Comprender mejor la formación de perturbaciones en forma de remolino en forma de anillo, conocidas como anillos de vórtice, podría ayudar a los investigadores de fusión nuclear a comprimir el combustible de manera más eficiente, acercándolo a convertirse en una fuente de energía viable.
El modelo desarrollado por investigadores de la Universidad de Michigan podría ayudar en el diseño de la cápsula de combustible, minimizando la pérdida de energía al intentar encender la reacción que hace que las estrellas brillen. Además, el modelo podría ayudar a otros ingenieros que deben gestionar la mezcla de fluidos después del paso de una onda de choque, como los que diseñan motores a reacción supersónicos, así como a los físicos que intentan comprender las supernovas.
«Estos anillos de vórtice se mueven hacia afuera desde la estrella que colapsa, poblando el universo con los materiales que eventualmente se convertirán en nebulosas, planetas e incluso nuevas estrellas, y hacia adentro durante las implosiones de fusión, interrumpiendo la estabilidad del combustible de fusión en llamas y reduciendo la eficiencia de la reacción», dijo Michael Wadas, candidato a doctorado en ingeniería mecánica en la UM y autor correspondiente del estudio.
«Nuestra investigación, que aclara cómo se forman esos anillos de vórtice, puede ayudar a los científicos a comprender algunos de los eventos más extremos del universo y llevar a la humanidad un paso más cerca de capturar el poder de la fusión nuclear como fuente de energía», dijo.
La fusión nuclear empuja a los átomos hasta que se fusionan. Este proceso libera varias veces más energía que la ruptura de átomos, o la fisión, que alimenta las plantas nucleares de hoy. Los investigadores pueden crear esta reacción, fusionando formas de hidrógeno en helio, pero en la actualidad, gran parte de la energía utilizada en el proceso se desperdicia.
Parte del problema es que el combustible no se puede comprimir perfectamente. Las inestabilidades provocan la formación de chorros que penetran en el punto de acceso y el combustible sale a borbotones entre ellos; Wadas lo comparó con tratar de aplastar una naranja con las manos, cómo se escaparía el jugo entre los dedos.
Los anillos de vórtice que se forman en el borde de ataque de estos chorros, según han demostrado los investigadores, son matemáticamente similares a los anillos de humo, los remolinos detrás de las medusas y los anillos de plasma que salen volando de la superficie de una supernova.
Quizás el enfoque más famoso de la fusión es un conjunto esférico de láseres que apuntan todos hacia una cápsula esférica de combustible. Así es como se organizan los experimentos en la Instalación Nacional de Ignición, que ha batido repetidamente récords de producción de energía en los últimos años.
La energía de los láseres vaporiza la capa de material alrededor del combustible, una capa de diamante casi perfecta cultivada en laboratorio en el último récord en diciembre de 2022. Cuando esa capa se vaporiza, impulsa el combustible hacia adentro a medida que los átomos de carbono vuelan. exterior. Esto genera una onda de choque, que empuja el combustible con tanta fuerza que el hidrógeno se fusiona.
Si bien los gránulos de combustible esféricos son algunos de los objetos más perfectamente redondos que los humanos hayan creado, cada uno tiene un defecto deliberado: un tubo de llenado, donde ingresa el combustible. Como una pajilla atrapada en esa naranja triturada, este es el lugar más probable para que se forme un chorro dirigido por un anillo de vórtice cuando comienza la compresión, explicaron los investigadores.
«Los experimentos de fusión suceden tan rápido que realmente solo tenemos que retrasar la formación del chorro durante unos pocos nanosegundos», dijo Eric Johnsen, profesor asociado de ingeniería mecánica en la UM, quien supervisó el estudio.
El estudio reunió la experiencia en mecánica de fluidos de Wadas y Johnsen, así como el conocimiento de física nuclear y de plasma en el laboratorio de Carolyn Kuranz, profesora asociada de ingeniería nuclear y ciencias radiológicas.
«En física de alta densidad de energía, muchos estudios señalan estas estructuras, pero no las han identificado claramente como anillos de vórtice», dijo Wadas.
Al conocer el profundo cuerpo de investigación sobre las estructuras observadas en los experimentos de fusión y las observaciones astrofísicas, Wadas y Johnsen pudieron aprovechar y ampliar ese conocimiento existente en lugar de tratar de describirlas como características completamente nuevas.
Johnsen está particularmente interesado en la posibilidad de que los anillos de vórtice puedan ayudar a impulsar la mezcla entre elementos pesados y elementos más ligeros cuando explotan las estrellas, ya que debe haber ocurrido algún proceso de mezcla para producir la composición de planetas como la Tierra.
El modelo también puede ayudar a los investigadores a comprender los límites de la energía que puede transportar un anillo de vórtice y cuánto fluido se puede empujar antes de que el flujo se vuelva turbulento y, como resultado, sea más difícil de modelar. En el trabajo en curso, el equipo está validando el modelo de anillo de vórtice con experimentos.
La investigación está financiada por el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore y el Departamento de Energía, con recursos computacionales proporcionados por Extreme Science and Engineering Discovery Environment a través de National Science Foundation y Oak Ridge Leadership Computing Facility.
