Michigan Üniversitesi araştırmacıları, girdap halkalarının oluşumunu daha iyi anlamak için bir model geliştirdiler. Bu model, nükleer füzyon için yakıtın verimli bir şekilde sıkıştırılmasına ve ayrıca şok sonrası dalganın sıvı karışımına yardımcı olabilir. Bu model yalnızca füzyon araştırmacıları için değil, aynı zamanda süpersonik jet motoru tasarımındaki mühendisler ve süpernovaları inceleyen fizikçiler için de faydalıdır.
Mühendisler, enerji üretimi ve diğer alanlardaki girdapların davranışları üzerinde daha iyi kontrol sahibi olabilir. bu girdapları duman halkaları gibi daha fazla yaya tipiyle ilişkilendiren matematiksel bir modele sahip uygulamalar.
Dönen, halka şeklindeki düzensizlikler olan girdap halkalarının oluşumu hakkında daha derin bilgiler edinmek, nükleer füzyon bilim adamlarının yakıtı daha etkili bir şekilde sıkıştırmasına yardımcı olabilir. Bu, bizi nükleer füzyonu geçerli bir enerji kaynağı olarak kullanmaya potansiyel olarak bir adım daha yaklaştıracaktır.
Michigan Üniversitesi’ndeki araştırmacılar tarafından geliştirilen model, deneme sırasında kaybedilen enerjiyi en aza indirerek yakıt kapsülünün tasarımına yardımcı olabilir. yıldızların parlamasını sağlayan reaksiyonu ateşlemek için. Ayrıca model, süpersonik jet motorları tasarlayanlar gibi bir şok dalgası geçtikten sonra sıvıların karışmasını yönetmesi gereken diğer mühendislere ve süpernovaları anlamaya çalışan fizikçilere yardımcı olabilir.
“Bu girdap halkaları çöken yıldızdan dışarı doğru hareket ederek evreni sonunda nebulalar, gezegenler ve hatta yeni yıldızlar haline gelecek malzemelerle dolduruyor ve füzyon patlamaları sırasında içe doğru yanan füzyon yakıtının kararlılığını bozuyor ve reaksiyonun etkinliğini azaltıyor” dedi. Michael Wadas, U-M’de makine mühendisliği alanında doktora adayı ve çalışmanın ilgili yazarı.
Bir jetin ön kenarında oluşan bir girdap halkasını gösteren, bir şoktan oluşturulmuş bir 3D simülasyon iki farklı sıvı arasındaki bir arayüzden geçen dalga. Kaynak: Michael Wadas, Michigan Üniversitesi Bilimsel Hesaplama ve Akış Fiziği Laboratuvarı.
“Bu tür girdap halkalarının nasıl oluştuğunu açıklayan araştırmamız, bilim adamlarının evrendeki en aşırı olaylardan bazılarını anlamalarına yardımcı olabilir. ve insanlığı bir enerji kaynağı olarak nükleer füzyonun gücünü yakalamaya bir adım daha yaklaştıralım,” dedi.
Nükleer füzyon, atomları birleşene kadar bir araya getirir. Bu süreç, günümüzün nükleer santrallerine güç veren atomları parçalamaktan veya fisyondan birkaç kat daha fazla enerji açığa çıkarır. Araştırmacılar, hidrojen formlarını helyuma dönüştürerek bu reaksiyonu oluşturabilirler, ancak şu anda süreçte kullanılan enerjinin çoğu boşa gitmektedir.
Problemin bir kısmı, yakıtın düzgün bir şekilde sıkıştırılamamasıdır. Kararsızlıklar, sıcak noktaya nüfuz eden jetlerin oluşumuna neden olur ve yakıt aralarından fışkırır. Wadas, bunu ellerinizle bir portakalı ezmeye çalışmaya benzeterek, meyve suyunun parmaklarınızın arasından sızmasına benzetmiştir.
Vorteks halkaları araştırmacılar, bu jetlerin ön kenarlarında oluşanların matematiksel olarak duman halkalarına, denizanalarının arkasındaki girdaplara ve bir süpernovanın yüzeyinden uçan plazma halkalarına benzediğini gösterdi.
Belki de en ünlü yaklaşım Füzyon, hepsi küresel bir yakıt kapsülüne işaret eden küresel bir lazer dizisidir. Son yıllarda defalarca enerji üretimi rekorları kıran Ulusal Ateşleme Tesisi’nde deneyler bu şekilde kuruluyor.
