揭开核聚变和超新星中涡旋环的神秘面纱

中间:ICF胶囊内爆过程中的实验(上)和模拟(下)x射线自发射。
右图:来自RMI模拟的体积分
【菜科解读】
左:多模激波流体层实验的发展。
中间:ICF胶囊内爆过程中的实验(上)和模拟(下)x射线自发射。
右图:来自RMI模拟的体积分数。
红色箭头表示可能的涡环和偶极子。
所有图片均经许可转载。
Credit: Physical Review Letters (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.194001
据密歇根大学:更好地理解漩涡状环形扰动的形成——被称为涡环——可以帮助核聚变研究人员更有效地压缩燃料,使其更接近成为一种可行的能源。
密歇根大学研究人员开发的模型可以帮助设计燃料舱,最大限度地减少试图点燃让恒星发光的反应时的能量损失。
此外,该模型还可以帮助其他必须在冲击波通过后管理流体混合的工程师,如设计超音速喷气发动机的工程师,以及试图了解超新星的物理学家。
“这些涡环从塌缩的恒星向外移动,将最终成为星云、行星甚至新恒星的物质填充到宇宙中——并在聚变内爆期间向内移动,破坏了燃烧的聚变燃料的稳定性,降低了反应的效率,”U-M大学机械工程博士生兼该研究的通讯作者Michael Wadas说。
他说:“我们的研究阐明了这种涡环是如何形成的,可以帮助科学家了解宇宙中一些最极端的事件,并使人类更接近于捕捉核聚变作为一种能源的力量。
”
核聚变将原子推到一起,直到它们融合。
这一过程释放的能量比分裂原子或裂变多几倍,这为今天的核电站提供了动力。
研究人员可以创造这种反应,将各种形式的氢合并到氦中,但目前,这个过程中使用的大部分能量都被浪费了。
部分问题是燃料不能被整齐地压缩。
不稳定性导致喷流的形成,喷入热点,燃料在喷流之间喷出——Wadas将其比作试图用手挤压橙子,果汁会从手指间漏出。
研究人员表明,在这些射流的前沿形成的涡环在数学上类似于烟环、水母后面的漩涡和从超新星表面飞出的等离子体环。
也许最着名的聚变方法是一个球形激光阵列,所有激光都指向一个球形燃料舱。
这就是在国家点火装置上进行实验的方法,该装置近年来多次打破能量输出的记录。
来自激光的能量蒸发了燃料周围的材料层——这是一个近乎完美的实验室生长的钻石外壳,于2022年12月创下最新纪录。
当外壳蒸发时,它驱使燃料向内,同时碳原子向外飞出。
这产生了冲击波,将燃料推得如此之重,以至于氢气熔化。
虽然球形燃料芯块是人类制造的最完美的圆形物体,但每个都有一个故意的缺陷:燃料进入的填充管。
研究人员解释说,就像一根稻草卡在压碎的橙子中一样,当压缩开始时,这是最有可能形成涡环引导的射流的地方。
“聚变实验发生得如此之快,以至于我们真的只需要将喷流的形成延迟几纳秒,”U-M大学机械工程副教授埃里克·约翰森说,他负责监督这项研究。
这项研究汇集了Wadas和Johnsen的流体力学专业知识,以及核工程和放射科学副教授Carolyn Kuranz实验室的核和等离子体物理知识。
“在高能量密度物理学中,许多研究指出了这些结构,但没有明确地将它们识别为涡环,”Wadas说。
Wadas和Johnsen对聚变实验和天体物理观测中看到的结构的深入研究有所了解,他们能够利用和扩展现有的知识,而不是试图将它们描述为全新的特征。
约翰森特别感兴趣的是,当恒星爆炸时,涡环可能有助于推动重元素和轻元素之间的混合,因为一定发生了一些混合过程,从而产生了像地球这样的行星的成分。
该模型还可以帮助研究人员了解涡环可以携带的能量极限,以及在流动变得湍流并因此更难建模之前可以推动多少流体。
在正在进行的工作中,该团队正在通过实验验证涡环模型。
这项研究发表在《物理评论快报》杂志上。
光速飞行的针撞击地球?地球会消失?撞击能量
有些人根据爱因斯坦的相对论,以此提出了很多假设,可是详细的论证之后才发现,这样的假设也是不存在的。
光速运动的针有人认为针在达到光速的时候,撞击地球极有可能会带来巨大的威力。
