2024年8月6日《Physics World》對該消息的報道：
Lehigh University機械工程和力學(xué)系的Paul B. Reinhold教授，以及P.C. Rossin工程學(xué)院和應(yīng)用科學(xué)系MEM系主任Arindam Banerjee指出：“我們正致力于解決慣性約束聚變中一個關(guān)鍵問題——聚變艙的結(jié)構(gòu)完整性。而蛋黃醬可以幫助我們尋找解決方案。"
旋轉(zhuǎn)輪實驗設(shè)施的示意圖，其中 (a) 旋轉(zhuǎn)盤，(b) 測試區(qū)，(c) LED光源，(d) 配重，(e) 鏡子，和 (f) 高速攝像機。圖片來源：Lehigh University湍流混合實驗室 蛋黃醬繼續(xù)幫助研究人員更好地理解核聚變背后的物理原理
簡單來說，聚變反應(yīng)是太陽的動力。如果這個過程能在地球上被利用，科學(xué)家們相信它可以為人類提供幾乎無限的清潔能源。然而，復(fù)制太陽的極端條件是一個極其復(fù)雜的挑戰(zhàn)。包括Banerjee和他的團隊在內(nèi)的跨學(xué)科的科學(xué)家和工程師們，正從多個角度研究這個問題。
慣性約束聚變是一種通過快速壓縮和加熱含有氫同位素燃料的靶丸來引發(fā)核聚變反應(yīng)的技術(shù)。當這些靶丸暴露于極端的溫度和壓力下，內(nèi)部的燃料會轉(zhuǎn)化為等離子體，這是一種能夠產(chǎn)生巨大能量的高能狀態(tài)。
“在核聚變實驗中，我們試圖復(fù)現(xiàn)太陽內(nèi)部的極端環(huán)境，這涉及到數(shù)百萬度的高溫和高達千兆斯卡級別的壓力。”然而，正如Banerjee博士所指出的，“與這一過程相關(guān)的主要問題之一是等離子體狀態(tài)會形成這些流體動力學(xué)不穩(wěn)定性，從而降低能量產(chǎn)量。”
在他們2019年關(guān)于這個話題的第一篇論文中，Banerjee和他的團隊研究了這個問題，即所謂的Rayleigh-Taylor不穩(wěn)定性。當不同密度材料之間的密度和壓力梯度方向相反時，就會產(chǎn)生這種條件，從而形成不穩(wěn)定的分層。
Banerjee博士解釋說，選擇蛋黃醬作為實驗材料是因為它具有獨特的流動性質(zhì)：在沒有壓力的情況下，它表現(xiàn)得像固體;而一旦施加壓力，它就會流動，類似于在壓力梯度影響下的核聚變?nèi)剂稀＿@種方法巧妙地避開了在實驗中直接處理極高溫度和壓力的復(fù)雜性，因為這些極端條件通常很難控制。通過這種替代，研究人員能夠在一個更加溫和和易于管理的環(huán)境中，探索和理解核聚變過程中的物理現(xiàn)象。
在 t = 0、@ t = EP 閾值和 @ t = 實驗結(jié)束時，具有完全彈性恢復(fù)和不穩(wěn)定性擾動的快照。圖片來源：湍流混合實驗室/Lehigh University
Banerjee博士指出，“蛋黃醬在受壓時的行為與核聚變中使用的金屬類似：一開始，它會像固體一樣發(fā)生形變;壓力移除后，又能恢復(fù)原狀，這表明它經(jīng)歷了一個彈性階段。隨后，它進入一個穩(wěn)定的塑性階段，在這個階段，材料即使在應(yīng)力作用下也不會恢復(fù)到原始狀態(tài)。當?shù)包S醬開始流動時，就進入了一個新的階段，此時流體動力學(xué)的不穩(wěn)定性開始顯現(xiàn)，這種不穩(wěn)定性可能會影響材料的流動特性和能量轉(zhuǎn)換效率。”簡而言之，當?shù)包S醬開始流動，它的行為就變得不穩(wěn)定，這與核聚變過程中可能遇到的問題相似。
他還說，理解彈性階段和穩(wěn)定塑性階段之間的過渡至關(guān)重要，因為知道塑性變形何時開始可能會提醒研究人員何時會發(fā)生不穩(wěn)定性。然后，他們將尋求控制條件，以保持在這個彈性或穩(wěn)定塑性階段。
在他們最近發(fā)表于《物理評論E》的論文中，該研究團隊(包括前研究生、論文第一作者Aren Boyaci博士，他目前在德國柏林的Rattunde AG公司擔任數(shù)據(jù)建模工程師)深入探討了材料在Rayleigh-Taylor不穩(wěn)定性下的物理特性、擾動的幾何形態(tài)(包括振幅和波長)，以及材料的加速度變化。
Boyaci 博士解釋說，他們的研究專注于Rayleigh-Taylor不穩(wěn)定性不同階段間的過渡條件，并分析了這些條件如何影響后續(xù)階段中擾動的增長。他們揭示了實現(xiàn)彈性恢復(fù)的條件，并探索了如何通過優(yōu)化這些條件來推遲或徹底防止不穩(wěn)定性的發(fā)生。此外，他們提供的實驗數(shù)據(jù)標志著在該領(lǐng)域首次記錄了恢復(fù)過程的測量結(jié)果。
這項發(fā)現(xiàn)至關(guān)重要，因為它有助于設(shè)計更穩(wěn)定的聚變靶，防止其在核聚變過程中出現(xiàn)不穩(wěn)定性。
然而，團隊的數(shù)據(jù)如何適應(yīng)實際的聚變靶，其屬性值與他們實驗中使用的軟固體相差幾個數(shù)量級，這是一個懸而未決的問題。
Banerjee教授指出，在他們的研究論文中，他們采用了一種特殊的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，即無量綱化，以便他們的理論預(yù)測不受特定尺度的限制，能夠適用于各種不同級別的條件。通過在旋轉(zhuǎn)輪中使用蛋黃醬的模擬實驗，他們希望能夠更準確地預(yù)測在高溫高壓環(huán)境下熔融等離子體的行為。
Banerjee教授和他的團隊是全球推動核聚變能源研究的一份子，他們的目標是讓這項技術(shù)更加經(jīng)濟實用，最終實現(xiàn)核聚變能源的廣泛應(yīng)用。
