Lepsze zrozumienie powstawania wirujących zaburzeń w kształcie pierścieni – znanych jako pierścienie wirowe – może pomóc naukowcom zajmującym się syntezą jądrową w bardziej wydajnym sprężaniu paliwa, przybliżając je do stania się opłacalnym źródłem energii.

Model opracowany przez naukowców z University of Michigan może pomóc w zaprojektowaniu kapsuły paliwowej, minimalizując utratę energii podczas próby wywołania reakcji, która sprawia, że ​​gwiazdy świecą. Ponadto model może pomóc innym inżynierom, którzy muszą zarządzać mieszaniem płynów po przejściu fali uderzeniowej, na przykład projektującym naddźwiękowe silniki odrzutowe, a także fizykom próbującym zrozumieć supernowe.

„Te pierścienie wirowe poruszają się na zewnątrz od zapadającej się gwiazdy, zapełniając wszechświat materiałami, które ostatecznie staną się mgławicami, planetami, a nawet nowymi gwiazdami – i do wewnątrz podczas implozji syntezy jądrowej, zakłócając stabilność płonącego paliwa fuzyjnego i zmniejszając wydajność reakcji ”- powiedział Michael Wadas, doktorant w dziedzinie inżynierii mechanicznej na UM i autor korespondent badania.

„Nasze badania, które wyjaśniają, w jaki sposób powstają takie pierścienie wirowe, mogą pomóc naukowcom zrozumieć niektóre z najbardziej ekstremalnych wydarzeń we wszechświecie i przybliżyć ludzkość o krok do uchwycenia mocy syntezy jądrowej jako źródła energii” – powiedział.

Fuzja jądrowa popycha atomy, aż się połączą. Proces ten uwalnia kilka razy więcej energii niż rozbijanie atomów lub rozszczepianie, które napędza dzisiejsze elektrownie jądrowe. Naukowcy mogą stworzyć tę reakcję, łącząc formy wodoru w hel, ale obecnie większość energii zużywanej w tym procesie jest marnowana.

Częścią problemu jest to, że paliwa nie można dokładnie skompresować. Niestabilności powodują powstawanie dżetów, które przenikają do gorącego punktu, a paliwo tryska między nimi — Wadas porównał to do próby zgniecenia pomarańczy rękami, jak sok wyciekałby między palcami.

Naukowcy wykazali, że pierścienie wirowe, które tworzą się na krawędzi natarcia tych dżetów, są matematycznie podobne do pierścieni dymnych, wirów za meduzami i pierścieni plazmowych, które odlatują z powierzchni supernowej.

Być może najbardziej znanym podejściem do syntezy jądrowej jest sferyczny układ laserów skierowanych w stronę kulistej kapsułki paliwa. Tak powstają eksperymenty w National Ignition Facility, które w ostatnich latach wielokrotnie biło rekordy produkcji energii.

Energia laserów odparowuje warstwę materiału wokół paliwa – prawie idealną, laboratoryjnie wyhodowaną skorupę diamentu w najnowszym rekordzistce w grudniu 2022 r. Kiedy ta skorupa odparowuje, kieruje paliwo do wewnątrz, gdy atomy węgla wylatują na zewnątrz . Generuje to falę uderzeniową, która popycha paliwo tak mocno, że wodór ulega stopieniu.

Podczas gdy kuliste granulki paliwa są jednymi z najbardziej idealnie okrągłych przedmiotów, jakie kiedykolwiek stworzył człowiek, każdy z nich ma celową wadę: rurkę wlewową, przez którą wchodzi paliwo. Naukowcy wyjaśnili, że jak słomka utknęła w tej zmiażdżonej pomarańczy, jest to najbardziej prawdopodobne miejsce na utworzenie się strumienia z pierścieniem wirowym, gdy zaczyna się kompresja.

„Eksperymenty z syntezą jądrową odbywają się tak szybko, że tak naprawdę musimy tylko opóźnić powstanie dżetu o kilka nanosekund” – powiedział Eric Johnsen, profesor inżynierii mechanicznej na UM, który nadzorował badanie.

W badaniu połączono wiedzę Wadasa i Johnsena z zakresu mechaniki płynów, a także wiedzę z zakresu fizyki jądrowej i plazmy w laboratorium Carolyn Kuranz, profesora nadzwyczajnego inżynierii jądrowej i nauk radiologicznych.

„W fizyce wysokich energii wiele badań wskazuje na te struktury, ale nie zidentyfikowano ich wyraźnie jako pierścieni wirowych” – powiedział Wadas.

Wiedząc o dogłębnych badaniach nad strukturami obserwowanymi w eksperymentach z syntezą jądrową i obserwacjach astrofizycznych, Wadas i Johnsen byli w stanie wykorzystać i rozszerzyć tę istniejącą wiedzę, zamiast próbować opisywać je jako zupełnie nowe cechy.

Johnsen jest szczególnie zainteresowany możliwością, że pierścienie wirowe mogą pomóc w napędzaniu mieszania się ciężkich pierwiastków z lżejszymi pierwiastkami podczas eksplozji gwiazd, ponieważ musiał zajść jakiś proces mieszania, aby wytworzyć skład planet takich jak Ziemia.

Model może również pomóc naukowcom zrozumieć ograniczenia energii, jaką może przenosić pierścień wirowy, oraz ile płynu można przepchnąć, zanim przepływ stanie się turbulentny iw rezultacie trudniejszy do modelowania. W ramach trwających prac zespół weryfikuje model pierścienia wirowego za pomocą eksperymentów.

Badanie zostało opublikowane w czasopiśmie Listy z przeglądu fizycznego.