Stel je een fles saladedressing voor met olie en azijn. De olie heeft een lagere dichtheid dan azijn, zodat het op de azijn drijft. De olie blijft niet onder de azijn hangen als de fles ondersteboven wordt gedraaid. Het zal door de azijn omhoog borrelen totdat een stabiele toestand is hersteld.

Dit eenvoudige fysieke proces staat bekend als Rayleigh-Taylor-instabiliteit, en het is op veel plaatsen te vinden, ook in de atmosfeer, oceanen, stervende sterren en inertiële opsluitingsfusie (ICF) experimenten in het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL). Rayleigh-Taylor instabiliteit is gerelateerd aan een andere instabiliteit genaamd Richtmyer-Meshkov instabiliteit, die optreedt wanneer een schokgolf impulsief een grensvlak tussen twee vloeistoffen versnelt. De instabiliteit van Richtmyer-Meshkov komt ongeveer overeen met het slaan van een fles saladedressing tegen een tafel.

Bij ICF, instabiliteiten op het grensvlak tussen twee plasma's van verschillende dichtheden kunnen leiden tot vermenging en turbulentie, die de prestaties van de capsule kunnen verminderen. Deze verschijnselen worden al tientallen jaren bestudeerd bij LLNL en elders. Een langdurige uitdaging was om te begrijpen hoe instabiliteiten, menging en turbulentie bij omstandigheden met een hoge energiedichtheid (HED) - zoals die voorkomen bij ICF - zijn vergelijkbaar met of verschillen van die bij niet-HED-omstandigheden. De term HED verwijst naar thermodynamische drukken groter dan 1 Mbar.

In een nieuwe krant in de Journal of Fluid Mechanics , een grote computationele studie van schok-geïnduceerde instabiliteitsgroei en menging onder HED-omstandigheden wordt gepresenteerd. Jason Bender, LLNL-fysicus en hoofdauteur van de studie, zei dat het onderzoek het eerste in zijn soort is, expliciet gericht op het gebruik van driedimensionale stralingshydrodynamica-simulaties om te kwantificeren hoe HED-menging vergelijkbaar is met of verschilt van niet-HED-menging. De simulaties komen overeen met experimentele gegevens van acht schoten die zijn afgevuurd op de National Ignition Facility (NIF) als onderdeel van de Reshock-campagne.

Het werk is het resultaat van bijna vijf jaar onderzoek door een multidisciplinair team van 16 LLNL-wetenschappers. Co-auteurs van de studie zijn Oleg Schilling, Kumar Raman, Robert Managan, Britt Olson, Sean Copeland, C. Leland Ellison, David Erskine, Channing Huntington, Brandon Morgan, Sabrina Nagel, Shon Prisbrey, Brian Pudliner, Philip Sterne, Christopher Wehrenberg en Ye Zhou.

Bender zei dat het team verschillende trends in de HED-menglagen heeft geïdentificeerd die vergelijkbaar zijn met die in niet-HED-menglagen.

"We berekenen dat de impact van een tweede schok of 'reshock' op de HED-menglagen de turbulente kinetische energie met meer dan één orde van grootte verhoogt, vergelijkbaar met wat is gevonden in niet-HED-scenario's, "legde hij uit. "Omgekeerd, we belichten twee trends die uniek zijn voor het HED-regime. Eerst, wij laten zien dat tijdens herschokken, het genereren van vorticiteit - een belangrijke hoeveelheid in de vloeistofmechanica - omvat een substantiële bijdrage in verband met dilatatie."

Deze bevinding benadrukt het belang van de samendrukbaarheid van plasma en het daagt een conventionele veronderstelling uit dat het genereren van vorticiteit in stromingen met Rayleigh-Taylor en Richtmyer-Meshkov-instabiliteit voornamelijk te wijten is aan baroklinische productie. Tweede, het onderzoek toont aan dat het mechanisme van thermische geleiding van vrije elektronen de lokale dichtheidsgradiënten in de menglagen aanzienlijk verzacht, wat een kleine maar niet te verwaarlozen afname van de menging veroorzaakt ten opzichte van een stroming zonder dit mechanisme. De rol van thermische geleiding van vrije elektronen bij het transport van energie in ICF is algemeen bekend. Echter, geen eerdere studie heeft specifiek zijn rol in door HED-schok geïnduceerde vermenging geïsoleerd en gekwantificeerd.

Bender zei dat de nieuwe studie de talenten en expertise van een multidisciplinair team van LLNL-wetenschappers vereiste, inclusief theoretici, experimentatoren, ontwerpers en computerwetenschappers. De simulaties eisten meer dan 2,9 miljoen core-uren op Livermore Computing-resources. De studie volgt een computationele wetenschappelijke benadering, wat betekent dat het conclusies trekt die niet alleen via theorie of experimenten kunnen worden bereikt. Het team maakte gebruik van veel rekenmodellen en simulatiemogelijkheden die pas in het afgelopen decennium zijn ontwikkeld.

Bender zei ook dat het artikel licht werpt op fundamentele fysieke processen in ICF en astrofysica. Vooral, het zal modellen van menging en turbulentie informeren die worden gebruikt om ICF-capsules te helpen ontwerpen en hun prestaties te begrijpen.

"De studie werd gedreven door een sterke educatieve motivatie, " zei hij. "De paper is geschreven als een uitgebreide gids voor moderne simulatie van groei en vermenging van HED-instabiliteit, toegankelijk voor zowel ICF-wetenschappers als experts in traditionele niet-HED-vloeistofmechanica. Alle heersende vergelijkingen en belangrijke fysieke modellen zijn gedocumenteerd en beschreven met citaten naar meer dan 140 referenties."

Bender zei dat er nog veel open vragen zijn over de groei en vermenging van instabiliteit onder de extreme omstandigheden die worden gezien in ICF en astrofysica. Verschillende experimentele en modelleringsinspanningen (ondersteund door veel van de auteurs) zijn aan de gang om deze vragen te beantwoorden. Aanstaande ontwikkelingen bij LLNL, zoals röntgenradiografie met hogere resolutie bij NIF en simulatiecodes met numerieke discretisatieschema's van hogere orde, zal helpen de weg vrij te maken voor spannende nieuwe ontdekkingen in HED-vloeistofmechanica.

Het onderzoek is ontstaan ​​als onderdeel van de Reshock-campagne bij NIF. Oorspronkelijk bedacht en ontwikkeld door Raman en Stephan MacLaren in 2014, de Reshock-campagne produceerde een HED-analoog van niet-HED-experimenten op de Richtmyer-Meshkov-instabiliteit, om modelontwikkeling voor ICF-onderzoek te informeren. Met de inspanningen van de leidende experimentatoren Huntington en Nagel, hoofdontwerpers Raman en Bender en vele anderen, de Reshock-campagne heeft tussen 2014 en 2020 tientallen NIF-schoten afgevuurd. Eerdere publicaties zijn onder meer Nagel et al., Fysica van plasma's , Ping Wang et al., Journal of Fluids Engineering , en Huntington et al., Fysica met hoge energiedichtheid .