Схема экспериментальной установки с вращающимся колесом, где (a) вращающийся диск, (b) испытательная секция, (c) светодиодный источник света, (d) противовесы, (e) зеркала и (f) высокоскоростная камера. Кредит: Лаборатория турбулентного смешивания/Университет Лихай
Майонез продолжает помогать исследователям лучше понимать физику ядерного синтеза.
«Мы все еще работаем над той же проблемой, а именно над структурной целостностью термоядерных капсул, используемых в инерционном термоядерном синтезе, и Hellmann's Real Mayonnaise все еще помогает нам в поиске решений», — говорит Ариндам Банерджи, профессор машиностроения и механики имени Пола Б. Рейнхольда в Университете Лихай и заведующий кафедрой МЭМ в Колледже инженерии и прикладных наук имени П. К. Россина.
Проще говоря, реакции синтеза — это то, что питает солнце. Если бы этот процесс можно было бы использовать на Земле, ученые полагают, что он мог бы предложить человечеству практически безграничный и чистый источник энергии. Однако воспроизведение экстремальных условий солнца — невероятно сложная задача. Исследователи в различных областях науки и техники, включая Баннерджи и его команду, изучают эту проблему с разных точек зрения.
Инерционный термоядерный синтез — это процесс, который инициирует реакции ядерного синтеза путем быстрого сжатия и нагрева капсул, заполненных топливом, в данном случае изотопами водорода. Подвергаясь воздействию экстремальных температур и давления, эти капсулы плавятся и образуют плазму, заряженное состояние материи, способное генерировать энергию.
«В этих крайностях вы говорите о миллионах градусов Кельвина и гигапаскалях давления, когда пытаетесь смоделировать условия на солнце», — говорит Баннерджи. «Одной из главных проблем, связанных с этим процессом, является то, что плазменное состояние формирует эти гидродинамические нестабильности, которые могут снизить выход энергии».
В своей первой статье по этой теме в 2019 году Баннерджи и его команда исследовали эту проблему, известную как неустойчивость Рэлея-Тейлора. Состояние возникает между материалами разной плотности, когда градиенты плотности и давления находятся в противоположных направлениях, создавая нестабильную стратификацию.
«Мы используем майонез, потому что он ведет себя как твердое тело, но при воздействии градиента давления он начинает течь», — говорит он. Использование приправы также исключает необходимость в высоких температурах и условиях давления, которые чрезвычайно трудно контролировать.
Снимки возмущений с полным упругим восстановлением и неустойчивостью при t = 0, @ t = порог EP и @ t = конец эксперимента. Кредит: Лаборатория турбулентного смешивания/Университет Лихай
Команда Баннерджи использовала специально изготовленную, единственную в своем роде вращающуюся колесную установку в Лаборатории турбулентного смешивания Баннерджи, чтобы имитировать условия потока плазмы. Как только ускорение пересекало критическое значение, майонез начинал течь.
Одной из вещей, которую они выяснили во время этого первоначального исследования, было то, что до того, как поток становился нестабильным, мягкое твердое тело, т. е. майонез, проходило через несколько фаз.
«Как и в случае с традиционным расплавленным металлом, если вы приложите напряжение к майонезу, он начнет деформироваться, но если вы уберете напряжение, он вернется к своей первоначальной форме», — говорит он. «Так что есть упругая фаза, за которой следует стабильная пластичная фаза. Следующая фаза — когда он начинает течь, и вот тут-то и начинается нестабильность».
Понимание этого перехода между упругой фазой и стабильной пластической фазой имеет решающее значение, говорит он, поскольку знание того, когда начинается пластическая деформация, может подсказать исследователям, когда произойдет нестабильность, говорит Баннерджи. Затем они попытаются контролировать состояние, чтобы оставаться в пределах этой упругой или стабильной пластической фазы.
В своей последней статье, опубликованной в Physical Review E, команда (включая бывшего аспиранта и первого автора исследования, доктора философии Арена Боячи 24 года, который сейчас работает инженером по моделированию данных в компании Rattunde AG в Берлине, Германия), рассмотрела свойства материалов, геометрию возмущений (амплитуду и длину волны) и скорость ускорения материалов, которые подвергаются неустойчивости Рэлея-Тейлора.
«Мы исследовали критерии перехода между фазами неустойчивости Рэлея-Тейлора и изучили, как это влияет на рост возмущений в следующих фазах», — говорит Боячи. «Мы нашли условия, при которых упругое восстановление возможно, и как его можно максимизировать, чтобы задержать или полностью подавить неустойчивость. Экспериментальные данные, которые мы представляем, также являются первыми измерениями восстановления в литературе».
Это открытие важно, поскольку оно может дать информацию о конструкции капсул таким образом, чтобы они никогда не становились нестабильными.
Однако возникает вопрос о том, как данные команды вписываются в то, что происходит в реальных термоядерных капсулах, значения свойств которых на порядки отличаются от мягких твердых тел, используемых в их экспериментах.
«В этой статье мы обезразмерили наши данные в надежде, что поведение, которое мы предсказываем, превзойдет эти несколько порядков величины», — говорит Баннерджи. «Мы пытаемся повысить предсказуемость того, что произойдет с этими расплавленными, высокотемпературными, высоконапорными плазменными капсулами с помощью этих аналоговых экспериментов с использованием майонеза во вращающемся колесе».
В конечном счете, Баннерджи и его команда являются частью глобальных усилий по превращению обещания термоядерной энергии в реальность.
«Мы — еще одна шестеренка в этом гигантском колесе исследователей», — говорит он. «И мы все работаем над тем, чтобы сделать инерциальный синтез более дешевым и, следовательно, достижимым».
Дополнительная информация: Арен Боячи и др., Переход к пластическому режиму для неустойчивости Рэлея-Тейлора в мягких твердых телах, Physical Review E (2024). DOI: 10.1103/PhysRevE.109.055103
Информация о журнале: Physical Review E
Предоставлено Университетом Лихай
