Researchers dig deeper into stability challenges of nuclear fusion—with mayonnaise
ALes chercheurs approfondissent les défis de stabilité de la fusion nucléaire avec de la mayonnaise
par Lehigh University
Schéma de l'installation expérimentale de la roue rotative, où (a) le disque rotatif, (b) la section de test, (c) la source lumineuse LED, (d) les contrepoids, (e) les miroirs et (f) la caméra à grande vitesse. Crédit : Turbulent Mixing Laboratory/Lehigh University
La mayonnaise continue d'aider les chercheurs à mieux comprendre la physique derrière la fusion nucléaire.
"Nous travaillons toujours sur le même problème, qui est l'intégrité structurelle des capsules de fusion utilisées dans la fusion par confinement inertiel, et la mayonnaise Hellmann's Real nous aide toujours dans la recherche de solutions", déclare Arindam Banerjee, professeur Paul B. Reinhold de génie mécanique et de mécanique à l'université Lehigh et président du département MEM du P.C. Rossin College of Engineering and Applied Science.
En termes simples, les réactions de fusion sont ce qui alimente le soleil. Si le processus pouvait être exploité sur terre, les scientifiques pensent qu'il pourrait offrir une source d'énergie propre et presque illimitée à l'humanité. Cependant, reproduire les conditions extrêmes du soleil est un défi incroyablement complexe. Des chercheurs de toutes les disciplines scientifiques et techniques, dont Banerjee et son équipe, examinent le problème sous de multiples angles.
La fusion par confinement inertiel est un processus qui déclenche des réactions de fusion nucléaire en comprimant et en chauffant rapidement des capsules remplies de combustible, dans ce cas, des isotopes d'hydrogène. Lorsqu'elles sont soumises à des températures et des pressions extrêmes, ces capsules fondent et forment du plasma, l'état chargé de la matière qui peut générer de l'énergie.
« À ces extrêmes, on parle de millions de degrés Kelvin et de gigapascals de pression lorsque l'on essaie de simuler les conditions du soleil », explique Banerjee. « L'un des principaux problèmes associés à ce processus est que l'état du plasma forme ces instabilités hydrodynamiques, qui peuvent réduire le rendement énergétique. »
Dans leur premier article sur le sujet en 2019, Banerjee et son équipe ont examiné ce problème, connu sous le nom d'instabilité de Rayleigh-Taylor. Cette condition se produit entre des matériaux de densités différentes lorsque les gradients de densité et de pression sont dans des directions opposées, ce qui crée une stratification instable.
« Nous utilisons la mayonnaise parce qu'elle se comporte comme un solide, mais lorsqu'elle est soumise à un gradient de pression, elle commence à couler », explique-t-il. L'utilisation de ce condiment élimine également la nécessité de températures et e conditions de pression élevées, qui sont extrêmement difficiles à contrôler.
L'équipe de Banerjee a utilisé une installation de roue rotative unique en son genre, construite sur mesure, au sein du laboratoire de mélange turbulent de Banerjee, pour imiter les conditions d'écoulement du plasma. Une fois que l'accélération a dépassé une valeur critique, la mayonnaise a commencé à couler.
L'une des choses qu'ils ont découvertes au cours de cette recherche initiale était qu'avant que l'écoulement ne devienne instable, le solide mou, c'est-à-dire la mayonnaise, passait par plusieurs phases.
« Comme avec un métal fondu traditionnel, si vous exercez une contrainte sur la mayonnaise, elle commencera à se déformer, mais si vous supprimez la contrainte, elle reprendra sa forme d'origine », explique-t-il. « Il y a donc une phase élastique suivie d'une phase plastique stable. La phase suivante est celle où elle commence à couler, et c'est là que l'instabilité entre en jeu. »
Il est essentiel de comprendre cette transition entre la phase élastique et la phase plastique stable, explique-t-il, car savoir quand la déformation plastique commence pourrait permettre aux chercheurs de savoir quand l'instabilité se produira, explique Banerjee. Ensuite, ils chercheraient à contrôler la condition afin de rester dans cette phase élastique ou plastique stable.
Dans leur dernier article, publié dans Physical Review E, l'équipe (dont l'ancien étudiant diplômé et premier auteur de l'étude, Aren Boyaci '24 Ph.D., qui travaille maintenant chez Rattunde AG en tant qu'ingénieur en modélisation de données à Berlin, en Allemagne), a examiné les propriétés des matériaux, la géométrie des perturbations (amplitude et longueur d'onde) et le taux d'accélération des matériaux qui subissent l'instabilité de Rayleigh-Taylor.
"Nous avons étudié les critères de transition entre les phases d'instabilité de Rayleigh-Taylor et examiné comment cela affectait la croissance des perturbations dans les phases suivantes", explique Boyaci. "Nous avons trouvé les conditions dans lesquelles la récupération élastique était possible et comment elle pouvait être maximisée pour retarder ou supprimer complètement l'instabilité. Les données expérimentales que nous présentons sont également les premières mesures de récupération dans la littérature".
Cette découverte est importante car elle pourrait éclairer la conception des capsules de manière à ce qu'elles ne deviennent jamais instables.
Il reste cependant la question de savoir comment les données de l'équipe s'intègrent dans ce qui se passe dans les capsules de fusion réelles, dont les valeurs de propriétés sont d'un ordre de grandeur différent de celles des solides mous utilisés dans leurs expériences.
« Dans cet article, nous avons rendu nos données adimensionnelles dans l'espoir que le comportement que nous prédisons transcende ces quelques ordres de grandeur », explique Banerjee. « Nous essayons d'améliorer la prévisibilité de ce qui se passerait avec ces capsules de plasma fondu à haute température et haute pression grâce à ces expériences analogues consistant à utiliser de la mayonnaise dans une roue rotative. »
En fin de compte, Banerjee et son équipe font partie d'un effort mondial visant à transformer la promesse de l'énergie de fusion en réalité.
« Nous sommes un autre rouage dans cette roue géante de chercheurs », dit-il. « Et nous travaillons tous à rendre la fusion inertielle moins chère et plus efficace.
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COMMENTAIRES
Avant de critiquera le contenu de l article je rappelle a mes lecteurs qu il existe 2axes de recherche concernant l utilisation de la fusion nucléaire :le premiore utilise le confinement electromagnetique dans les tokamaks ,ITER etc ...La seonde le confinement inertiel en efermant les éléments en capsule closes .Les problèmr sont donc de nature trés differants .....
Traditionnellement, les physiciens aimaient dire que le rêve d'une énergie produite par la fusion nucléaire était perpétuellement à 50 ans dans le futur. Que ce soit en 1950 ou en 2000, c'était toujours « dans 50 ans ». Mais depuis 2022, l'horizon se rapproche peut-être.
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L e labo de Leheigh recherche les facteurs susceptibles d expliquer certains défauts de connfinent dans d autres types de milieux que les plasma s nucléaires . la transposution est questionnable ....
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les chercheurs de l'université Lehigh approfondissent les défis de stabilité de la fusion nucléaire avec de la mayonnaise. Le condiment est un ingrédient clé des recherches en cours sur les phases d'instabilité de Rayleigh-Taylor, qui pourraient éclairer la conception de futurs processus de fusion par confinement inertiel pour une énergie propre.
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More information: Aren Boyaci et al, Transition to plastic regime for Rayleigh-Taylor instability in soft solids, Physical Review E (2024). DOI: 10.1103/PhysRevE.109.055103
Journal information: Physical Review E
Provided by Lehigh University
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