揭开核聚变和超新星中涡旋环的神秘面纱

左:多模激波流体层实验的发展。中间:ICF胶囊内爆过程中的核聚环实验(上)和模拟(下)x射线自发射。右图:来自RMI模拟的变和体积分数。红色箭头表示可能的超新涡环和偶极子。所有图片均经许可转载。星中Credit: Physical Review Letters (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.194001
（神秘的涡旋地球uux.cn）据密歇根大学：更好地理解漩涡状环形扰动的形成——被称为涡环——可以帮助核聚变研究人员更有效地压缩燃料，使其更接近成为一种可行的神秘能源。
密歇根大学研究人员开发的面纱模型可以帮助设计燃料舱，最大限度地减少试图点燃让恒星发光的揭开反应时的能量损失。此外，核聚环该模型还可以帮助其他必须在冲击波通过后管理流体混合的变和工程师，如设计超音速喷气发动机的超新工程师，以及试图了解超新星的星中物理学家。
“这些涡环从塌缩的涡旋恒星向外移动，将最终成为星云、神秘行星甚至新恒星的物质填充到宇宙中——并在聚变内爆期间向内移动，破坏了燃烧的聚变燃料的稳定性，降低了反应的效率，”U-M大学机械工程博士生兼该研究的通讯作者Michael Wadas说。
他说:“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，并使人类更接近于捕捉核聚变作为一种能源的力量。”
核聚变将原子推到一起，直到它们融合。这一过程释放的能量比分裂原子或裂变多几倍，这为今天的核电站提供了动力。研究人员可以创造这种反应，将各种形式的氢合并到氦中，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。不稳定性导致喷流的形成，喷入热点，燃料在喷流之间喷出——Wadas将其比作试图用手挤压橙子，果汁会从手指间漏出。
研究人员表明，在这些射流的前沿形成的涡环在数学上类似于烟环、水母后面的漩涡和从超新星表面飞出的等离子体环。
也许最著名的聚变方法是一个球形激光阵列，所有激光都指向一个球形燃料舱。这就是在国家点火装置上进行实验的方法，该装置近年来多次打破能量输出的记录。
来自激光的能量蒸发了燃料周围的材料层——这是一个近乎完美的实验室生长的钻石外壳，于2022年12月创下最新纪录。当外壳蒸发时，它驱使燃料向内，同时碳原子向外飞出。这产生了冲击波，将燃料推得如此之重，以至于氢气熔化。
虽然球形燃料芯块是人类制造的最完美的圆形物体，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，就像一根稻草卡在压碎的橙子中一样，当压缩开始时，这是最有可能形成涡环引导的射流的地方。
“聚变实验发生得如此之快，以至于我们真的只需要将喷流的形成延迟几纳秒，”U-M大学机械工程副教授埃里克·约翰森说，他负责监督这项研究。
这项研究汇集了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Carolyn Kuranz实验室的核和等离子体物理知识。
“在高能量密度物理学中，许多研究指出了这些结构，但没有明确地将它们识别为涡环，”Wadas说。
Wadas和Johnsen对聚变实验和天体物理观测中看到的结构的深入研究有所了解，他们能够利用和扩展现有的知识，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，因为一定发生了一些混合过程，从而产生了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。
这项研究发表在《物理评论快报》杂志上。