Démystifier les anneaux de vortex dans la fusion nucléaire, les supernovae

Une meilleure compréhension de la formation de perturbations tourbillonnantes en forme d'anneaux, connues sous le nom d'anneaux vortex, pourrait aider les chercheurs en fusion nucléaire à compresser le combustible plus efficacement, le rapprochant ainsi d'une source d'énergie viable.

Le modèle élaboré par des chercheurs de l'Université du Michigan (UM) pourrait aider à la conception de la capsule de carburant, minimisant l'énergie perdue tout en essayant de déclencher la réaction qui fait briller les étoiles. De plus, le modèle pourrait aider d'autres ingénieurs qui doivent gérer le mélange de fluides après le passage d'une onde de choc, tels que ceux qui conçoivent des moteurs à réaction supersoniques, ainsi que des physiciens essayant de comprendre les supernovae.

"Ces anneaux de vortex se déplacent vers l'extérieur de l'étoile qui s'effondre, peuplant l'univers avec les matériaux qui finiront par devenir des nébuleuses, des planètes et même de nouvelles étoiles - et vers l'intérieur pendant les implosions de fusion, perturbant la stabilité du combustible de fusion brûlant et réduisant l'efficacité du réaction », a déclaré Michael Wadas, doctorant en génie mécanique à l'UM et auteur correspondant de l'étude.

"Notre recherche, qui explique comment ces anneaux de vortex se forment, peut aider les scientifiques à comprendre certains des événements les plus extrêmes de l'univers et rapprocher l'humanité de la capture de la puissance de la fusion nucléaire en tant que source d'énergie", a-t-il déclaré.

La fusion nucléaire pousse les atomes ensemble jusqu'à ce qu'ils fusionnent. Ce processus libère plusieurs fois plus d'énergie que la rupture d'atomes, ou la fission, qui alimente les centrales nucléaires d'aujourd'hui. Les chercheurs peuvent créer cette réaction, fusionnant des formes d'hydrogène en hélium, mais à l'heure actuelle, une grande partie de l'énergie utilisée dans le processus est gaspillée.

Une partie du problème est que le carburant ne peut pas être proprement compressé. Les instabilités provoquent la formation de jets qui pénètrent dans le point chaud, et le carburant jaillit entre eux - Wadas a comparé cela à essayer d'écraser une orange avec vos mains, comment le jus s'écoulerait entre vos doigts.

Les anneaux de vortex qui se forment au bord d'attaque de ces jets, ont montré les chercheurs, sont mathématiquement similaires aux anneaux de fumée, aux tourbillons derrière les méduses et aux anneaux de plasma qui s'envolent de la surface d'une supernova.

L'approche la plus célèbre de la fusion est peut-être un réseau sphérique de lasers pointant tous vers une capsule sphérique de combustible. C'est ainsi que des expériences sont mises en place au National Ignition Facility, qui a battu à plusieurs reprises des records de production d'énergie ces dernières années.

L'énergie des lasers vaporise la couche de matériau autour du carburant - une coquille de diamant presque parfaite, cultivée en laboratoire dans le dernier record en décembre 2022. Lorsque cette coquille se vaporise, elle entraîne le carburant vers l'intérieur alors que les atomes de carbone volent vers l'extérieur . Cela génère une onde de choc, qui pousse le carburant si fort que l'hydrogène fusionne.

Alors que les pastilles de carburant sphériques sont parmi les objets les plus parfaitement ronds que les humains aient jamais fabriqués, chacune a un défaut délibéré : un tube de remplissage, où le carburant entre. Comme une paille coincée dans cette orange écrasée, c'est l'endroit le plus susceptible de former un jet dirigé par un anneau vortex lorsque la compression commence, ont expliqué les chercheurs.

"Les expériences de fusion se déroulent si rapidement que nous n'avons vraiment qu'à retarder la formation du jet de quelques nanosecondes", a déclaré Eric Johnsen, professeur agrégé de génie mécanique à l'UM, qui a supervisé l'étude.

L'étude a réuni l'expertise en mécanique des fluides de Wadas et Johnsen ainsi que les connaissances en physique nucléaire et plasma du laboratoire de Carolyn Kuranz, professeure agrégée de génie nucléaire et de sciences radiologiques.

"En physique à haute densité d'énergie, de nombreuses études soulignent ces structures, mais ne les ont pas clairement identifiées comme des anneaux de vortex", a déclaré Wadas.

Connaissant l'étendue des recherches sur les structures observées dans les expériences de fusion et les observations astrophysiques, Wadas et Johnsen ont pu s'appuyer sur et étendre ces connaissances existantes plutôt que d'essayer de les décrire comme des caractéristiques complètement nouvelles.

Johnsen est particulièrement intéressé par la possibilité que les anneaux de vortex puissent aider à entraîner le mélange entre les éléments lourds et les éléments plus légers lorsque les étoiles explosent, car un processus de mélange a dû se produire pour produire la composition de planètes comme la Terre.

Le modèle peut également aider les chercheurs à comprendre les limites de l'énergie qu'un anneau vortex peut transporter et la quantité de fluide qui peut être poussée avant que l'écoulement ne devienne turbulent et plus difficile à modéliser en conséquence. Dans le cadre de travaux en cours, l'équipe valide le modèle d'anneau vortex avec des expériences.

La recherche est financée par le Lawrence Livermore National Laboratory et le Department of Energy, avec des ressources informatiques fournies par l'Extreme Science and Engineering Discovery Environment via la National Science Foundation et l'Oak Ridge Leadership Computing Facility.

- Ce communiqué de presse a été fourni par l'Université du Michigan