聚變反應器中的快離子和等離子體波進行複雜的能量傳遞，其中共振和碰撞衝擊起著重要作用。這種理解對於維持最佳等離子體溫度和推進聚變能源技術至關重要。就像海洋中有波浪一樣，在由電子和離子組成的帶電氣體（稱為等離子體）中也會產生波浪。在海洋中，當人們衝浪時，衝浪板的速度幾乎與海浪的速度相同。這種匹配條件稱為共振，可以讓海浪透過能量交換有效地推動衝浪者。

核融合實驗中快速離子（黑色螺旋）與等離子體波（彩色）相互作用的示意圖。資料來源：史蒂夫-艾倫（勞倫斯-利弗莫爾國家實驗室），由麥克-範-澤蘭（通用原子公司）改編

在等離子體中，”衝浪者”可能是速度非常快的離子，它們可能出現在核融合裝置中，是核融合反應或用於加熱等離子體的其他過程的結果。這些快速離子的作用通常與海洋中的衝浪者相反–它們為海浪提供能量，使海浪變大。當共振粒子與波浪交換能量時，它們也會透過隨機碰撞受到等離子體中其他粒子的擠壓。

這些碰撞的類型和發生頻率決定了波浪的大小和粒子的晃動程度。如果波浪過大或過多，就會把衝浪粒子踢出裝置，對牆壁造成潛在危險，同時也會減少聚變能的產生量。

聚變反應器的挑戰

聚變反應器中的等離子體必須不斷加熱，以保持產生能量所需的溫度。然而，加熱等離子體的快速離子也會與等離子體中的波產生共振。這會導致這些波的成長，並有可能將快速離子踢出裝置。

研究人員需要了解快速離子與等離子體波之間的共振相互作用，以預測和減輕任何不利影響。這項研究將數學計算與電腦模擬相結合，揭示了不同類型的碰撞如何透過競爭來決定共振粒子與等離子體波之間的能量傳遞方式。

研究人員正在利用這一新的認識來制定如何保持等離子體足夠熱以維持核融合反應的模型。共振波粒等離子體問題也與星系中的某些重力相互作用有關。這意味著該計畫的方法可以應用於天文物理研究，包括暗物質研究。

了解快速離子碰撞

在核融合實驗中，快速離子透過與電子碰撞，將其能量傳遞給背景等離子體，從而使等離子體保持足夠的熱量進行核聚變。碰撞有兩種不同類型：擴散散射和對流阻力。擴散碰撞與撞球桌上的撞球散射是同一類型。同時，當把手伸出行駛中的汽車窗戶時，你會感覺到阻力碰撞。

根據快離子的速度和等離子體的溫度，每種碰撞都會對快離子的行為產生更大的影響。具體來說，快離子速度越大，阻力越大，而等離子體溫度越高，擴散越有利。

在快速離子通過碰撞加熱背景等離子體的同時，它們也會與等離子體波發生共振作用，而等離子體波會消耗它們的能量，從而有可能冷卻等離子體。在沒有任何碰撞的情況下，只有當粒子的速度與波的速度完全匹配時，才會發生快離子與波之間的共振。

科學家早就知道，擴散碰撞的作用是”抹去”共振，即使粒子的速度比波的移動速度稍快或稍慢，它們也能有效地與波進行能量交換。這項研究的新發現是，當阻力存在時，這種碰撞會改變共振發生的速度，這意味著當快離子和等離子體波的速度相差很小時，能量交換實際上是最有效的。

共振功能的作用

在這項研究中，研究人員用一種名為共振函數的數學物件來描述波粒相互作用強度的特徵，共振函數取決於波速和粒速之間的差異。

當阻力碰撞比擴散碰撞發生得更頻繁時，就會出現更奇特的現象–在全新的速度下，有效的能量傳遞成為可能。這種現象實際上產生了新的共振，而在沒有阻力的情況下，這種共振是根本不存在的，表現為共振函數中出現新的峰值，並擴大了共振相互作用的範圍。

完全從理論上推導出的共振函數決定了從共振快離子中獲取自由能後波浪會變得有多大，也決定了這些粒子會如何被波浪踢來踢去。非線性電腦模擬結果與理論預測非常吻合，證實了推導出的共振函數對這兩種碰撞的任何組合都是有效的，並加深了我們對碰撞如何影響等離子體中共振波與粒子相互作用的基本理解。

基本理論得到驗證後，現在可以放心地將其用於改進用於模擬快速離子在聚變裝置中的行為的程式碼，這是開發商業聚變發電廠道路上的關鍵一步。

編譯自/ ScitechDaily