Физики научили металл перемешивать сам себя

Впервые в расплаве металла экспериментально зафиксировано явление, предсказанное ещё в 1979 году. Всё это время учёные регистрировали только косвенные признаки объединяющего несколько областей физики интересного эффекта – а успеха добилась группа исследователей из университета Иллинойса (University of Illinois at Urbana-Champaign).

Расплавленный металл в ходе эксперимента вращался со скоростью до 30 сантиметров в секунду, обнажая даже дно ёмкости (фото University of Illinois).

Специалистам посчастливилось наблюдать, как действуют так называемые термоэлектрические магнитогидродинамические потоки (TEMHD). Они возникают в расплаве металла при взаимодействии градиента температуры, электричества и магнитного поля. В результате жидкость приходит в движение.

Учёные использовали расплав лития. Металл поместили в контейнер из нержавеющей стали с площадью дна около 10 квадратных сантиметров. Глубина слоя лития составила порядка 1 сантиметра. Находящийся в магнитном поле контейнер с металлом обстреляли направленным пучком электронов, добиваясь большой разницы температуры в определённых точках жидкости.

Литий обладает сильными термоэлектрическими свойствами: разница в температуре разных его слоев и имеющейся подложки привела к возникновению внутри жидкости электрического тока, который замкнул своё кольцо через металлическое дно чаши. В результате взаимодействия этого тока и внешнего поля возникали силы, закручивающие расплавленную массу по часовой стрелке. Видеозапись эксперимента можно увидеть на сайте журнала Physical Review Focus.

Открытие было сделано в рамках экспериментальной программы SLiDE (на рисунке – одна из её установок), изучающей возможные варианты защиты стенок термоядерных реакторов при помощи жидких металлов (иллюстрации University of Illinois).

Как сообщается в пресс-релизе, изначально предполагалось, что явление перемешивания вызвано разницей сил поверхностного натяжения в различных местах расплава из-за всё того же градиента температур — эффект Марангони (Marangoni effect). Более тщательное исследование, однако, убедило учёных, что он ни при чём. Зато объяснить движение можно с помощью TEMHD.

Учёные, чья статья опубликована в Physical Review Letters, полагают, что TEMHD-потоки найдут широкое применение как в металлургии, так и в термоядерных реакторах будущего.