日前，北京大学物理学院、应用物理与技术研究中心乔宾教授课题组与其合作者在核聚变领域的国际权威期刊《核聚变》[Nuclear Fusion 62 (8) (2022)]发表题为“Modification of the fusion energy gain factor in magnetic confinement fusion due to plasma temperature anisotropy” 的论文，指出磁约束聚变中等离子体温度各向异性将显著改变聚变装置的能量增益。

　　实验室或宇宙介质中产生的磁化等离子体，常常处于温度各向异性的非热平衡态，在微观上表现为各向异性的离子速度分布。例如在tokamak磁约束聚变装置中，辅助加热导致等离子体在平行和垂直于磁场方向产生压力各向异性，进而产生显著的温度各向异性。相关研究表明，这样的温度各向异性会对tokamak中的磁场结构、等离子体波模、不稳定性模式、粒子能量输运等都会产生显著影响。但是，针对温度各向异性对聚变等离子体核反应和能量增益的影响，目前尚没有自洽的研究工作。

　　图一：各向异性导致聚变能量增益增加的理论预测和模拟计算对比。(a) 能量增益随各向异性度的变化（）。(b) 被温度各向异性修正的劳逊判据和点火条件（蓝色，红色，黑色为温度各向同性）。

　　乔宾教授与其合作者创新性地将基于蒙特卡洛（MC）算法的核反应模块和静电波注入算法自洽地耦合进粒子模拟（PIC）程序中，研究了温度各向异性对氘氚（DT）聚变反应率和产物α粒子的能量沉积效率两个过程的影响。研究发现，温度各向异性对DT聚变反应率的影响存在临界温度效应，当平均温度低于临界温度时，核反应率会被增强，而高于临界温度时则效应相反；并且，温度各向异性存在时， alpha channeling过程主导的α粒子能量沉积效率和回旋共振加热主导的主体离子加热效率也显著提高。综上原因，以ITER为例，存在显著的温度各向异性时，磁约束聚变能量增益能够被大幅增加，当时，能量增益能够从增加到，实现能量增益翻倍。Nuclear Fusion审稿人对该研究提出了高度评价，认为考虑聚变系统中的温度各向异性对聚变能量增益影响具有非常重要的意义，为实现可控核聚变提出新的视角和方案。

　　乔宾课题组的博士研究生李可为该论文第一作者，乔宾教授为通信作者，合作者包括北京应用物理与计算数学研究所贺贤土院士及中科院物理研究所李定教授等。

　　论文链接：http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1741-4326/ac74d3