揭开核聚变和超新星涡旋环的神秘面纱

更好地了解漩涡环状扰动(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，最大限度地减少能量损失，同时试图点燃使恒星发光的反应。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，以及试图理解超新星的物理学家。

“这些涡环从坍缩的恒星向外移动，用最终将成为星云，行星甚至新恒星的物质填充宇宙 - 并在聚变内爆期间向内移动，破坏燃烧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，该研究的通讯作者Michael Wadas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，并使人类更接近捕获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分解原子或裂变的几倍，后者为今天的核电站提供动力。研究人员可以创造这种反应，将氢的形式合并成氦气，但目前，该过程中使用的大部分能量都被浪费了。

部分问题在于燃料不能整齐地压缩。不稳定性导致射流的形成，这些射流渗透到热点中，燃料在它们之间喷出——瓦达斯把它比作试图用手挤压一个橙子，果汁会从你的手指间泄漏出来。

研究人员已经证明，在这些射流的前缘形成的涡旋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球形激光阵列，所有激光都指向一个球形燃料舱。这就是国家点火设施的实验方式，该设施近年来一再打破能源输出记录。

来自激光的能量蒸发了燃料周围的材料层——在 2022 年 <> 月的最新创纪录者中，这是一个近乎完美的实验室培育钻石外壳。当壳体蒸发时，当碳原子向外飞行时，它会将燃料向内驱动。这会产生冲击波，将燃料推得如此之大，以至于氢气融合。

虽然球形燃料颗粒是人类制造过的最完美的圆形物体之一，但每个颗粒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里一样，这是压缩开始时最有可能形成涡环主导射流的地方。

“聚变实验发生得如此之快，以至于我们真的只需要将喷气机的形成延迟几纳秒，”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，但没有清楚地将它们识别为涡环，”Wadas说。

了解了聚变实验和天体物理观测中对结构的深入研究，Wadas和Johnsen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。

约翰森对漩涡环可以帮助驱动恒星爆炸时重元素和轻元素之间的混合的可能性特别感兴趣，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组成。

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且因此难以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。

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