Bu grafik, arasındaki arayüzden bir şok dalgası geçtiğinde ne olduğunu gösteriyor. iki farklı sıvı. Resmin üst yarısı başlangıç durumunu gösterir. Koyu camgöbeği rengindeki üst kısım, sıvının girdabını veya bu girdaplı akışlara hangi bölümlerin girdiğini gösterir (başlangıçta hiçbiri yoktur). İkinci katman sıvının yoğunluğunu gösterir. Lacivert daha az yoğundur, sarı ve yeşil ise aynı yoğunluktadır – sadece şok dalgasının zıt taraflarında bulunurlar. Daha yoğun sıvı, daha az yoğun sıvının içine doğru çıkıntı yapar ve iki sıvı arasındaki ilk arayüz noktalı çizgi ile işaretlenir. Bu başlangıç noktasından itibaren şok dalgası geçer. Bir jet, önünde şok dalgasının zıt yönünde hareket eden bir girdap halkası ile daha yoğun sıvıyı iter. Dönen akışlar girdap panelinde açık deniz mavisi ile gösterilirken girdapların kenarları turuncu renkte gösterilir. Kredi: Michael Wadas, Michigan Üniversitesi Bilimsel Hesaplama ve Akış Fiziği Laboratuvarı.
Lazerlerden gelen enerji, yakıtın etrafındaki malzeme katmanını buharlaştırır; Aralık 2022’deki en son rekor kıran. Bu kabuk buharlaştığında, karbon atomları dışarı doğru uçarken yakıtı içeriye doğru sürüyor. Bu, yakıtı o kadar sert iten bir şok dalgası oluşturur ki, hidrojen kaynaşır.
Küresel yakıt peletleri, insanların şimdiye kadar yaptığı en mükemmel yuvarlak nesnelerden bazıları olsa da, her birinin kasıtlı bir kusuru vardır: bir doldurma tüpü, yakıtın girdiği yer. Araştırmacılar, ezilmiş portakalın içine saplanmış bir saman çöpü gibi, sıkıştırma başladığında girdap halkalı bir jetin oluşması için en olası yerin burası olduğunu açıkladı.
“Füzyon deneyleri o kadar hızlı gerçekleşiyor ki, biz gerçekten sadece U-M’de makine mühendisliği doçenti ve çalışmayı denetleyen Eric Johnsen, “jet oluşumunu birkaç nanosaniye geciktirmek zorundayım” dedi.
Çalışma, Wadas ve Johnsen’in akışkanlar mekaniği uzmanlığını bir araya getirdi. nükleer mühendislik ve radyoloji bilimleri doçenti Carolyn Kuranz’ın laboratuvarındaki nükleer ve plazma fiziği bilgisinin yanı sıra.
“Yüksek enerji yoğunluğu fiziğinde, birçok araştırma bu yapılara işaret ediyor, ancak bugüne kadar Bunların girdap halkaları olduğunu net bir şekilde tanımlayamadık,” dedi Wadas.
Füzyon deneylerinde ve astrofiziksel gözlemlerde görülen yapılara ilişkin kapsamlı araştırmaları bilen Wadas ve Johnsen, bu mevcut bilgilerden yararlanıp bunları genişletebildiler. bunları tamamen yeni özellikler olarak tanımlamaya çalışmak yerine.
Johnsen, girdap halkalarının, yıldızlar patladığında ağır elementler ile hafif elementler arasındaki karışımı yönlendirmeye yardımcı olabileceği olasılığıyla özellikle ilgileniyor, çünkü bazı karıştırma işlemleri gerçekleşmiş olmalı. Dünya gibi gezegenlerin bileşimini üretir.
Model ayrıca araştırmacıların bir girdap halkasının taşıyabileceği enerjinin sınırlarını ve akış türbülanslı hale gelmeden ve modellemesi zorlaşmadan önce ne kadar sıvının itilebileceğini anlamalarına yardımcı olabilir. sonuç. Ekip, devam eden çalışmasında girdap halkası modelini deneylerle doğruluyor.
Referans: “Saturation of Vortex Rings Ejected from Shock-Accelerated Interfaces”, yazan Michael J. Wadas, Loc H. Khieu, Griffin S. Cearley , Heath J. LeFevre, Carolyn C. Kuranz ve Eric Johnsen, 12 Mayıs 2023, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.194001
Araştırma Lawrence tarafından finanse edilmektedir National Science Foundation ve Oak Ridge Leadership Computing Facility aracılığıyla Extreme Science and Engineering Discovery Environment tarafından sağlanan hesaplama kaynaklarıyla Livermore Ulusal Laboratuvarı ve Enerji Bakanlığı.