Разоблачающие вихревые кольца при ядерном синтезе, сверхновые

  • Пользователь Алексей Коровин опубликовал
  • 22 мая 2023 г., 18:59:41 MSK
  • 0 комментариев
  • 47 просмотров
Лучшее понимание образования закрученных кольцеобразных возмущений, известных как вихревые кольца, могло бы помочь исследователям ядерного синтеза более эффективно сжимать топливо, приближая его к превращению в жизнеспособный источник энергии. Математическая модель, связывающая эти вихри с более распространенными типами, такими как дымовые кольца, могла бы помочь инженерам контролировать их поведение при выработке электроэнергии и не только.

Лучшее понимание образования закрученных кольцеобразных возмущений, известных как вихревые кольца, могло бы помочь исследователям ядерного синтеза более эффективно сжимать топливо, приближая его к превращению в жизнеспособный источник энергии.

Модель, разработанная исследователями из Мичиганского университета, могла бы помочь в проектировании топливной капсулы, сводя к минимуму потери энергии при попытке запустить реакцию, которая заставляет звезды сиять. Кроме того, модель могла бы помочь другим инженерам, которым приходится управлять смешиванием жидкостей после прохождения ударной волны, например, тем, кто проектирует сверхзвуковые реактивные двигатели, а также физикам, пытающимся понять природу сверхновых.

"Эти вихревые кольца движутся наружу от коллапсирующей звезды, заполняя 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 реакции", - сказал Майкл Вадас, докторант в инженер-механик в Калифорнийском университете и автор-корреспондент исследования.

"Наше исследование, которое проясняет, как образуются такие вихревые кольца, может помочь ученым понять некоторые из самых экстремальных событий во Вселенной и приблизить человечество еще на шаг к использованию энергии ядерного синтеза в качестве источника энергии", - сказал он.

Ядерный синтез сталкивает атомы вместе до тех пор, пока они не сольются. Этот процесс высвобождает в несколько раз больше энергии, чем расщепление атомов, которое приводит в действие современные атомные электростанции. Исследователи могут создать эту реакцию, объединяя различные формы водорода в гелий, но в настоящее время большая часть энергии, используемой в этом процессе, тратится впустую.

Частично проблема заключается в том, что топливо невозможно аккуратно сжать. Нестабильность приводит к образованию струй, которые проникают в горячую точку, и топливо вытекает между ними - Вадас сравнил это с попыткой раздавить апельсин руками, так как сок будет вытекать между пальцами.

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

Пожалуй, самый известный подход к термоядерному синтезу - это сферическая решетка лазеров, направленных на сферическую капсулу с топливом. Именно так проводятся эксперименты на Национальной установке зажигания, которая в последние годы неоднократно побивала рекорды по выработке энергии.

Энергия лазеров испаряет слой материала вокруг топлива - почти идеальную, выращенную в лаборатории алмазную оболочку, установившую последний рекорд в декабре 2022 года. Когда эта оболочка испаряется, она загоняет топливо внутрь, в то время как атомы углерода вылетают наружу. Это создает ударную волну, которая выталкивает топливо с такой силой, что водород плавится.

Хотя сферические топливные гранулы являются одними из самых идеально круглых предметов, когда-либо созданных человеком, у каждого из них есть преднамеренный недостаток: заправочная трубка, куда поступает топливо. Исследователи объяснили, что, подобно соломинке, воткнутой в раздавленный апельсин, это наиболее вероятное место для образования вихревой струи, когда начнется сжатие.

"Эксперименты по термоядерному синтезу происходят так быстро, что нам действительно нужно всего лишь задержать формирование струи на несколько наносекунд", - сказал Эрик Джонсен, доцент кафедры машиностроения Калифорнийского университета, который руководил исследованием.

Исследование объединило опыт Вадаса и Джонсена в области механики жидкости, а также знания в области ядерной физики и физики плазмы в лаборатории Кэролин Куранц, доцента кафедры ядерной инженерии и радиологических наук.

"В физике высокой плотности энергии многие исследования указывают на эти структуры, но четко не идентифицировали их как вихревые кольца", - сказал Вадас.

Зная о большом объеме исследований структур, наблюдаемых в экспериментах по термоядерному синтезу и астрофизических наблюдениях, Вадас и Джонсен смогли использовать и расширить существующие знания, вместо того чтобы пытаться описать их как совершенно новые особенности.

Джонсена особенно интересует возможность того, что вихревые кольца могли бы способствовать перемешиванию тяжелых и более легких элементов при взрыве звезд, поскольку должен был произойти какой-то процесс смешивания, чтобы образовался состав планет, подобных Земле.

Модель также может помочь исследователям понять пределы энергии, которую может нести вихревое кольцо, и сколько жидкости можно вытолкнуть, прежде чем поток станет турбулентным и в результате его будет сложнее моделировать. В ходе текущей работы команда проверяет модель вихревого кольца с помощью экспериментов.

Исследование финансируется Ливерморской национальной лабораторией имени Лоуренса и Министерством энергетики, а вычислительные ресурсы предоставляются Центром экстремальных научных и инженерных открытий через Национальный научный фонд и вычислительный центр Oak Ridge Leadership Computing Facility.

Комментарии

0 комментариев