Демистификация вихревых колец в ядерном синтезе и сверхновых

Лучшее понимание формирования закрученных кольцеобразных возмущений, известных как вихревые кольца, может помочь исследователям ядерного синтеза более эффективно сжимать топливо, приближая его к тому, чтобы стать жизнеспособным источником энергии.

Модель разработана Исследователи из Мичиганского университета (UM) могут помочь в разработке топливной капсулы, сводя к минимуму потери энергии при попытке зажечь реакцию, которая заставляет звезды сиять. Кроме того, модель может помочь другим инженерам, которым необходимо управлять смешиванием жидкостей после прохождения ударной волны, например, тем, кто проектирует сверхзвуковые реактивные двигатели, а также физикам, пытающимся понять сверхновые.

«Эти вихревые кольца движутся наружу от коллапсирующей звезды, заселяя Вселенную материалами, которые в конечном итоге станут туманностями, планетами и даже новыми звездами, и внутрь во время термоядерных взрывов, нарушая стабильность горящего термоядерного топлива и снижая эффективность термоядерного синтеза. реакция», — сказал Майкл Вадас, докторант машиностроения UM и автор исследования.

«Наше исследование, объясняющее, как формируются такие вихревые кольца, может помочь ученым понять некоторые из самых экстремальных событий во Вселенной и приблизить человечество на один шаг к использованию возможностей ядерного синтеза в качестве источника энергии», — сказал он.

Ядерный синтез сталкивает атомы вместе, пока они не сольются. Этот процесс высвобождает в несколько раз больше энергии, чем расщепление атомов или деление, которое приводит в действие сегодняшние атомные электростанции. Исследователи могут создать эту реакцию, соединяя формы водорода с гелием, но в настоящее время большая часть энергии, используемой в этом процессе, тратится впустую.

Частично проблема заключается в том, что топливо невозможно аккуратно сжать. Нестабильность вызывает образование струй, которые проникают в горячую точку, и топливо бьет между ними — Вадас сравнил это с попыткой раздавить апельсин руками, как сок вытекает между пальцами.

Исследователи показали, что вихревые кольца, образующиеся на переднем крае этих струй, математически подобны кольцам дыма, вихрям за медузами и плазменным кольцам, которые вылетают с поверхности сверхновой.

Возможно, самый известный подход к термоядерному синтезу — это сферическая решетка лазеров, направленных на сферическую капсулу с топливом. Так ставятся эксперименты на Национальной установке зажигания, которая за последние годы неоднократно била рекорды по выработке энергии.

Энергия лазеров испаряет слой материала вокруг топлива — почти идеальную, выращенную в лаборатории оболочку из алмаза, установленную последним рекордсменом в декабре 2022 года. Когда эта оболочка испаряется, она выталкивает топливо внутрь, а атомы углерода летят наружу. . Это создает ударную волну, которая толкает топливо с такой силой, что водород плавится.

Хотя сферические топливные таблетки являются одними из самых идеально круглых объектов, когда-либо созданных человеком, у каждой из них есть преднамеренный недостаток: заправочная трубка, куда поступает топливо. Исследователи объяснили, что, подобно соломинке, застрявшей в измельченном апельсине, это наиболее вероятное место для формирования струи с вихревым кольцом, когда начинается сжатие.

«Эксперименты по термоядерному синтезу происходят так быстро, что нам действительно нужно задержать формирование струи всего на несколько наносекунд», — сказал Эрик Джонсен, доцент кафедры машиностроения в UM, который руководил исследованием.

В исследовании были объединены знания Вадаса и Джонсена в области механики жидкости, а также знания физики ядра и плазмы, полученные в лаборатории Кэролин Куранц, доцента кафедры ядерной инженерии и радиологических наук.

«В физике высокой плотности энергии многие исследования указывают на эти структуры, но не идентифицируют их четко как вихревые кольца», — сказал Вадас.

Зная о глубоких исследованиях структур, наблюдаемых в экспериментах по термоядерному синтезу и астрофизических наблюдениях, Вадас и Джонсен смогли использовать и расширить эти существующие знания, а не пытаться описать их как совершенно новые особенности.