Traditionally, fusion reactivity in thermonuclear plasmas has been calculated by assuming a local Maxwellian ion distribution. However, recent theoretical work (Fetsch and Fisch 2025 Phys. Rev. Lett.135 155101) suggests that turbulence in plasmas can generate non-Maxwellian tail distributions, thereby enhancing reactivity. In this paper, we investigate this effect through numerical simulations of a sinusoidal shear flow. By comparing steady-state distributions obtained with the Bhatnagar–Gross–Krook (BGK) and Fokker–Planck (FP) collision operators, respectively, we demonstrate that the BGK model overestimates the reactivity enhancement while the FP operator gives a much more modest enhancement that is nearly halved under typical inertial confinement fusion (ICF) parameters. Particle-in-cell (PIC) simulations incorporating nuclear reactions are also conducted, which reveal that the combined effects of preferential ion heating during shear flow dissipation and tail enhancement can even amplify the reactivity enhancement to be larger than the steady-state prediction.
従来、熱核融合プラズマにおける核融合反応率は、局所的なマクスウェル分布を持つイオン分布を仮定して計算されてきた。しかし、最近の理論研究（Fetsch and Fisch 2025 Phys. Rev. Lett. 135 155101）は、プラズマ中の乱流が非マクスウェル型のテール分布を生成し、それによって反応率を増強し得ることを示唆している。本論文では、この効果を正弦波せん断流の数値シミュレーションを通じて調査する。Bhatnagar–Gross–Krook（BGK）衝突演算子とFokker–Planck（FP）衝突演算子をそれぞれ用いて得られた定常分布を比較することにより、BGKモデルが反応率増強を過大評価する一方、FP演算子ははるかに控えめな増強を与え、典型的な慣性核融合（ICF）パラメータの下ではその増強がほぼ半減することを実証する。また、核反応を組み込んだ粒子インセル（PIC）シミュレーションも実施し、せん断流散逸中の選択的イオン加熱とテール増強の複合効果により、反応率増強が定常状態の予測よりもさらに増幅され得ることを明らかにする。