核融合と超新星における渦輪の謎を解く

渦リングとして知られる渦巻くリング状の擾乱の形成をより深く理解できれば、核融合研究者が燃料をより効率的に圧縮し、燃料を実行可能なエネルギー源に近づけることができる可能性があります。

開発されたモデルミシガン大学 (UM) の研究者らは、星を輝かせる反応に点火しようとする際に失われるエネルギーを最小限に抑える燃料カプセルの設計に役立てることができるかもしれない。 さらに、このモデルは、超音速ジェットエンジンの設計者など、衝撃波通過後の流体の混合を管理しなければならない他の技術者や、超新星を理解しようとしている物理学者にも役立つ可能性がある。

「これらの渦輪は崩壊する星から外側に移動し、最終的には星雲、惑星、さらには新しい星になる物質を宇宙に供給します。そして、核融合爆縮の際には内側に移動し、燃焼する核融合燃料の安定性を破壊し、核融合燃料の効率を低下させます。」反応です」と、UMの機械工学の博士候補者であり、この研究の責任著者であるマイケル・ワダス氏は述べた。

「このような渦のリングがどのように形成されるのかを解明する我々の研究は、科学者が宇宙で最も極端な現象を理解するのに役立ち、人類が核融合の力をエネルギー源として捉えることに一歩近づくことができる」と同氏は述べた。

核融合では、原子が結合するまで原子が押し合わされます。 このプロセスは、今日の原子力発電所に動力を供給する原子の破壊、つまり核分裂よりも数倍多くのエネルギーを放出します。 研究者は、水素をヘリウムに融合させるこの反応を起こすことができますが、現時点では、このプロセスで使用されるエネルギーの多くが無駄になっています。

問題の一部は、燃料をきれいに圧縮できないことです。 不安定性によりホットスポットに侵入するジェットが形成され、その間から燃料が噴き出します。和田氏はこれを、オレンジを手で押しつぶそうとすると、指の間から果汁が漏れ出る様子に例えました。

研究者らは、これらのジェットの先端で形成される渦の輪は、煙の輪、クラゲの後ろの渦、超新星表面から飛び立つプラズマの輪と数学的に似ていることを示した。

おそらく核融合への最も有名なアプローチは、球状の燃料カプセルにすべてのレーザーを向ける球状アレイです。 これが、近年エネルギー出力の記録を繰り返し更新している国立点火施設での実験のセットアップ方法です。

レーザーからのエネルギーは、燃料の周囲の物質層を蒸発させます。これは、2022 年 12 月の最新記録達成で、ほぼ完璧な研究室で製造されたダイヤモンドの殻です。その殻が蒸発すると、炭素原子が外側に飛び出すにつれて、燃料が内側に押しやられます。 。 これにより衝撃波が発生し、燃料が非常に強く押し出されて水素が融合します。

球形の燃料ペレットは、人類がこれまでに作ったものの中で最も完全な円形の物体の一部ですが、それぞれに意図的な欠陥があります。それは、燃料が入る注入管です。 砕いたオレンジにストローが刺さっているように、ここは圧縮が始まるときに渦輪主導のジェットが形成される可能性が最も高い場所であると研究者らは説明した。

「核融合実験は非常に高速で行われるため、ジェットの形成を実際に遅らせる必要があるのは数ナノ秒だけです」と、この研究を監督したマサチューセッツ大学機械工学准教授エリック・ジョンセン氏は述べた。

この研究では、ワダス氏とジョンセン氏の流体力学の専門知識と、核工学と放射線科学の准教授キャロリン・クランツ氏の研究室の核物理学とプラズマ物理学の知識が結集した。

「高エネルギー密度物理学では、多くの研究がこれらの構造を指摘していますが、それらが渦リングであることを明確には特定していません」とワダス氏は述べた。

核融合実験や天体物理学的観測で見られる構造に関する深い研究内容を知っていたワダスとジョンセンは、それらをまったく新しい特徴として説明しようとするのではなく、その既存の知識を活用して拡張することができました。

ジョンセン氏は、地球のような惑星の組成を生成するには何らかの混合プロセスが発生したはずであり、星が爆発する際に、渦輪が重元素と軽い元素の混合を促進するのに役立つ可能性について特に興味を持っている。

このモデルは、研究者が渦リングが運ぶことができるエネルギーの限界と、結果として流れが乱流になりモデル化が困難になる前にどれだけの流体を押し込めるかを理解するのにも役立ちます。 進行中の作業では、チームは実験によって渦リング モデルを検証しています。

この研究にはローレンス・リバモア国立研究所とエネルギー省が資金提供しており、計算リソースは国立科学財団とオークリッジ・リーダーシップ・コンピューティング施設を通じたエクストリーム・サイエンス・アンド・エンジニアリング・ディスカバリー・エンバイロメントから提供されている。

- このプレスリリースはミシガン大学から提供されました。