Fusion reactivity represents the integration of fusion cross-sections and the velocity distributions of two reactants. In this study, we investigate the upper bound of fusion reactivity for a non-thermal reactant coexisting with a thermal Maxwellian background reactant while maintaining a constant total energy. Our optimization approach involves fine-tuning the velocity distribution of the non-thermal reactant. We employ both Lagrange multiplier and Monte Carlo methods to analyze Deuterium–Tritium (D–T) and proton-Boron11 (p-B11) fusion scenarios. Our findings demonstrate that, within the relevant range of fusion energy, the maximum fusion reactivity can often surpass that of the conventional Maxwellian–Maxwellian reactants case by a substantial margin, ranging from 50% to 300%. These enhancements are accompanied by distinctive distribution functions for the non-thermal reactant, characterized by one or multiple beams. These results not only establish an upper limit for fusion reactivity but also provide valuable insights into augmenting fusion reactivity through non-thermal fusion, which holds particular significance in the realm of fusion energy research.
核融合反応度は、核融合断面積と2つの反応物の速度分布の積分を表す。本研究では、全エネルギーを一定に保ちながら、熱的マクスウェル背景反応物と共存する非熱的反応物に対する核融合反応度の上限を調査する。我々の最適化手法は、非熱的反応物の速度分布を微調整することを含む。我々は、重水素–トリチウム (D–T) および陽子–ホウ素11 (p-B11) 核融合シナリオを解析するために、ラグランジュ乗数法とモンテカルロ法の両方を採用する。我々の発見は、核融合エネルギーの関連する範囲内において、最大核融合反応度が従来のマクスウェル–マクスウェル反応物の場合を、50%から300%の範囲の大幅な差で上回ることが多いことを実証する。これらの向上は、1つまたは複数のビームによって特徴づけられる、非熱的反応物の特徴的な分布関数を伴う。これらの結果は、核融合反応度の上限を確立するだけでなく、非熱的核融合を通じて核融合反応度を増強するための貴重な洞察を提供し、それは核融合エネルギー研究の分野において特に重要性を持つ。