惯性约束聚变（ICF）是通过高能的驱动源（激光束、电子束、离子束）与装有聚变燃料的靶丸相互作用，将等离子体压缩、加热到高能量密度状态并约束一定的时间，从而实现聚能放能的过程。
2022年12月，美国国家点火装置（NIF）首次实现了聚变产出的能量大于激光输出的能量（输入能量为2.05兆焦耳，输出能量达到3.15兆焦耳），这是人类历史上第一次在实验室条件下实现核聚变反应的净能量增益。这一突破标志着核聚变实验进入了一个新时代，它们不仅验证了惯性约束聚变（ICF）的可行性，还为未来的聚变能源研究提供了重要的实验数据和技术支持。
与此同时，NIF的研究人员在燃烧等离子体实验中观察到了新的物理现象：中子能谱数据与流体动力学的预测明显不同，而且出现了大量的超热DT离子。这一发现挑战了基于麦克斯韦分布的现有模型，并强调了之前被忽视的动理学效应和非平衡机制的重要性。
麦克斯韦分布是描述平衡态下粒子速度分布的经典理论，但在燃烧等离子体中，高能DT离子与α粒子的直接库仑碰撞，尤其是大角度碰撞引起的能量交换，在α粒子沉积过程中至关重要。单次的这种碰撞即可交换大量能量并产生出超热离子，从而导致离子分布偏离麦氏分布，使受限于麦氏分布的流体描述失效。相反，小角度碰撞虽然频繁，但难以使离子分布偏离平衡态。如何正确对燃烧等离子体中的库仑碰撞进行准确建模是国际学术界的一个巨大挑战。为了应对这一挑战，由中科院物理研究所和上海交通大学张杰院士领导的联合研究团队创新性地提出了一种大角度碰撞模型。模型结合了背景离子屏蔽势与离子在两体碰撞中的相对运动，可全面捕捉离子动理学特征，如下图所示
该模型与团队自主研发的流体动理学混合模拟程序LAPINS相结合，成功实现了对ICF核燃烧过程的高精细度动理学数值模拟。团队在对大角度碰撞的影响进行了深入研究后，得出了几个关键发现：
- 点火时刻提前约10ps
- 探测到低于34keV的超热离子的存在
- α粒子密度峰值约为预测值的两倍
- 热斑中心α粒子密度增加了约24%
最终，团队发现数值模拟结果与NIF燃烧等离子体中高能离子的实验数据高度吻合，找到了美国NIF实验现象的物理原因，并预示着随着能量增益的进一步提高，等离子体偏离麦氏行为的非平衡现象将更显著。相关研究成果以“Mechanisms behind the surprising observation of supra-thermal ions in NIF’s fusion burning plasmas”为题于近期发表在了Science Bulletin上。这项工作不仅为ICF实验带来了全新的阐释视角，而且为ICF核燃烧等离子体这一尚待深入探索的领域开辟了一条全新的研究途径。此外，该工作在设计并优化新型点火方案以及揭示早期宇宙演化背后的物理机制方面，也具有重要的科学意义。
参考链接：
- https://scitechdaily.com/fusion-mystery-unraveled-how-burning-plasmas-defy-conventional-physics/
- https://mp.weixin.qq.com/s/6Ldi43rPOrf7ucHw7f5Tyg
- https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S209592732400882X?via%3Dihub