了解了爱因斯坦的相对论之后,会发现物体的速度加快,静止时的质量并没有因此而发生改变,而动质量则会无限值的增大,最后超出了实数范围。
按照爱因斯坦的理论,宇宙中根本没有物体的速度能够达到光速,现在光速的物体都是科学家的假设。
撞击地球能量人们之所以会提出这样的假设,也是想知道针以这样的速度对地球进行撞击,究竟会产生多大的能量。
当然,从理论上来看,这根针能够产生的能量相当于两颗炸弹,它的威力是我们根本想象不到。
可是这仅仅是理想的状况,实际在运动的过程中,针在接近地球的过程中,会因为和氢、氦元素的聚变反应,从而释放出很大的热量。
铁原子在热量的作用下会发生爆炸,大气层中会产生很大的冲击波。
微观的角度很多人从微观的角度,试图进一步对针撞击地球的过程进行模拟,可是他们发现针以光速向地球运动的过程中,最后会造成电子和电子的碰撞,这样的碰撞不会发生偏移,反而会让它们全部解体。
尽管在我们看来光子的能量很高,,可是光子想要扭曲时空需要的引力是巨大的,仅仅一根针穿过地球,根本不可能达到人类设想的结果。
这个问题的提出,利用科学的角度能够消灭人们的恐慌心理,一切疑问在物理理论的验证下,都能很快的得到解决。
正能量小品剧本:差距
(刘主任从舞台左侧出现) 刘主任:(打电话)喂,书记啊,刚分来的那个研究生马上就到项目部了,可是项目部的房子都住满了,怎么办啊? (后台声音):那就先安排他直接到第一架子队住吧,正好和老蔡师傅住一起。
刘主任:和老蔡,那是农民工宿舍区,是不是不太合适啊? (后台声音):什么农民工,是架子队的员工,跟咱职工是一样的,告诉他要虚心向蔡师傅多学习一些现场的知识,对他自己的成长有好处。
刘主任:好的,好的。
(此时,小范拉着行李箱从舞台右侧走上台) (刘主任看到小范一上台,急匆匆迎上去和小范握手)哎呀,是范同学吧? 小范:您好。
叫我小范就行。
(彬彬有礼的说) 刘主任:(用羡慕的眼光看着对方)我是项目部办公室主任,我姓刘。
听说我们项目部分来了一位名牌大学的研究生,领导让我亲自来接你。
走吧,先安排你住下,晚上领导为你接风。
(接过小范手中的行李从舞台上走过) 刘主任:这边这边,到了。
小范:刚才走过的那个不就是生活区吗? 刘主任:啊,是这样的,那边是职工宿舍,这边是民工生活区,不对,不对,是架子队生活区,那边住满了,现在只能安排你住在架子队的宿舍了。
小范:架子队?是什么意思? 刘主任:架子队就是职工和民工组合的队伍。
小范:等等,你的意思是,要我,要我和农民工一起住了。
刘主任:蔡师傅可不是一般人,很多人都想拜他为师呢。
小范:刘主任啊,我喜欢晚上看书,喜欢安静,您再和领导说说,给我换个单间吧。
刘主任:领导说了,随后再给你调个房间。
这是暂时的。
(两人来到门前) 刘主任:蔡师傅,蔡师傅—— 老蔡:(在屋里一会儿翻看着书,一会儿摆弄着东西,时而在纸上写着什么)门没锁,进来吧。
刘主任:蔡师傅,这位是新来的大学生,桥梁隧道专业的研究生小范。
以后就跟你一个屋了。
小范,这位是咱项目上的优秀农民工党员,也是现场的一把好手,蔡师傅。
老蔡:(起来用衣服擦擦手,伸出手)你好,小伙子,欢迎,欢迎。
小范:(看着蔡师傅油乎乎的手,做了久仰的姿势)打扰了打扰了—— (小范拉着刘主任到一边) 小范:不是吧刘主任,你看这屋子什么东西都有,(指着地上)钢筋,螺丝帽,扎丝,你看你看,什么都有。
刘主任:蔡师傅是喜欢捣腾这些东西,还搞出很多小发明呢。
(说完,去看着蔡师傅桌子上的小玩意) 小范:(对观众说)不行,我还是要想办法搬出去啊。
蔡师傅—— 蔡师傅:什么事小范 小范:蔡师傅你也知道我这刚毕业,在大学里待习惯了,晚上睡觉晚,还闹腾,会耽误你休息的,你看—— 老蔡:(惊喜)哦,你也睡觉晚,那实在是太好了,我正担心我这不受欢迎的夜猫子习惯影响你,这下放心了。
小范:那我睡觉爱开灯 老蔡:我喜欢亮堂。
小范:我睡觉磨牙打呼噜。
老蔡:真的吗? 小范:真的。
