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用沙拉酱模拟核聚变,这种事只有物理学家做得出来

来源:科研圈 编辑:admin 时间:2019-10-13
导读: [db:摘要]

  超市里就能买到的沙拉酱是模拟核聚变重要过程的好材料,就是不知道他们怎么申请报销。

  在吃沙拉或汉堡包的时候,你有没有留意过里面甜丝丝的白色酱汁?这种蛋黄酱是西餐中“出圈”最成功的一种沙拉酱,它有着低调的香味和粘稠的口感,适合给许多食物当配角。不过,一位流体力学专家为蛋黄酱开发了全新用途,那就是模拟核聚变过程。

  美国理海大学(Lehigh University)机械工程与力学系副教授、流体力学研究者阿林达姆·班纳吉(Arindam Banerjee)几年前就发现,一种蛋黄酱在低温下的性质和高温高压下的熔化金属非常相似,是研究核聚变的好材料,于是愉快地用它做了一系列模拟实验。

  核聚变中的流体力学困扰

  受控核聚变被视为未来的“终极能源”,许多人致力于研究如何让它早日成为现实。核聚变的发生需要极高的温度和压力,让原子核具备足够的动能,克服静电排斥力“聚”在一起发生反应。目前有两种主流的方法来创造这样的条件:一种是磁环流约束,用强磁场将等离子体束缚在特定的空间中,例如甜甜圈一般的托卡马克装置;另一种是惯性约束聚变,用粒子本身的惯性使它们聚在一起。

  惯性约束聚变的“燃料”被称为靶丸,它含有毫克级的氘和氚,大小在毫米量级。用激光照射靶丸表面时,靶丸迅速向内被压缩,当达到临界状态时,将诱发核聚变反应。这个关键环节被称为爆聚。

靶丸爆聚过程示意图,图片来源:Wikipedia靶丸爆聚过程示意图,图片来源:Wikipedia

  这样一个听起来如此酷炫的反应,却被一个小小的流体物理学问题严重制约着——由于靶丸金属外壳和气体的交界处存在瑞利-泰勒不稳定性(Rayleigh-Taylor instability,又称 RT 不稳定),造成流体扰动,燃料容易在靶丸内尚未压缩至聚变条件时就提前爆炸。

  RT 不稳定在生活中十分常见。比如今年流行的“脏脏茶”里,奶茶和黑糖混合产生的花纹就是 RT 不稳定的体现。如果你把杯子倒过来,让密度大的糖浆在上面,密度小的奶茶在下面,还能看到一股股的糖浆顺着杯壁往下流。具体而言,RT 不稳定发生在两种不同密度的材料之间,在材料界面密度梯度与压力梯度方向相反的时候。“在重力或任何加速场的存在下,两种材料会像‘手指’一样互相渗透,”班纳吉说。

牛奶和冰咖啡混合产生的花纹也是一样的原理。图片来源:Pixabay牛奶和冰咖啡混合产生的花纹也是一样的原理。图片来源:Pixabay

  在更大的尺度上,大气中冷暖空气的相遇,河流入海口水流交汇时的扰动,大气电离层中由太阳辐射导致的环流和湍流,甚至超新星爆发过程中的一些现象,都是 RT 不稳定的体现。

 黄河入海口的“黄龙入海”景观。图片来源:黄河口生态旅游区(http://www.hhkstlyq.com) 黄河入海口的“黄龙入海”景观。图片来源:黄河口生态旅游区(http://www.hhkstlyq.com)

  简单来说,RT 不稳定意味着不均匀、不受控的突变和扰动。这样一个无处不在的现象却在受控核聚变过程中造成了大麻烦,让受控核聚变成了“不受控”——这种事物理学家可不答应。

  给靶丸找个“替身”

  为了研究这个问题,物理学家们又遇到了新的问题。核聚变不仅物理过程短暂,还需要苛刻的反应条件,这对实验室观测造成了困难。能不能用简单的方式模拟核聚变,少花点经费,多做点实验呢?
       

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