随着惯性约束聚变(ICF)技术的不断发展，核聚变作为清洁而丰富的能源的追求取得了显著进展。该技术通过将氘氚(DT)燃料压缩到极端温度和压力条件下，成功启动了聚变反应。在这一过程中，虽然中子主要用于发电，但燃料中残留的阿尔法粒子却能够驱动额外的聚变反应，进一步提升了能量产出。

近日，美国国家点火装置(NIF)在ICF研究中取得了重要里程碑。2021年2月，NIF实现了自持等离子体燃烧状态，标志着聚变能量研究和模拟早期宇宙极端条件方面取得了重大突破。在这一状态下，当阿尔法粒子沉积的能量超过内爆期间所取得的功时，能量密度会急剧上升，从而实现高效聚变反应。

然而，NIF实验中的中子光谱数据与流体动力学预测结果存在显著偏差，揭示了超热DT离子的存在。这些超热离子挑战了传统的麦克斯韦分布模型，并强调了考虑动力学效应和非平衡行为的重要性。这些效应在流体动力学描述中往往被忽视，导致预测结果与实际数据存在偏差。

为了准确模拟这些碰撞过程，由中国科学院物理研究所和上海交通大学张杰教授领导的研究团队开发了一种突破性的大角度碰撞模型。该模型结合了二元碰撞过程中离子屏蔽势和相对运动之间的相互作用，为捕捉离子动力学提供了一个全面的框架。利用该模型，研究团队增强了混合粒子单元LAPINS代码，从而能够高精度模拟燃烧等离子体。

通过模拟分析，研究团队取得了几个关键发现：点火时刻提前约10皮秒;检测到能量阈值低于34 keV的超热D离子;阿尔法粒子密度峰值约为预测值的两倍;热点中心的阿尔法粒子密度增强了约24%。这些发现与NIF进行的中子谱矩分析结果相一致，进一步验证了团队的动力学模拟方法的准确性。

随着产量的增加，中子谱与流体动力学预测之间的差异逐渐增大，凸显了当前模型的局限性。这项研究不仅为解释实验数据提供了深刻见解，还为改进点火策略和探索高能量密度核燃烧等离子体开辟了新途径。这些进步对于理解控制早期宇宙演化的物理过程具有深远的影响。