핵융합, 초신성의 소용돌이 고리 이해하기

소용돌이 고리로 알려진 소용돌이 모양의 고리 모양 교란의 형성을 더 잘 이해하면 핵융합 연구자들이 연료를 보다 효율적으로 압축하여 실행 가능한 에너지원이 되는 데 더 가까워질 수 있습니다.

개발된 모델 미시간 대학(UM) 연구진은 별을 빛나게 만드는 반응을 점화하려고 시도하는 동안 손실되는 에너지를 최소화하여 연료 캡슐 설계를 지원할 수 있었습니다. 또한 이 모델은 초음속 제트 엔진을 설계하는 엔지니어나 초신성을 이해하려는 물리학자와 같이 충격파가 통과한 후 유체의 혼합을 관리해야 하는 다른 엔지니어에게 도움이 될 수 있습니다.

"이 소용돌이 고리는 붕괴하는 별에서 바깥쪽으로 이동하여 결국 성운, 행성, 심지어 새로운 별이 될 물질로 우주를 채우고, 핵융합 폭발 중에 안쪽으로 들어가 불타는 핵융합 연료의 안정성을 방해하고 에너지 효율을 감소시킵니다. 반응”이라고 UM의 기계 공학 박사 과정이자 해당 연구의 교신 저자인 Michael Wadas가 말했습니다.

"이러한 소용돌이 고리가 어떻게 형성되는지를 밝히는 우리의 연구는 과학자들이 우주에서 가장 극단적인 사건을 이해하는 데 도움이 될 수 있으며 인류가 에너지원으로서 핵융합의 힘을 포착하는 데 한 걸음 더 가까이 다가갈 수 있습니다."라고 그는 말했습니다.

핵융합은 원자가 합쳐질 때까지 원자를 밀어냅니다. 이 과정은 오늘날의 원자력 발전소에 전력을 공급하는 원자를 분해하거나 핵분열하는 것보다 몇 배 더 많은 에너지를 방출합니다. 연구자들은 수소 형태를 헬륨으로 병합하여 이 반응을 만들 수 있지만 현재 이 과정에 사용되는 에너지의 대부분은 낭비됩니다.

문제의 일부는 연료를 깔끔하게 압축할 수 없다는 것입니다. 불안정성으로 인해 핫스팟을 관통하는 제트가 형성되고 그 사이에서 연료가 분출됩니다. Wadas는 이를 손으로 오렌지를 으깨려고 시도하는 것과 손가락 사이에서 주스가 새어 나오는 것과 비교했습니다.

연구자들은 이러한 제트의 앞쪽 가장자리에서 형성되는 소용돌이 고리가 연기 고리, 해파리 뒤의 소용돌이 및 초신성 표면에서 날아가는 플라즈마 고리와 수학적으로 유사하다는 것을 보여주었습니다.

아마도 가장 유명한 핵융합 접근 방식은 구형 연료 캡슐을 향하는 구형 레이저 배열일 것입니다. 이것이 최근 몇 년간 에너지 출력 기록을 반복적으로 깨뜨린 국립 점화 시설(National Ignition Facility)에서 실험이 설정되는 방식입니다.

레이저의 에너지는 연료 주위의 물질 층을 기화시킵니다. 이는 2022년 12월 최신 기록을 세웠던 실험실에서 자란 거의 완벽한 다이아몬드 껍질입니다. 이 껍질이 기화되면 탄소 원자가 바깥쪽으로 날아가면서 연료가 안쪽으로 이동합니다. . 이로 인해 충격파가 발생하여 연료를 너무 세게 밀어서 수소가 융합됩니다.

구형 연료 알갱이는 인간이 만든 것 중 가장 완벽하게 둥근 물체 중 일부이지만 각각에는 연료가 들어가는 충전 튜브라는 고의적인 결함이 있습니다. 으깬 오렌지색에 빨대가 박혀 있는 것처럼 이곳은 압축이 시작될 때 소용돌이 고리 모양의 제트가 형성될 가능성이 가장 높은 곳이라고 연구진은 설명했습니다.

이번 연구를 감독한 UM 기계공학과 부교수인 Eric Johnsen은 "핵융합 실험은 너무 빨리 일어나기 때문에 제트 형성을 몇 나노초만 지연시키면 된다"고 말했습니다.

이 연구는 Wadas와 Johnsen의 유체 역학 전문 지식과 핵 공학 및 방사선 과학 부교수인 Carolyn Kuranz 연구실의 핵 및 플라즈마 물리학 지식을 결합했습니다.

"고에너지 밀도 물리학에서 많은 연구에서 이러한 구조를 지적했지만 소용돌이 고리로 명확하게 식별하지는 못했습니다"라고 Wadas는 말했습니다.

핵융합 실험과 천체물리학적 관찰에서 볼 수 있는 구조에 대한 깊은 연구 내용을 알고 있는 Wadas와 Johnsen은 기존 지식을 완전히 새로운 특징으로 설명하기보다는 기존 지식을 활용하고 확장할 수 있었습니다.