老蔡:那更好了,我每天不听听电锯和振捣的声音就睡不好。
小范:(对观众)有没有搞错,这什么人啊。
要命啊。
蔡师傅:小范,帮我看看这个,正想去找一个技术员问问呢。
小范:你说? 蔡师傅:(拿个小本)帮我计算下这个要起吊桩头的重量。
小范:(在本子上写着)这个桩头要按这个计算方式计算,就得出来了。
蔡师傅:哦,原来是这样算的。
小范:蔡师傅,咱们的钻孔桩都结束了吗? 蔡师傅:没有,还有引桥的桩还没结束。
小范:我原来实习的时候,看到钻机的钻头老是被卡住,是怎么回事啊? 蔡师傅 :(思考)嗯,你这原因有几个,处理办法 小范:那引起了护筒底部孔壁坍塌了怎么办? 蔡师傅: 小范:原来有这么多因素啊,现场知识真的很重要。
刘主任:小范,服气了吧,蔡师傅曾荣获过大桥局十大优秀农民工和装吊工比赛岗位能手称号。
在咱们大桥局可是鼎鼎有名的先进人物啊。
小范:是吗,还真没看出来。
老蔡:这些啊,都是领导的照顾。
感谢党给我机会。
平常老老实实干活,活干得多了见得多了,也能帮现场解决点小问题,空闲时间琢磨点事,干起活来能省时省力些。
人总要学习嘛!咱不能老了老了结果掉队了,是吧!咱们这里的年轻人都让着我这老头儿,一来二去奖状也多了,电视台也来了,还拉着我去演讲,这俺哪会啊。
有一次有个单位要聘俺去南方,俺还是好好的守住黄河好啊。
哪也不想去。
小范:你说别的地方都高薪聘你?真的假的? 老蔡:对啊,他们说的薪水都吓死俺了,但是那些都不适合俺,俺在大桥干了一辈子了,俺就想跟着大桥局,现在搞架子队,我第一个报了名。
小范:(对着观众)呃——这是什么世道啊。
我研究生毕业找个工作都不好找,毕业的时候去参加学校里的一个招聘会,正在展台前排队呢,忽然一名工作人员走过来问:“这里有研究生吗?”大家疑惑不解:难道研究生就厉害了?!接着他又说:“研究生不用排队!”我正高兴呢,最后他来了句:“研究生我们不招,排了也没用,不要浪费时间等了!”我当场就晕了。
老蔡:这就是理论知识和实践经验的差距啊! 小范:我也在工地实习过两个夏天啊! 老蔡:哦!来,大学生你看看这个挂钩该如何连接才更方便更有效果! 小范:这不是捞钻头的挂钩吗? 老蔡:哦!不错! 小范:切割两个大勾在下面,两个大勾由钢丝绳连接,勾向同侧,在两个勾上边再连一个小勾,增大挂住钻头的几率。
探几次不就能挂上了!(非常得意的表情) 老蔡:嗯!说的不错,可我们有的是360的旋挖钻,那么大的钻头容易提起来吗?假如有塌方的情况能勾的动吗? 小范:那你说怎么办? 老蔡:其实你说的很多都不错,但还差一点点! 小范:差什么? 老蔡:其实你可以把两个钩的方向换一下,都向外侧,这样通过钢丝绳的扭力就加大了钩子对钻头的侧向力,使钻头不仅有一个向上的力,还在顺着钩子的方向有一个侧向力,松动的几率不就大多了,提起的机会不也更大了! 小范:是啊!看来现场施工真的是“袋中有粮心不慌啊” 老蔡:哈哈,你小子大学的时候是不是偷懒,光顾着谈女朋友了。
小范:(不好意思)你怎么会知道的,我就谈了一个,还分了。
老蔡:咋分了? 小范:有一次我牵着她的手下楼梯,结果我脚一滑摔下去了,我当时就想吧两个人不管什么时候都不能松手,结果,她和我一起摔到楼底。
最后我明白了一个道理 老蔡:什么道理? 小范:有一种爱叫做放手。
刘主任:还有啊,蔡师傅现在挣的钱大部分都用来供着4个贫困学生上学,最大的现在研究生,小的现在高中。
老蔡:哈哈,那个小崽子啊马上就要高考了,这不写信给我抱怨呢,说今年考文科郁闷死了,今年是辛亥革命100年,中国共产党建党90年,新经济政策实行90年,抗战爆发80年,朝鲜战争60年,中国重返联合国40年,经济特区设立30年,冷战结束20年,中国加入WTO10周年,他都要背疯了。
那大丫头呢研究生明年就毕业了,不过学的是历史,现在嚷嚷着要去考古,哈哈,小范有空的话倒是可以介绍你们认识认识。
小范:一定的啊蔡师傅,我就住这个屋不走了,老蔡,你要多教教我现场的知识,还有…… 老蔡:还有什么? 小范:那姑娘漂亮不? 老蔡:哈哈,你这臭小子……