隨著慣性約束聚變(ICF)技術的不斷發展，核聚變作為清潔而豐富的能源的追求取得了顯著進展。該技術通過將氘氚(DT)燃料壓縮到極端溫度和壓力條件下，成功啟動了聚變反應。在這一過程中，雖然中子主要用于發電，但燃料中殘留的阿爾法粒子卻能夠驅動額外的聚變反應，進一步提升了能量產出。
近日，美國國家點火裝置(NIF)在ICF研究中取得了重要里程碑。2021年2月，NIF實現了自持等離子體燃燒狀態，標志著聚變能量研究和模擬早期宇宙極端條件方面取得了重大突破。在這一狀態下，當阿爾法粒子沉積的能量超過內爆期間所取得的功時，能量密度會急劇上升，從而實現高效聚變反應。
然而，NIF實驗中的中子光譜數據與流體動力學預測結果存在顯著偏差，揭示了超熱DT離子的存在。這些超熱離子挑戰了傳統的麥克斯韋分布模型，并強調了考慮動力學效應和非平衡行為的重要性。這些效應在流體動力學描述中往往被忽視，導致預測結果與實際數據存在偏差。
為了準確模擬這些碰撞過程，由中國科學院物理研究所和上海交通大學張杰教授領導的研究團隊開發了一種突破性的大角度碰撞模型。該模型結合了二元碰撞過程中離子屏蔽勢和相對運動之間的相互作用，為捕捉離子動力學提供了一個全面的框架。利用該模型，研究團隊增強了混合粒子單元LAPINS代碼，從而能夠高精度模擬燃燒等離子體。
通過模擬分析，研究團隊取得了幾個關鍵發現：點火時刻提前約10皮秒;檢測到能量閾值低于34 keV的超熱D離子;阿爾法粒子密度峰值約為預測值的兩倍;熱點中心的阿爾法粒子密度增強了約24%。這些發現與NIF進行的中子譜矩分析結果相一致，進一步驗證了團隊的動力學模擬方法的準確性。
隨著產量的增加，中子譜與流體動力學預測之間的差異逐漸增大，凸顯了當前模型的局限性。這項研究不僅為解釋實驗數據提供了深刻見解，還為改進點火策略和探索高能量密度核燃燒等離子體開辟了新途徑。這些進步對于理解控制早期宇宙演化的物理過程具有深遠的影響。
