Inertiële gesloten fusie is een methode om energie op te wekken door kernfusie, hoewel deze wordt geplaagd door allerlei wetenschappelijke uitdagingen (hoewel er vooruitgang wordt geboekt). Onderzoekers van de LeHigh University gebruiken deze aanpak om één specifieke bug te overwinnen door experimenten uit te voeren met mayonaise die in een roterend cijfer acht is geplaatst. Ze beschreven hun nieuwste bevindingen in een nieuw artikel gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review E, gericht op het vergroten van de energieopbrengst uit fusie.
Het werk bouwt voort op eerder onderzoek in het LeHigh-laboratorium van werktuigbouwkundig ingenieur Arindam Banerjee, dat zich richt op het onderzoeken van de dynamica van vloeistoffen en andere materialen als reactie op extreem hoge versnellingen en middelpuntvliedende kracht. In dit geval onderzocht zijn team wat bekend staat als de “drempel van instabiliteit” van elastische/plastic materialen. Wetenschappers debatteerden erover of dit te wijten was aan de initiële omstandigheden of dat het het resultaat was van ‘lokale catastrofale processen’, zegt Banerjee. De vraag is relevant voor een verscheidenheid aan vakgebieden, waaronder geofysica, astrofysica, explosief lassen en ja, traagheidsfusie.
Hoe werkt traagheidsfusie precies? Zoals Chris Lee in 2016 aan Ars uitlegde:
Het idee achter traagheidsconstraintfusie is eenvoudig. Om twee atomen te laten samensmelten, moet je hun kernen met elkaar in contact brengen. Beide kernen zijn positief geladen, dus stoten ze elkaar af, wat betekent dat er een kracht nodig is om de twee waterstofkernen ervan te overtuigen elkaar te raken. In een waterstofbom wordt de kracht gegenereerd wanneer een kleine splijtingsbom ontploft, waardoor de waterstofkern wordt samengedrukt. Dit combineert om zwaardere elementen te vormen, waardoor een enorme hoeveelheid energie vrijkomt.
Omdat het moordenaars zijn, geven wetenschappers er de voorkeur aan om kernwapens niet tot ontploffing te brengen elke keer dat ze fusie willen bestuderen of ze willen gebruiken om elektriciteit op te wekken. Dat brengt ons bij traagheidsfusiesluiting. Bij traagheidsfusie bestaat de waterstofkern uit een bolvormige bal van waterstofijs in een behuizing van zwaar metaal. De behuizing wordt verlicht door krachtige lasers die een groot deel van het materiaal verbranden. De reactiekracht van het verdampte materiaal dat naar buiten explodeert, zorgt ervoor dat de resterende granaat implodeert. De resulterende schokgolf comprimeert de kern van de waterstofkorrel, zodat deze begint samen te smelten.
Als de fusie in de besloten ruimte daar zou eindigen, zou de hoeveelheid energie die vrijkomt klein zijn. Maar de energie die vrijkomt bij de eerste fusieverbranding in het centrum creëert voldoende warmte zodat de waterstof aan de buitenkant van de pellet de vereiste temperatuur en druk kan bereiken. Dus uiteindelijk (althans in computermodellen) wordt alle waterstof verbruikt in een vurige dood, en komen er enorme hoeveelheden energie vrij.
Dat is toch het idee. Het probleem is dat hydrodynamische instabiliteiten de neiging hebben zich te vormen in de plasmatoestand – Banerjee vergelijkt het met ‘twee materialen [that] “vingers in elkaar” in de aanwezigheid van zwaartekracht of een versnellingsveld – wat op zijn beurt de energieopbrengst vermindert. De technische term is Rayleigh-Taylor-instabiliteit, die optreedt tussen twee materialen met verschillende dichtheden, waarbij de dichtheids- en drukgradiënten in tegengestelde richting bewegen. Uit onderzoek bleek dat mayonaise een uitstekende analoog is voor het onderzoeken van deze instabiliteit in versnelde vaste stoffen, zonder de noodzaak van een laboratoriumopstelling met hoge temperatuur- en drukomstandigheden, aangezien het een niet-Newtoniaanse vloeistof is.
“We gebruiken mayonaise omdat het zich gedraagt als een vaste stof, maar wanneer het wordt blootgesteld aan een drukgradiënt, begint het te stromen”, zegt Banerjee. “Net als bij traditioneel gesmolten metaal zal mayonaise, als je er spanning op zet, beginnen te vervormen, maar als je de spanning wegneemt, keert het terug naar zijn oorspronkelijke vorm. Er is dus een elastische fase gevolgd door een stabiele plastische fase. De volgende fase is wanneer het begint te stromen, en dat is waar de instabiliteit begint.”
Meer mayonaise, alstublieft
Een video uit 2019 waarin het Spinning Wheel Instability Experiment van Rayleigh Taylor aan de Lehigh University wordt getoond.
De experimenten van zijn team in 2019 omvatten het gieten van Hellman’s Real Mayonaise – minus de wonderzweep voor deze ploeg – in een plexiglas container, waardoor er golfverstoringen in de mayonaise ontstonden. Eén experiment omvatte het plaatsen van een container op een roterend achtvormig wiel en het volgen van het materiaal met een hogesnelheidscamera, waarbij een beeldverwerkingsalgoritme werd gebruikt om de beelden te analyseren. Hun resultaten ondersteunen de bewering dat de instabiliteitsdrempel afhangt van de initiële omstandigheden, dat wil zeggen amplitude en golflengte.
Dit laatste werk werpt meer licht op de structurele integriteit van fusiecapsules die worden gebruikt bij fusie met traagheidsopsluiting, waarbij nauwkeuriger wordt gekeken naar de materiaaleigenschappen, amplitude- en golflengteomstandigheden, en de versnellingssnelheid van dergelijke materialen wanneer ze de instabiliteitsdrempel van Rayleigh-Taylor bereiken. . Hoe meer wetenschappers weten over de faseovergang van de elastische naar de stabiele fase, hoe beter ze de omstandigheden kunnen controleren en de elastische of plastische fase kunnen behouden, waardoor instabiliteit wordt vermeden. Banerjee et al. waren in staat om de voorwaarden voor het in stand houden van de elastische fase te identificeren, wat het ontwerp van toekomstige fusiepellets met traagheidsopsluiting zou kunnen informeren.
Toch zijn de mayonaise-experimenten analoog, ordes van grootte verwijderd van de werkelijke kernfusieomstandigheden, zoals Banerjee grif toegeeft. Toch hoopt hij dat toekomstig onderzoek de voorspelbaarheid zal verbeteren van wat er in de pellets gebeurt in hun omgevingen met hoge temperaturen en hoge druk. “Wij zijn een ander radertje in dit gigantische wiel van onderzoekers”, zei hij. “En we werken er allemaal aan om traagheidsfusie goedkoper en daarom haalbaarder te maken.”
DOI: Fysieke recensie E, 2024. 10.1103/PhysRevE.109.055103 (Over DOI).