研究人员利用蛋黄酱深入研究核聚变的稳定性挑战

蛋黄酱继续帮助研究人员更好地理解核聚变背后的物理原理。“我们仍在研究同一个问题，即惯性约束聚变中使用的聚变舱的结构完整性，而Hellmann'sRealMayonnaise仍在帮助我们寻找解决方案，”利哈伊大学机械工程和力学系PaulB.Reinhold教授兼PCRossin工程与应用科学学院MEM系主任ArindamBanerjee说道。

简单来说，聚变反应就是太阳的能量来源。如果这一过程可以在地球上得到利用，科学家相信它将为人类提供几乎无限的清洁能源。然而，复制太阳的极端条件是一项极其复杂的挑战。包括班纳吉和他的团队在内的科学和工程学科的研究人员正在从多个角度研究这个问题。

惯性约束聚变是一种通过快速压缩和加热装有燃料(这里指的是氢的同位素)的胶囊来引发核聚变反应的过程。当受到极端温度和压力的影响时，这些胶囊会熔化并形成等离子体，即可以产生能量的带电物质状态。

“在这些极端情况下，当你试图模拟太阳中的条件时，温度会达到数百万开尔文，压力达到千兆帕斯卡，”班纳吉说。“与这一过程相关的主要问题之一是等离子体状态会形成这些流体动力学不稳定性，从而降低能量产量。”

2019年，班纳吉和他的团队在关于该主题的第一篇论文中研究了这一问题，即所谓的瑞利-泰勒不稳定性。当密度和压力梯度方向相反时，不同密度的材料之间就会出现这种情况，从而形成不稳定的分层。

他说：“我们使用蛋黄酱是因为它的行为类似于固体，但受到压力梯度影响时，就会开始流动。”使用这种调味品还消除了对高温和高压条件的需求，因为高温和高压条件极难控制。

在t=0、@t=EP阈值和@t=实验结束时，具有完全弹性恢复和不稳定性扰动的快照。图片来源：湍流混合实验室/利哈伊大学

Banerjee的团队利用Banerjee湍流混合实验室内定制的独一无二的旋转轮设备来模拟等离子体的流动条件。一旦加速度超过临界值，蛋黄酱就会开始流动。

他们在初步研究中发现的一件事是，在流动变得不稳定之前，软固体(例如蛋黄酱)经历了几个阶段。

“与传统的熔融金属一样，如果你对蛋黄酱施加压力，它就会开始变形，但如果你消除压力，它就会恢复到原来的形状，”他说。“因此，有一个弹性阶段，然后是稳定的塑性阶段。下一个阶段是它开始流动，这就是不稳定性开始出现的时候。”

班纳吉说，了解弹性相和稳定塑性相之间的转变至关重要，因为了解塑性变形何时开始可能会让研究人员知道何时会出现不稳定性。然后，他们会设法控制条件，以保持在这个弹性或稳定塑性阶段。

在他们发表在《物理评论E》上的最新论文中，该团队(包括前研究生和研究的第一作者、2024届博士ArenBoyaci，目前在德国柏林RattundeAG担任数据建模工程师)研究了材料特性、扰动几何(振幅和波长)以及经历瑞利-泰勒不稳定性的材料的加速率。

“我们研究了瑞利-泰勒不稳定性阶段之间的过渡标准，并研究了这些标准如何影响后续阶段的扰动增长，”博亚奇说。“我们发现了弹性恢复的条件，以及如何最大限度地延缓或完全抑制不稳定性。我们提供的实验数据也是文献中首次恢复测量。”

这一发现非常重要，因为它可以为胶囊的设计提供参考，使它们永远不会变得不稳定。

然而，一个迫在眉睫的问题是，该团队的数据如何与实际聚变舱中发生的情况相吻合，实际聚变舱的属性值与实验中使用的软固体有数量级的差异。

“在本文中，我们对数据进行了非维度化处理，希望我们预测的行为能够超越这几个数量级，”班纳吉说。“我们正试图通过在旋转轮中使用蛋黄酱进行模拟实验，提高对这些熔融、高温、高压等离子体胶囊会发生什么情况的可预测性。”

最终，班纳吉和他的团队成为了全球努力的一部分，旨在将核聚变能源的承诺变成现实。

“我们是这个庞大的研究队伍中的一个小齿轮，”他说，“我们都在努力让惯性聚变更便宜，从而实现。”