Des chercheurs de l’université du Michigan ont mis au point un modèle permettant de mieux comprendre la formation des anneaux tourbillonnaires, qui pourraient contribuer à une compression efficace du combustible pour la fusion nucléaire, ainsi qu’au mélange des fluides après l’onde de choc. Ce modèle est utile non seulement aux chercheurs en fusion, mais aussi aux ingénieurs chargés de la conception des moteurs à réaction supersoniques et aux physiciens qui étudient les supernovae.
Les ingénieurs pourraient mieux contrôler le comportement des tourbillons dans la production d’énergie et d’autres applications grâce à un modèle mathématique reliant ces tourbillons à des types de tourbillons plus pédestres, comme les ronds de fumée.
Une meilleure compréhension de la formation des anneaux de vortex, qui sont des perturbations tourbillonnantes en forme d’anneau, pourrait aider les scientifiques de la fusion nucléaire à comprimer plus efficacement le combustible. Cela pourrait nous rapprocher de l’exploitation de la fusion nucléaire en tant que source d’énergie viable.
Le modèle mis au point par les chercheurs de l’université du Michigan pourrait faciliter la conception de la capsule de combustible, en minimisant la perte d’énergie lors de l’allumage de la réaction qui fait briller les étoiles. En outre, le modèle pourrait aider d’autres ingénieurs qui doivent gérer le mélange des fluides après le passage d’une onde de choc, comme ceux qui conçoivent les moteurs à réaction supersoniques, ainsi que les physiciens qui tentent de comprendre les supernovae.
« Ces anneaux tourbillonnaires se déplacent vers l’extérieur de l’étoile qui s’effondre, peuplant l’univers de matériaux qui deviendront par la suite des nébuleuses, des planètes et même de nouvelles étoiles, et vers l’intérieur pendant les implosions de fusion, perturbant la stabilité du combustible de fusion brûlant et réduisant l’efficacité de la réaction », a déclaré Michael Wadas, candidat au doctorat en génie mécanique à l’U-M et auteur correspondant de l’étude.
Simulation 3D montrant un anneau tourbillonnaire se formant au bord d’attaque d’un jet, généré par une onde de choc traversant une interface entre deux fluides différents. Crédit : Michael Wadas, Scientific Computing and Flow Physics Laboratory, Université du Michigan.
« Notre recherche, qui élucide la formation de ces anneaux tourbillonnaires, peut aider les scientifiques à comprendre certains des événements les plus extrêmes de l’univers et rapprocher l’humanité de l’exploitation de la puissance de la fusion nucléaire comme source d’énergie », a déclaré M. Wadas.
La fusion nucléaire pousse les atomes les uns contre les autres jusqu’à ce qu’ils fusionnent. Ce processus libère plusieurs fois plus d’énergie que la fission, qui alimente les centrales nucléaires actuelles. Les chercheurs peuvent créer cette réaction, en fusionnant des formes d’hydrogène en hélium, mais à l’heure actuelle, une grande partie de l’énergie utilisée dans le processus est gaspillée.
Le problème vient en partie du fait que le combustible ne peut pas être comprimé proprement. Les instabilités provoquent la formation de jets qui pénètrent dans le point chaud, et le combustible jaillit entre eux. Wadas compare cela au fait d’essayer d’écraser une orange avec ses mains, le jus s’échappant entre les doigts.
Les chercheurs ont montré que les anneaux tourbillonnaires qui se forment au bord de ces jets sont mathématiquement similaires aux anneaux de fumée, aux tourbillons derrière les méduses et aux anneaux de plasma qui s’envolent de la surface d’une supernova.
L’approche la plus célèbre de la fusion est peut-être un réseau sphérique de lasers pointant tous vers une capsule sphérique de combustible. C’est ainsi que les expériences sont mises en place au National Ignition Facility, qui a battu à plusieurs reprises des records de production d’énergie au cours des dernières années.
