太喜欢蛋黄酱了！物理学家尝试用它来解决核聚变难题，还发了论文

2022年年末，美国国家点火装置（National Ignition Facility，NIF）首次在受控聚变反应堆中实现了净能量收益——从聚变反应中提取的能量，第一次超过了启动反应投入的能量，这标志着核聚变领域一项里程碑式的成就。

轻原子核融合成重原子核的聚变过程，理论上应该释放巨大的能量——就像在氢弹中氢核融合释放的“灭世”大爆炸能量一样，但为何净能量收益成了一大难关？更重要的是，要如何才能提升聚变反应的产能？

在今年5月发表于《物理评论X》（Physical Review E）的一项研究中，美国宾夕法尼亚州里海大学（Lehigh University）机械工程与力学系的副教授阿林丹·班纳吉（Arindam Banerjee）似乎用三明治、沙拉中常见的蛋黄酱，给出了提升聚变产能效率的答案。

蛋黄酱与核聚变，二者的关联怎么看都很“牵强”。唯一能够推测的是，班纳吉大概很喜欢蛋黄酱吧……

为了理解这位科学家的脑洞，我们需要先理解受控聚变反应遇到的关键挑战。

用惯性约束聚变燃料

原子核都携带正电荷，越靠近彼此，电排斥力越强。聚变反应堆需要制造极高的压力和温度条件，才能让聚变燃料克服库仑势垒，彼此靠近，进入到核力发挥作用的超近距离，从而融合、聚变。可想而知，聚变反应的关键在于，将原子核约束在一个非常小的空间里，增加它们彼此碰撞的机会，同时用一些强大的外力“说服”它们彼此靠近。

氢弹借助核裂变爆发的力来压缩氢核，但显然，对于聚变反应堆（为人类提供清洁能源的希望），科学家并不想每次启动都要引爆一次核武器，开启不受控的核反应，因此有了磁约束聚变（magnetic confinement fusion，常见方案是托卡马克装置），以及惯性约束聚变（inertial confinement fusion，ICF）等受控聚变反应堆的设计方案。

NIF使用的方案是后者，惯性约束聚变：将高能激光束同步聚焦在压缩的燃料靶丸（冷冻的氘和氚）外壳上，薄薄的外壳（金属或聚合物材料）在激光束巨大的能量冲击下迅速爆炸，产生的冲击力会高度压缩内部的燃料核心。由于压缩过程发生的速度非常快，仅有纳秒量级，靶丸内燃料维持自身形状的惯性，会阻止它膨胀散热，让燃料快速升温，达到核聚变所需的温度。这种惯性也能维持燃料极端高压和高温的状态，给聚变反应提供足够的时间，从而产生大量的聚变能。

不过，理论规划与实际落地总是存在巨大的差异。在惯性约束聚变中，这个“巨大”差异可能仅有几十纳米——约数毫米大的燃料靶丸必须是一个精度超高的球体，哪怕是几十纳米的形状偏差，压缩时的不对称，都能引发瑞利-泰勒不稳定性（Rayleigh-Taylor instability，RT不稳定性），显著降低聚变反应的产能效率。

很不幸的是，对于惯性约束聚变，即使将燃料靶丸和外壳都建成真正完美的球体，依然无法避免瑞利-泰勒不稳定性的影响。而这正是班纳吉团队试图用蛋黄酱理解的问题。

令人困扰的小蘑菇

当我们将水轻轻注入一杯油的表面，尽管水的密度更大，但在最初，水依然会因二者不相溶而浮在油表面。不过，在地球重力的影响下，水油的分界会呈现出非常不稳定的状态：随着时间流逝，位于上层的水会有一部分向下，像“手指”一样流入下方的油中，等体积的油也会形成向上流动的“手指”羽流——这就是瑞利-泰勒不稳定性现象，即两种不同密度的流体在加速度场（比如重力场）下界面的不稳定性。

很容易想象，在瑞利-泰勒不稳定性导致不稳定界面产生波纹或“手指交错”现象后，这些结构会进一步引发两种界面的下沉或上升，出现无数小蘑菇状尖峰，并最终导致二者的混合。而在更暴烈的场景中，比如火山喷发或者核爆炸时，发挥作用的不再是重力场，而是爆炸引发的加速度：膨胀的低密度热气体加速涌入更稠密的大气层，产生蘑菇云——这也是瑞利-泰勒不稳定性的杰作。

