Слева: эволюция эксперимента с многорежимным ударным слоем жидкости. В центре: экспериментальное (вверху) и смоделированное (внизу) собственное рентгеновское излучение во время взрыва капсулы ICF. 
Справа: объемная доля из моделирования RMI. Красные стрелки указывают на вероятные вихревые кольца и диполи. Все изображения воспроизведены с разрешения.
Авторы и права: Письма с физическим обзором (2023 г.). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.194001

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

«Эти вихревые кольца движутся наружу от коллапсирующей звезды, наполняя 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 области машиностроения в UM и соответствующий автор исследования.

«Наше исследование, которое выясняет, как формируются такие вихревые кольца, может помочь ученым понять некоторые из самых экстремальных явлений во Вселенной и приблизить человечество на один шаг к овладению мощью ядерного синтеза в качестве источника энергии», — сказал он.

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

Часть проблемы заключается в том, что топливо не может быть аккуратно сжато. Нестабильности вызывают образование струй, которые проникают в горячую точку, а между ними вырывается топливо — Вадас сравнил это с попыткой раздавить апельсин руками, как между пальцами вытекает сок.

Исследователи показали, что вихревые кольца, которые образуются на передней кромке этих струй, математически подобны кольцам дыма, водоворотам позади медуз и плазменным кольцам, отлетающим от поверхности сверхновой.

Возможно, самый известный подход к термоядерному синтезу — это сферический массив лазеров, направленных на сферическую капсулу с топливом. Так ставятся эксперименты в Национальном центре зажигания, который в последние годы неоднократно бил рекорды по выработке энергии.

Энергия лазеров испаряет слой материала вокруг топлива — почти идеальную, выращенную в лаборатории алмазную оболочку, установленную последним рекордом в декабре 2022 года. Когда эта оболочка испаряется, она толкает топливо внутрь, а атомы углерода вылетают наружу. . Это создает ударную волну, которая толкает топливо так сильно, что водород плавится.

Хотя сферические топливные таблетки являются одними из самых идеально круглых объектов, когда-либо созданных людьми, у каждого из них есть преднамеренный недостаток: заливная трубка, через которую поступает топливо. Исследователи объяснили, что, подобно соломинке, воткнутой в измельченный апельсин, это наиболее вероятное место для формирования струи, направляемой вихревым кольцом, когда начинается сжатие.

«Эксперименты по термоядерному синтезу происходят так быстро, что нам действительно нужно задержать формирование струи всего на несколько наносекунд», — сказал Эрик Джонсен, адъюнкт-профессор машиностроения UM, который руководил исследованием.

Исследование объединило опыт Вадаса и Йонсена в области гидромеханики, 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 не идентифицируют их как вихревые кольца», — сказал Вадас.

Зная о глубоких исследованиях структур, наблюдаемых в термоядерных экспериментах и ​​астрофизических наблюдениях, Вадас и Йонсен смогли использовать и расширить эти существующие знания, а не пытаться описать их как совершенно новые особенности.

Джонсена особенно интересует возможность того, что вихревые кольца могут способствовать смешиванию тяжелых элементов и более легких элементов при взрывах 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 протолкнуть, прежде чем поток станет турбулентным и в результате его будет сложнее моделировать. В текущей работе команда проверяет модель вихревого кольца с помощью экспериментов.

Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.