揭开核聚变和超新星中涡环的神秘面纱

更好地了解涡流环状扰动(称为涡环)的形成可以帮助核聚变研究人员更有效地压缩燃料，使其更接近于成为可行的能源。

密歇根大学研究人员开发的模型可以帮助设计燃料舱，最大限度地减少在试图点燃使恒星发光的反应时损失的能量。此外，该模型可以帮助其他必须在冲击波通过后管理流体混合的工程师，例如设计超音速喷气发动机的工程师，以及试图了解超新星的物理学家。

“这些涡环从坍缩的恒星向外移动，用最终会变成星云、行星甚至新恒星的物质填充宇宙——并在聚变内爆时向内移动，破坏燃烧的聚变燃料的稳定性并降低反应效率”，密歇根大学机械工程博士生兼该研究的通讯作者MichaelWadas说。

“我们的研究阐明了这种涡环是如何形成的，可以帮助科学家了解宇宙中一些最极端的事件，并使人类更接近于获取核聚变作为能源的力量，”他说。

核聚变将原子推到一起，直到它们合并。这个过程释放的能量是原子分裂或裂变的几倍，裂变为当今的核电站提供动力。研究人员可以创造这种反应，将氢的形式合并成氦，但目前，这个过程中使用的大部分能量都被浪费了。

部分问题是燃料不能被整齐地压缩。不稳定性导致形成射流，射流穿透热点，燃料从它们之间喷出——Wadas将其比作试图用手压扁橙子，汁液会从手指间漏出。

研究人员表明，在这些喷流的前缘形成的涡环在数学上类似于烟环、水母背后的涡流和超新星表面飞出的等离子环。

也许最著名的聚变方法是一个球形激光阵列，它们全部指向一个球形燃料舱。国家点火装置就是这样进行实验的，该装置近年来多次打破能源输出记录。

激光产生的能量使燃料周围的材料层蒸发——2022年12月最新创纪录的实验室制造的近乎完美的金刚石壳。当该壳蒸发时，随着碳原子向外飞出，它会推动燃料向内飞.这会产生冲击波，将燃料推得太猛，以至于氢熔化。

虽然球形燃料颗粒是人类制造的最完美的圆形物体之一，但每个都有一个故意的缺陷：燃料进入的填充管。研究人员解释说，就像一根吸管插在压碎的橙子里一样，这是压缩开始时最有可能形成涡环引导射流的地方。

“聚变实验发生得如此之快，以至于我们实际上只需将射流的形成延迟几纳秒，”负责这项研究的密歇根大学机械工程副教授埃里克约翰森说。

该研究汇集了Wadas和Johnsen的流体力学专业知识以及核工程和放射科学副教授CarolynKuranz实验室的核和等离子体物理知识。

“在高能密度物理学中，许多研究指出了这些结构，但尚未明确将它们确定为涡环，”Wadas说。

Wadas和Johnsen了解对聚变实验和天体物理观测中所见结构的深入研究，因此能够利用和扩展现有知识，而不是试图将它们描述为全新的特征。

约翰森特别感兴趣的是，当恒星爆炸时，涡环可能有助于推动重元素和轻元素之间的混合，因为必须发生一些混合过程才能产生像地球这样的行星的成分。

该模型还可以帮助研究人员了解涡环可以携带的能量极限，以及在流动变得湍流并因此更难建模之前可以推动多少流体。在正在进行的工作中，该团队正在通过实验验证涡环模型。