在惯性约束核聚变中，也存在类似的瑞利-泰勒不稳定性。理想情况下，当聚变实验启动后，高度对称的靶丸外壳会被均匀分布的高能激光同步烧蚀，形成低密度的等离子体，并均匀地向内加速压缩燃料，使内部燃料的温度升高，形成允许发生聚变反应的“热点”区域（hot spot）。最终燃料核心会达到自我点火的高温高压条件，持续而充分地燃烧，释放大量的聚变能。

然而，由于外壳等离子体与内部燃料的密度差异，界面处不可避免会出现瑞利-泰勒不稳定性。如果此时靶丸外壳的球形度不够标准，激光器不完全对称或者未完全同步，都会产生微小的扰动，引发并加剧瑞利-泰勒不稳定性。而这种现象最直接的影响，就是燃料无法均匀地燃烧，降低聚变产能。

旋转吧！蛋黄酱

如何尽量降低瑞利-泰勒不稳定性的影响，一直是惯性约束聚变研究中的关键挑战。显然，继续改进靶丸的设计，降低结构带来的扰动增长；优化激光的能量分布、脉冲形状，减少压缩过程中加速度的扰动等，这些都是可以抑制瑞利-泰勒不稳定性的策略。

不过，为了更深入地理解并控制聚变反应中等离子体的瑞利-泰勒不稳定性，科学家仍需要开发有效的实验模型来模拟这种效应。考虑到高温和高压条件极难控制，班纳吉和他的团队想到了研究加速固体中瑞利-泰勒不稳定性的绝佳类似物——蛋黄酱。

互联网上曾一度非常流行在淀粉糊上“水上漂”、口香糖开椰子等挑战视频。这些挑战起初令人感到很不可思议，但物理往往能“教会”大家：非牛顿流体是一种剪应力与剪切应变率呈非线性关系的流体。在这类流体中，能实现“水上漂”的淀粉糊属于剪切增稠液体，它表现为遇强则强、遇弱则弱。事实上，班纳吉和团队也测试了不同的非牛顿流体，但这种奇特的材料并不满足惯性约束聚变中可能遇到的类似液-固界面的情况。

在经过各种测试后，班纳吉团队找到了蛋黄酱，一种表现出固体和液体特性之间的混合行为的材料——软固体。而在高温下熔融金属的材料特性和动力学特征，与低温下的蛋黄酱非常相似。

据班纳吉介绍，在无压力时，蛋黄酱表现为一种固体，但当受到压力梯度时，它会开始流动。就像熔融金属一样，如果对蛋黄酱施加压力，它会开始变形，而一旦消除压力，蛋黄酱又会恢复原来的形状。因此，蛋黄酱随压力的相变，往往是先有一个弹性相，然后是一个稳定的塑性相。再下一个阶段是它开始流动时，这时便会开始出现瑞利-泰勒不稳定性。

为了全面彻底地理解蛋黄酱的行为，班纳吉团队曾在2019年进行过实验，他们将蛋黄酱倒入有机玻璃容器中，并在蛋黄酱表面制造不同的波状扰动，然后将容器放置在一个类似“8”字形状的旋转轮上，并通过高速摄像机追踪蛋黄酱的变化。借助图像算法，研究人员得以计算与不稳定性相关的各种参数。通过将各种波长和振幅组合的实验增长率与此类流体的现有分析模型进行比较，班纳吉团队发现，不稳定性阈值与所施加的振幅（扰动）和波长（波峰之间的距离）的大小有关。

他们最新发表的结果表明，对于二维和三维扰动（或运动），初始振幅和波长的减小会产生更稳定的界面，从而增加不稳定性所需的加速度。班纳吉表示，他们的实验证实了此前一项结论：界面的不稳定性演化，很大程度上取决于初始条件的选择，例如振幅和波长。

尽管蛋黄酱实验仅仅只是一项模拟，与现实世界的核聚变条件相差好几个数量级。但班纳吉表示，他仍然希望未来开展的研究能够提高对高温高压环境中流体内部发生的情况的可预测性。

如果蛋黄酱可以用来理解核聚变……那可以期待用花生酱解决早期宇宙物质分布的谜题吗？——为什么不均匀！