Ce graphique montre ce qui se passe lorsqu’une onde de choc traverse l’interface entre deux fluides différents. La moitié supérieure de l’image montre la situation de départ. La partie supérieure, en sarcelle foncée, montre la vorticité du fluide, c’est-à-dire les parties qui s’engagent dans ces flux tourbillonnants (aucune au départ). La deuxième couche montre la densité du fluide. Le bleu marine est moins dense, tandis que le jaune et le vert ont la même densité – ils se trouvent simplement de part et d’autre de l’onde de choc. Le fluide le plus dense fait saillie dans le fluide le moins dense, et l’interface initiale entre les deux fluides est marquée par la ligne en pointillés. À partir de ce point de départ, l’onde de choc passe à travers. Un jet pénètre dans le fluide plus dense, précédé d’un anneau tourbillonnaire qui se déplace dans la direction opposée à l’onde de choc. Les flux tourbillonnants sont représentés en sarcelle claire dans le panneau de vorticité, tandis que les bords des tourbillons sont représentés en orange. Crédit : Michael Wadas, Scientific Computing and Flow Physics Laboratory, Université du Michigan.
L’énergie des lasers vaporise la couche de matériau entourant le combustible – une coquille de diamant presque parfaite, cultivée en laboratoire, dans le dernier record établi en décembre 2022. Lorsque cette coquille se vaporise, elle pousse le combustible vers l’intérieur tandis que les atomes de carbone s’envolent vers l’extérieur. Cela génère une onde de choc qui pousse le combustible si fort que l’hydrogène fusionne.
Bien que les pastilles de combustible sphériques soient parmi les objets les plus parfaitement ronds jamais fabriqués par l’homme, chacune d’entre elles présente un défaut délibéré : un tube de remplissage, par lequel le combustible pénètre. Comme une paille coincée dans une orange écrasée, c’est l’endroit le plus propice à la formation d’un jet dirigé par un anneau tourbillonnaire lorsque la compression commence, expliquent les chercheurs.
« Les expériences de fusion sont si rapides que nous n’avons besoin de retarder la formation du jet que de quelques nanosecondes », a déclaré Eric Johnsen, professeur agrégé de génie mécanique à l’U-M, qui a supervisé l’étude.
L’étude a fait appel à l’expertise en mécanique des fluides de Wadas et Johnsen ainsi qu’aux connaissances en physique nucléaire et en physique des plasmas du laboratoire de Carolyn Kuranz, professeur agrégé d’ingénierie nucléaire et de sciences radiologiques.
« En physique des hautes énergies, de nombreuses études mettent en évidence ces structures, mais ne les identifient pas clairement comme des anneaux tourbillonnaires », explique Wadas.
Connaissant les recherches approfondies sur les structures observées dans les expériences de fusion et les observations astrophysiques, Wadas et Johnsen ont pu s’appuyer sur ces connaissances et les étendre plutôt que d’essayer de les décrire comme des caractéristiques totalement nouvelles.
Johnsen s’intéresse particulièrement à la possibilité que les anneaux tourbillonnaires puissent contribuer au mélange entre les éléments lourds et les éléments plus légers lors de l’explosion des étoiles, car un certain processus de mélange doit avoir eu lieu pour produire la composition de planètes comme la Terre.
Le modèle peut également aider les chercheurs à comprendre les limites de l’énergie qu’un anneau tourbillonnaire peut transporter et la quantité de fluide qui peut être poussée avant que l’écoulement ne devienne turbulent et donc plus difficile à modéliser. Dans le cadre des travaux en cours, l’équipe valide le modèle de l’anneau tourbillonnaire à l’aide d’expériences.
Référence : « Saturation of Vortex Rings Ejected from Shock-Accelerated Interfaces » par Michael J. Wadas, Loc H. Khieu, Griffin S. Cearley, Heath J. LeFevre, Carolyn C. Kuranz et Eric Johnsen, 12 mai 2023, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.194001
Cette recherche est financée par le Lawrence Livermore National Laboratory et le ministère de l’énergie, les ressources informatiques étant fournies par l’Extreme Science and Engineering Discovery Environment de la National Science Foundation et l’Oak Ridge Leadership Computing Facility.