惊呆了！蛋黄酱竟成为攻克可控核聚变的关键
文摘
科学
2024-08-13 17:29
北京
蛋黄酱这种味道独特的调味品对某些人来说可能令人反感，但它是研究核聚变实验中等离子体属性的实用工具。
文 | 陈强
视觉设计 | 李梅
在核聚变研究的前沿，科学家正在不断寻找新的方法来解决复杂的技术问题。最近，美国理海大学的科学家发现了一种意想不到的工具——蛋黄酱。这种常见的厨房调味品，因其独特的物理特性，成为了研究核聚变中等离子体属性的实用工具。理海大学的机械工程师阿林达姆·班纳吉（Arindam Banerjee）表示：“我们正在研究惯性约束聚变中聚变燃料舱的稳定性问题，而蛋黄酱能够帮助我们寻找解决方案。”班纳吉等人的研究已发表在《物理评论E》（Physical Review E）杂志上。美国国家点火设备的前置放大器，用以增加激光束的能量。（图片来源：Lawrence Livermore National Laboratory）核聚变是指两个或多个原子核结合成一个或多个不同的原子核和亚原子粒子的过程。较轻的原子核进行核聚变时，会出现质量耗损并释放出巨大的能量，这就是太阳等恒星的能量来源。氢弹就是利用核聚变释放出巨大能量的原理制成的。然而，如果我们能够实现可控核聚变，那么就相当于解锁了一种取之不尽的清洁能源，有望彻底取代传统的碳基能源。可控核聚变可以通过多种方式实现。一种方法是磁约束聚变，指的是通过使用名为托卡马克的环形装置，利用磁场控制内部等离子体来诱发聚变反应。另一种方法是惯性约束聚变，做法是利用高能激光束对一个球形的核燃料进行照射，从而引发聚变反应。美国国家点火装置（NIF）是目前世界上最大的惯性约束聚变装置。在2022年12月，NIF成为第一个实现“科学盈亏平衡”（输出能量大于输入能量）的核聚变装置，它从2.05兆焦耳的激光输入中产生了3.15兆焦耳的能量，能量增益约为1.5。不过，为激光充电消耗的能量却超过400兆焦耳。虽然磁约束聚变装置目前还没有实现“科学盈亏平衡”，但它可以产生更高的输出能量。例如，位于英国的欧洲联合环状反应堆（JET）就是一种磁约束聚变装置，在今年早些时候产生了超过69兆焦耳的能量，大约是NIF的20倍。然而，实现可控核聚变是一个极具挑战性的科学难题。班纳吉表示，在进行惯性约束聚变实验时，核燃料产生的等离子体会进入不稳定的状态，从而影响能量的输出。早在2019年的一篇论文中，班纳吉的团队就研究了这个问题。这个问题被称为瑞利-泰勒不稳定性（Rayleigh-Taylor instability）。当密度梯度和压力梯度的方向相反时，不同密度的材料之间就会出现这种情况，产生不稳定的分层。班纳吉的团队发现，蛋黄酱有助于攻克瑞利-泰勒不稳定性问题。蛋黄酱是一种主要由植物油、蛋、柠檬汁或醋，以及其他调味料制成的调味品。蛋黄酱看起来像固体，但当受到压力作用时，它会开始流动。在蛋黄酱开始流动时，不稳定性就会出现。这种特性使蛋黄酱成为研究不稳定性流体的理想材料。此外，用蛋黄酱来进行研究，还可以消除对高温和高压条件的需求，而这些条件在实验中往往极其难以控制。一罐蛋黄酱。（图片来源：jules/flickr）班纳吉的团队使用了一个特制的转轮设备，以模拟等离子体的流动条件。一旦加速度超过临界值，蛋黄酱就开始流动。他们发现，在流动变得不稳定之前，蛋黄酱经历了几个阶段：开始时是一个弹性阶段，然后是一个稳定的塑性阶段，下一个阶段是它开始流动。了解弹性阶段和塑性阶段之间的转变至关重要，因为知道塑性阶段何时开始，科学家可以推测不稳定性何时发生。然后，科学家可以通过调整条件，让研究对象保持在弹性阶段或塑性阶段内。在最近发表的论文中，班纳吉的团队探讨了材料特性、几何形状的扰动以及加速度对瑞利-泰勒不稳定性的影响，并提出了延迟或抑制不稳定性的方法。这一发现有助于设计出更稳定的聚变燃料舱，从而让核聚变持续更长的时间。当然，一个问题是，他们的数据是否能与核聚变中发生的情况相符，毕竟蛋黄酱的属性值与核聚变中的等离子体差了几个数量级。不过，班纳吉的团队对数据进行了无量纲化（消除物理单位），希望以此能够提高对实际情况的预测能力。从厨房到实验室，蛋黄酱这种普通的调味品，在探索核聚变能源的道路上扮演了意想不到的角色。这个发现告诉我们，科学探索往往充满了惊喜，看似无关的事物之间可能存在着深层次的联系。参考文献：
https://doi.org/10.1103/PhysRevE.109.055103
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