，可以高精度模拟 ICF 燃烧等离子体。
他们对大角度碰撞的动力学研究得出了几个关键发现：
- 点火正时提前约 10 皮秒。
- 检测能量阈值低于约 34 keV 的超热氘离子。
- 几乎是预期峰值阿尔法粒子密度的两倍。
- 热点中心的阿尔法粒子密度增强约 24%。
这些发现的有效性得到了 NIF 中子谱矩分析与其动力学模拟之间的一致性的支持。两者都揭示了中子谱分析与流体动力学预测之间的差异，并且随着产量的增加，这种差异变得更加明显。
这项研究为实验解释提供了新见解，为改进点火设计开辟了道路。它还促进了对核燃烧等离子体的探索，这种等离子体的特点是能量密度极高，有助于揭示早期宇宙演化背后的复杂物理原理。
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