juin 5, 2023

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Meilleure compréhension de la formation des anneaux tourbillonnaires

Les anneaux de vortex sont des perturbations circulaires en forme d’anneau se déplaçant vers l’extérieur à partir de l’étoile qui s’effondre. Ces anneaux remplissent l’univers de matière, entraînant la formation de nébuleuses, de planètes et même de nouvelles étoiles – et vers l’intérieur lors d’explosions de fusion, perturbant la stabilité du combustible de fusion en combustion et réduisant l’efficacité de la réaction.

Une nouvelle recherche de l’Université du Michigan explique comment ces anneaux de vortex se forment. Selon les scientifiques, une meilleure compréhension de la formation des anneaux vortex pourrait aider les chercheurs en fusion nucléaire à comprimer le combustible plus efficacement.

Les scientifiques ont développé un modèle qui peut aider à concevoir la capsule de carburant. Il peut réduire l’énergie perdue 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 des fluides après le passage de l’onde de choc ainsi que les physiciens essayant de comprendre les supernovae.

Michael Wadas, candidat au doctorat en génie mécanique à l’UM et auteur correspondant de l’étude, a déclaré : « Notre recherche, qui montre 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. »

Les atomes sont rapprochés par fusion nucléaire jusqu’à ce qu’ils fusionnent. L’énergie libérée par ce processus est plusieurs fois supérieure à l’énergie libérée par la fission alimentant les centrales nucléaires aujourd’hui. Les scientifiques peuvent concevoir cette réaction en fusionnant différents types d’hydrogène en hélium, mais actuellement, une grande partie de l’énergie nécessaire est perdue dans le processus.

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L’incapacité du carburant à se comprimer proprement est un aspect du problème. L’instabilité produit des jets qui transpercent le point chaud et le carburant s’écoule entre eux. Les anneaux de vortex qui se forment au bord d’attaque de ces jets sont mathématiquement similaires aux anneaux de fumée et aux anneaux de plasma qui volent à la surface d’une supernova.

Un réseau laser sphérique dirigé vers une capsule de combustible en forme de boule est peut-être la méthode de fusion la plus connue. Au National Ignition Facility, qui a récemment établi plusieurs records de production d’électricité, des expériences sont réalisées de cette manière.

Simulation 3D montrant une boucle de vortex se formant au bord d’attaque d’un avion à réaction, provoquée par une onde de choc traversant une interface entre deux fluides différents. Crédit : Michael Wadas, Laboratoire de calcul scientifique et de physique des flux, Université du Michigan

L’énergie laser vaporise la couche de carburant, qui dans le dernier instrument record en décembre 2022 était une coquille de diamant presque sans défaut, cultivée en laboratoire. Le carburant est poussé à mesure que les atomes de carbone s’envolent au fur et à mesure que cette coquille se vaporise. Une onde de choc est créée qui pousse le carburant si fort que l’hydrogène s’enflamme.

Les pastilles de carburant sphériques sont parmi les objets les plus ronds jamais créés par l’humanité, mais chacune comprend un tube de remplissage où le carburant entre, un défaut intentionnel. C’est l’endroit le plus susceptible de former un jet annulaire vortex lors de l’initiation de la décompression.

Eric Johnson, professeur adjoint de génie mécanique à l’UM qui a supervisé l’étude, a déclaré : « Les expériences de fusion se déroulent si rapidement que nous n’avons qu’à retarder la formation du jet de quelques nanosecondes. »

Les scientifiques peuvent s’appuyer sur et élargir l’ensemble des informations déjà disponibles plutôt que d’essayer de décrire les structures observées dans les expériences de fusion et les données astrophysiques comme des caractéristiques entièrement nouvelles.

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Étant donné que certains processus de mélange ont dû se produire pour expliquer la formation de planètes comme la Terre, Johnson s’intéresse particulièrement à la possibilité que les anneaux de vortex puissent aider au mélange d’éléments plus lourds et d’éléments plus légers lorsque les étoiles explosent.

Le modèle peut également aider les chercheurs à comprendre la quantité maximale d’énergie qu’un anneau vortex peut contenir, ainsi que la quantité maximale de fluide qui peut être poussée avant que l’écoulement ne devienne turbulent et devienne plus difficile à modéliser. L’équipe mène actuellement des études pour vérifier le modèle d’anneau vortex.

Référence de la revue :

  1. Michael J Wadas, Luke H Khieu et al. Saturation des anneaux vortex éjectés des interfaces d’accélération des chocs. Lettres d’examen physique. EST CE QUE JE: 10.1103/PhysRevLett.130.194001