聚变反应堆中的快离子和等离子体波进行着复杂的能量传递，其中共振和碰撞冲击起着重要作用。这种理解对于维持最佳等离子体温度和推进聚变能源技术至关重要。就像海洋中有波浪一样，在由电子和离子组成的带电气体（称为等离子体）中也会产生波浪。在海洋中，人们冲浪时，冲浪板的速度几乎与海浪的速度相同。这种匹配条件被称为共振，可以让海浪通过能量交换有效地推动冲浪者。
核聚变实验中快速离子（黑色螺旋）与等离子体波（彩色）相互作用的示意图。资料来源：史蒂夫-艾伦（劳伦斯-利弗莫尔国家实验室），由迈克-范-泽兰（通用原子公司）改编
在等离子体中，"冲浪者"可能是速度非常快的离子，它们可能出现在核聚变装置中，是核聚变反应或用于加热等离子体的其他过程的结果。这些快速离子的作用通常与海洋中的冲浪者相反--它们为海浪提供能量，使海浪变大。当共振粒子与波浪交换能量时，它们也会通过随机碰撞受到等离子体中其他粒子的挤压。
这些碰撞的类型和发生频率决定了波浪的大小和粒子的晃动程度。如果波浪过大或过多，就会把冲浪粒子踢出装置，对墙壁造成潜在危险，同时也会减少聚变能的产生量。
聚变反应堆的挑战
聚变反应堆中的等离子体必须不断加热，以保持产生能量所需的温度。然而，加热等离子体的快速离子也会与等离子体中的波产生共振。这会导致这些波的增长，并有可能将快速离子踢出装置。
研究人员需要了解快速离子与等离子体波之间的共振相互作用，以预测和减轻任何不利影响。这项研究将数学计算与计算机模拟相结合，揭示了不同类型的碰撞如何通过竞争来决定共振粒子与等离子体波之间的能量传递方式。
研究人员正在利用这一新的认识来制定如何保持等离子体足够热以维持核聚变反应的模型。共振波粒等离子体问题还与星系中的某些引力相互作用有关。这意味着该项目的方法可以应用于天体物理研究，包括暗物质研究。
了解快速离子碰撞
在核聚变实验中，快速离子通过与电子碰撞，将其能量传递给背景等离子体，从而使等离子体保持足够的热量进行核聚变。碰撞有两种不同类型：扩散散射和对流阻力。扩散碰撞与台球桌上的台球散射是同一类型。与此同时，当把手伸出行驶中的汽车窗外时，你会感觉到阻力碰撞。
根据快离子的速度和等离子体的温度，每种碰撞都会对快离子的行为产生更大的影响。具体来说，快离子速度越大，阻力越大，而等离子体温度越高，扩散越有利。
在快速离子通过碰撞加热背景等离子体的同时，它们也会与等离子体波发生共振作用，而等离子体波会消耗它们的能量，从而有可能冷却等离子体。在没有任何碰撞的情况下，只有当粒子的速度与波的速度完全匹配时，才会发生快离子与波之间的共振。
科学家们早就知道，扩散碰撞的作用是"抹去"共振，即使粒子的速度比波的移动速度稍快或稍慢，它们也能有效地与波进行能量交换。这项研究的新发现是，当阻力存在时，这种碰撞会改变共振发生的速度，这意味着当快离子和等离子体波的速度相差很小时，能量交换实际上是最有效的。
共振功能的作用
在这项研究中，研究人员用一种名为共振函数的数学对象来描述波粒相互作用强度的特征，共振函数取决于波速和粒速之间的差值。
当阻力碰撞比扩散碰撞发生得更频繁时，就会出现更奇特的现象--在全新的速度下，有效的能量传递成为可能。这种现象实际上产生了新的共振，而在没有阻力的情况下，这种共振是根本不存在的，表现为共振函数中出现新的峰值，并扩大了共振相互作用的范围。
完全从理论上推导出的共振函数决定了从共振快离子中获取自由能后波浪会变得有多大，也决定了这些粒子会如何被波浪踢来踢去。非线性计算机模拟结果与理论预测非常吻合，证实了推导出的共振函数对这两种碰撞的任何组合都是有效的，并加深了我们对碰撞如何影响等离子体中共振波与粒子相互作用的基本理解。
基本理论得到验证后，现在可以放心地将其用于改进用于模拟快速离子在聚变装置中的行为的代码，这是开发商业聚变发电厂道路上的关键一步。
编译自/ScitechDaily