美國能源部（DOE）普林斯頓等離子體物理實驗室的研究人員創造了一種有效的計算機算法，以模擬在利用驅動太陽和恆星的聚變能量的實驗過程中自由電子的瘋狂運動。該方法解決了一個困難的方程，允許更好地控制聚變能源燃料中不可預測和快速移動的電子。

聚變通過結合等離子體形式的輕元素產生巨大的能量–等離子體是由自由電子和原子核或離子組成的高溫帶電氣體，佔可見宇宙的99%。全球各地的科學家都在努力重現核聚變過程，以創造一個安全、清潔和豐富的發電動力源。

解決方程問題

研究人員在被稱為託卡馬克的圓環形裝置上開發核聚變的一個關鍵障礙是解決描述自由旋轉的電子在碰撞和反彈時的運動的方程式。模擬這種運動的標準方法，在技術上稱為俯仰角散射，由於方程的複雜性而被證明是不成功的。

“一套成功的計算規則或算法將解決這個方程，同時保存加速的粒子的能量。”普林斯頓等離子體物理項目的研究生、《計算物理學雜誌》上一篇提出解決方案的論文的主要作者Fu yichen說：”解決隨機微分方程可以得到散射電子可能採取的每一條路徑的概率。這種方程產生的模式可以進行統計分析，但不能精確確定。”

“精確的解決方案描述了被散射的電子的軌跡。然而，軌跡是概率性的，我們不知道電子到底會去哪裡，因為有許多可能的路徑，”Fu說。”但是通過解決軌跡，我們可以知道電子選擇每條路徑的概率，而知道這一點就可以進行更精確的模擬，從而更好地控制等離子體。”

這一見解帶來的主要好處是改善了對核聚變研究人員的指導，他們將電流注入託卡馬克等離子體，以產生限制超熱氣體的磁場。另一個好處是更好地了解對聚變裝置構成危險的高能失控電子的俯仰角散射。

“這一發現為解決複雜方程的第一個工作算法提供了一個嚴格的數學證明。”這給實驗者提供了一個更好的理論描述，以幫助他們設計他們的實驗，”首席研究物理學家、Fu的顧問和該論文的共同作者Hong Qin說。”以前，這個方程沒有有效的算法，物理學家通過改變方程來解決這個困難。”

報導的研究代表了PPPL最近成立的計算科學部（CSD）在算法和應用數學方面的研究活動，並擴展了傅小平、秦和研究生Laura Xin Zhang（本文的共同作者）共同撰寫的一篇早期論文。雖然這項工作為跟踪快速粒子創造了一種新的能量保護算法，但該方法沒有納入磁場，其數學準確性也沒有得到嚴格的證明。