Non-Maxwellian distributions of particles are commonly observed in fusion studies, especially for magnetic confinement fusion plasmas. The particle distribution has a direct effect on fusion reactivity, which is the focus of this study. We investigate the effects of three types of non-Maxwellian distributions, namely drift-ring-beam, slowing-down, and kappa super-thermal distributions, on the fusion reactivities of D-T (Deuterium-Trillium) and p-B11 (proton-Boron) using a newly developed program, where the enhancement of fusion reactivity relative to the Maxwellian distribution is computed while keeping the total kinetic energy constant. The calculation results show that for the temperature ranges of interest to us, namely 5–50 keV for D-T and 100–500 keV for p-B11, these non-Maxwellian distributions can enhance the fusion reactivities. In the case of the drift-ring-beam distribution, the perpendicular ring beam velocity leads to decreased enhancement in low temperature range and increased enhancement in high temperature range. This effect is favorable for p-B11 fusion reaction and unfavorable for D-T fusion reaction. This is because the important temperature range for fusion reaction significantly overlaps with the high temperature enhancement range, while the important temperature range for fusion significantly overlaps with the low temperature reduction range. In the slowing-down distribution, the birth speed plays a crucial role in both reactions, and increasing birth speed leads to a shift in the enhancement ranges towards lower temperatures, which is beneficial for both reactions. Finally, the kappa super-thermal distribution results in a relatively large enhancement in the low temperature range with a small high energy power-law index . Overall, this study provides insight into the effects of non-Maxwellian distributions on fusion reactivity and highlights potential opportunities for enhancing fusion efficiency.
非マクスウェル分布を持つ粒子は、核融合研究、特に磁場閉じ込め核融合プラズマにおいて一般的に観測されている。粒子分布は核融合反応率に直接的な影響を及ぼし、これが本研究の焦点である。我々は、新たに開発したプログラムを用いて、ドリフトリングビーム分布、スローイングダウン分布、カッパ超熱分布の3種類の非マクスウェル分布がD-T（重水素-トリチウム）およびp-B11（陽子-ホウ素）の核融合反応率に及ぼす影響を調査する。ここでは、全運動エネルギーを一定に保ったまま、マクスウェル分布に対する核融合反応率の増強を計算する。計算結果によると、我々が注目する温度範囲、すなわちD-Tでは5〜50 keV、p-B11では100〜500 keVにおいて、これらの非マクスウェル分布は核融合反応率を増強し得ることが示された。ドリフトリングビーム分布の場合、垂直方向のリングビーム速度は、低温域では増強を減少させ、高温域では増強を増加させることが明らかになった。この効果はp-B11核融合反応には有利に働くが、D-T核融合反応には不利に働く。これは、p-B11核融合反応の重要な温度範囲が高温増強域と有意に重なる一方、D-T核融合反応の重要な温度範囲が低温低減域と有意に重なるためである。スローイングダウン分布では、両反応において生成速度（バーススピード）が決定的な役割を果たし、生成速度の増加は増強範囲を低温側へシフトさせ、両反応にとって有利に働く。最後に、カッパ超熱分布は、小さな高エネルギー冪指数を持つ場合、低温域で比較的大きな増強をもたらす。全体として、本研究は非マクスウェル分布が核融合反応率に及ぼす影響についての知見を提供し、核融合効率を高める潜在的な機会を明らかにするものである。