Immagina una bottiglia di condimento per insalata contenente olio e aceto. L'olio ha una densità inferiore all'aceto, così galleggia sull'aceto. L'olio non rimarrà intrappolato sotto l'aceto se la bottiglia viene capovolta. Bollerà attraverso l'aceto fino a quando non verrà ripristinato uno stato stabile.

Questo semplice processo fisico è noto come instabilità di Rayleigh-Taylor, e si può trovare in molti luoghi anche nell'atmosfera, oceani, stelle morenti ed esperimenti di fusione a confinamento inerziale (ICF) al Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL). L'instabilità di Rayleigh-Taylor è correlata a un'altra instabilità chiamata instabilità di Richtmyer-Meshkov, che si verifica quando un'onda d'urto accelera impulsivamente un'interfaccia tra due fluidi. L'instabilità di Richtmyer-Meshkov corrisponde approssimativamente a colpire la bottiglia di condimento per insalata contro un tavolo.

Nell'ICF, instabilità all'interfaccia tra due plasmi di diversa densità possono portare a miscelazione e turbolenza, che può degradare le prestazioni della capsula. Questi fenomeni sono stati studiati per decenni al LLNL e altrove. Una sfida di lunga data è stata quella di capire come le instabilità, la miscelazione e la turbolenza in condizioni di alta densità di energia (HED), come quelle incontrate nell'ICF, sono simili o diverse da quelle in condizioni non HED. Il termine HED si riferisce a pressioni termodinamiche maggiori di 1 Mbar.

In un nuovo giornale in Journal of Fluid Mechanics , viene presentato un importante studio computazionale sulla crescita e la miscelazione dell'instabilità indotta da shock in condizioni HED. Jason Bender, fisico LLNL e autore principale dello studio, ha detto che la ricerca è la prima del suo genere, si è concentrato esplicitamente sull'uso di simulazioni idrodinamiche della radiazione tridimensionale per quantificare in che modo la miscelazione HED è simile o diversa dalla miscelazione non HED. Le simulazioni sono coerenti con i dati sperimentali di otto colpi sparati al National Ignition Facility (NIF) come parte della campagna Reshock.

Il lavoro è il culmine di quasi cinque anni di ricerca da parte di un team multidisciplinare di 16 scienziati LLNL. I coautori dello studio includono Oleg Schilling, Kumar Raman, Robert Managan, Britton Olson, Sean Copeland, C.Leland Ellison, David Erskine, Channing Huntington, Brandon Morgan, Sabrina Nagel, Shon Prisbrey, Brian Pudliner, Filippo Sterne, Christopher Wehrenberg e Ye Zhou.

Bender ha affermato che il team ha identificato diverse tendenze negli strati di miscelazione HED che sono simili a quelle negli strati di miscelazione non HED.

"Calcoliamo che l'impatto di un secondo shock o 'reshock' sugli strati di miscelazione HED aumenta l'energia cinetica turbolenta di oltre un ordine di grandezza, simile a quanto riscontrato in scenari non HED, " ha spiegato. "Al contrario, evidenziamo due tendenze che sono uniche per il regime HED. Primo, dimostriamo che, durante il reshock, la generazione di vorticità, una quantità chiave nella meccanica dei fluidi, include un contributo sostanziale associato alla dilatazione."

Questa scoperta evidenzia l'importanza della compressibilità del plasma e sfida l'assunto convenzionale che la generazione di vorticità nei flussi con instabilità di Rayleigh-Taylor e Richtmyer-Meshkov sia principalmente dovuta alla produzione baroclina. Secondo, la ricerca mostra che il meccanismo di conduzione termica degli elettroni liberi ammorbidisce significativamente i gradienti di densità locali negli strati di miscelazione, che provoca una diminuzione minore ma non trascurabile della miscelazione rispetto ad un flusso senza questo meccanismo. Il ruolo della conduzione termica di elettroni liberi nel trasporto di energia nell'ICF è ben noto. Però, nessuno studio precedente ha specificamente isolato e quantificato il suo ruolo nella miscelazione indotta da shock HED.

Bender ha affermato che il nuovo studio richiede il talento e l'esperienza di un team multidisciplinare di scienziati LLNL, compresi i teorici, sperimentalisti, designer e scienziati computazionali. Le simulazioni hanno richiesto più di 2,9 milioni di ore core sulle risorse di Livermore Computing. Lo studio adotta un approccio di scienza computazionale, il che significa che trae conclusioni che non potrebbero essere raggiunte tramite la teoria o gli esperimenti da soli. Il team ha sfruttato molti modelli computazionali e capacità di simulazione che sono stati sviluppati solo nell'ultimo decennio.

Bender ha anche affermato che il documento fa luce sui processi fisici fondamentali nell'ICF e nell'astrofisica. In particolare, informerà i modelli di miscelazione e turbolenza che vengono utilizzati per aiutare a progettare capsule ICF e comprenderne le prestazioni.

"Lo studio è stato guidato da una forte motivazione educativa, " ha detto. "Il documento è stato scritto per essere una guida completa alla moderna simulazione della crescita e della miscelazione dell'instabilità HED, accessibile sia agli scienziati ICF che agli esperti di meccanica dei fluidi tradizionale non HED. Tutte le equazioni di governo e i modelli fisici chiave sono documentati e descritti con citazioni a più di 140 riferimenti."

Bender ha affermato che rimangono molte domande aperte sulla crescita dell'instabilità e sulla miscelazione nelle condizioni estreme osservate nell'ICF e nell'astrofisica. Sono in corso vari sforzi sperimentali e di modellazione (supportati da molti degli autori) per affrontare queste domande. Prossimi sviluppi a LLNL, come la radiografia a raggi X ad alta risoluzione al NIF e i codici di simulazione con schemi di discretizzazione numerica di ordine superiore, aiuterà a spianare la strada a nuove entusiasmanti scoperte nella meccanica dei fluidi HED.

Lo studio è nato come parte della campagna Reshock al NIF. Originariamente concepito e sviluppato da Raman e Stephan MacLaren nel 2014, la campagna Reshock ha prodotto un analogo HED di esperimenti non HED sull'instabilità Richtmyer-Meshkov, per informare lo sviluppo del modello per la ricerca ICF. Con gli sforzi dei principali sperimentatori Huntington e Nagel, lead designer Raman e Bender e molti altri, la campagna Reshock ha sparato dozzine di colpi NIF tra il 2014 e il 2020. Le pubblicazioni precedenti includono Nagel et al., Fisica dei Plasmi , Ping Wang et al., Journal of Fluids Engineering , e Huntington et al., Fisica ad alta densità di energia .