普林斯顿大学物理学家解开了加速聚变能源发展的难题

美国能源部（DOE）普林斯顿等离子体物理实验室的研究人员创造了一种有效的计算机算法，以模拟在利用驱动太阳和恒星的聚变能量的实验过程中自由电子的疯狂运动。该方法解决了一个困难的方程，允许更好地控制聚变能源燃料中不可预测和快速移动的电子。

聚变通过结合等离子体形式的轻元素产生巨大的能量--等离子体是由自由电子和原子核或离子组成的高温带电气体，占可见宇宙的99%。全球各地的科学家都在努力重现核聚变过程，以创造一个安全、清洁和丰富的发电动力源。

解决方程问题

研究人员在被称为托卡马克的圆环形装置上开发核聚变的一个关键障碍是解决描述自由旋转的电子在碰撞和反弹时的运动的方程式。模拟这种运动的标准方法，在技术上称为俯仰角散射，由于方程的复杂性而被证明是不成功的。

"一套成功的计算规则或算法将解决这个方程，同时保存加速的粒子的能量。"普林斯顿等离子体物理项目的研究生、《计算物理学杂志》上一篇提出解决方案的论文的主要作者Fu yichen说："解决随机微分方程可以得到散射电子可能采取的每一条路径的概率。这种方程产生的模式可以进行统计分析，但不能精确确定。"

"精确的解决方案描述了被散射的电子的轨迹。然而，轨迹是概率性的，我们不知道电子到底会去哪里，因为有许多可能的路径，"Fu说。"但是通过解决轨迹，我们可以知道电子选择每条路径的概率，而知道这一点就可以进行更精确的模拟，从而更好地控制等离子体。"

这一见解带来的主要好处是改善了对核聚变研究人员的指导，他们将电流注入托卡马克等离子体，以产生限制超热气体的磁场。另一个好处是更好地了解对聚变装置构成危险的高能失控电子的俯仰角散射。

"这一发现为解决复杂方程的第一个工作算法提供了一个严格的数学证明。"这给实验者提供了一个更好的理论描述，以帮助他们设计他们的实验，"首席研究物理学家、Fu的顾问和该论文的共同作者Hong Qin说。"以前，这个方程没有有效的算法，物理学家通过改变方程来解决这个困难。"

报道的研究代表了PPPL最近成立的计算科学部（CSD）在算法和应用数学方面的研究活动，并扩展了傅小平、秦和研究生Laura Xin Zhang（本文的共同作者）共同撰写的一篇早期论文。虽然这项工作为跟踪快速粒子创造了一种新的能量保护算法，但该方法没有纳入磁场，其数学准确性也没有得到严格的证明。