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胶囊内爆过程中的实验(上)和模拟(下)x射线自发射。右图:来自RMI模拟的体积分数。红色箭头表示可能的涡环和偶极子。所有图片均经许可转载。Credit: Physical Review Letters (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.194001

　　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，最大限度地减少试图点燃让恒星发光的反应时的能量损失。此外，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工程师，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。

　　“这些涡环从塌缩的恒星向外移动，将最终成为星云、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。

　　也许最着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。