Anelli di vortice demistificanti nella fusione nucleare e nelle supernove

Una migliore comprensione della formazione di disturbi vorticosi a forma di anello, noti come anelli di vortice, potrebbe aiutare i ricercatori sulla fusione nucleare a comprimere il carburante in modo più efficiente, avvicinandolo a diventare una fonte di energia praticabile.

Il modello sviluppato dai ricercatori dell’Università del Michigan (UM) potrebbe aiutare nella progettazione della capsula del carburante, riducendo al minimo l’energia persa durante il tentativo di innescare la reazione che fa brillare le stelle. Inoltre, il modello potrebbe aiutare altri ingegneri che devono gestire la miscelazione dei fluidi dopo il passaggio di un’onda d’urto, come quelli che progettano motori a reazione supersonici, così come i fisici che cercano di comprendere le supernovae.

"Questi anelli di vortice si muovono verso l'esterno dalla stella che collassa, popolando l'universo con i materiali che alla fine diventeranno nebulose, pianeti e persino nuove stelle, e verso l'interno durante le implosioni di fusione, interrompendo la stabilità del combustibile di fusione in combustione e riducendo l'efficienza della fusione. reazione", ha affermato Michael Wadas, dottorando in ingegneria meccanica presso l'UM e autore corrispondente dello studio.

"La nostra ricerca, che chiarisce come si formano tali anelli di vortice, può aiutare gli scienziati a comprendere alcuni degli eventi più estremi dell'universo e portare l'umanità un passo avanti verso la cattura del potere della fusione nucleare come fonte di energia", ha affermato.

La fusione nucleare spinge gli atomi insieme finché non si fondono. Questo processo rilascia molte volte più energia rispetto alla rottura degli atomi o alla fissione, che alimenta le attuali centrali nucleari. I ricercatori possono creare questa reazione, fondendo forme di idrogeno in elio, ma al momento gran parte dell’energia utilizzata nel processo viene sprecata.

Parte del problema è che il carburante non può essere compresso in modo preciso. Le instabilità causano la formazione di getti che penetrano nell'hotspot e il carburante fuoriesce tra di essi: Wadas lo ha paragonato al tentativo di schiacciare un'arancia con le mani, al modo in cui il succo fuoriesce tra le dita.

Gli anelli di vortice che si formano sul bordo anteriore di questi getti, hanno dimostrato i ricercatori, sono matematicamente simili agli anelli di fumo, ai vortici dietro le meduse e agli anelli di plasma che volano via dalla superficie di una supernova.

Forse l’approccio più famoso alla fusione è una serie sferica di laser puntati tutti verso una capsula sferica di carburante. È così che vengono organizzati gli esperimenti presso il National Ignition Facility, che negli ultimi anni ha ripetutamente battuto i record di produzione di energia.

L’energia dei laser vaporizza lo strato di materiale attorno al carburante: un guscio di diamante quasi perfetto, coltivato in laboratorio nell’ultimo record del dicembre 2022. Quando quel guscio vaporizza, spinge il carburante verso l’interno mentre gli atomi di carbonio volano verso l’esterno . Ciò genera un'onda d'urto, che spinge il carburante così forte che l'idrogeno si fonde.

Sebbene le palline di combustibile sferiche siano alcuni degli oggetti più perfettamente rotondi mai realizzati dall'uomo, ognuna ha un difetto deliberato: un tubo di riempimento, dove entra il carburante. Come una cannuccia incastrata in un'arancia schiacciata, questo è il luogo più probabile in cui si forma un getto guidato da un anello di vortice quando inizia la compressione, hanno spiegato i ricercatori.

"Gli esperimenti di fusione avvengono così velocemente che dobbiamo ritardare la formazione del getto solo di pochi nanosecondi", ha affermato Eric Johnsen, professore associato di ingegneria meccanica alla UM, che ha supervisionato lo studio.

Lo studio ha riunito le competenze di meccanica dei fluidi di Wadas e Johnsen, nonché le conoscenze di fisica nucleare e del plasma nel laboratorio di Carolyn Kuranz, professore associato di ingegneria nucleare e scienze radiologiche.

"Nella fisica ad alta densità di energia, molti studi evidenziano queste strutture, ma non le hanno chiaramente identificate come anelli di vortici", ha detto Wadas.

Conoscendo il profondo corpus di ricerche sulle strutture osservate negli esperimenti di fusione e nelle osservazioni astrofisiche, Wadas e Johnsen sono stati in grado di attingere ed estendere la conoscenza esistente piuttosto che cercare di descriverle come caratteristiche completamente nuove.