Imagínese una botella de aderezo para ensaladas que contiene aceite y vinagre. El aceite tiene una densidad menor que el vinagre, por lo que flota en el vinagre. El aceite no quedará atrapado debajo del vinagre si la botella se da vuelta. Burbujeará a través del vinagre hasta que se restablezca un estado estable.

Este simple proceso físico se conoce como inestabilidad de Rayleigh-Taylor, y se puede encontrar en muchos lugares, incluso en la atmósfera, océanos estrellas moribundas y experimentos de fusión por confinamiento inercial (ICF) en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL). La inestabilidad de Rayleigh-Taylor está relacionada con otra inestabilidad llamada inestabilidad de Richtmyer-Meshkov, que ocurre cuando una onda de choque acelera impulsivamente una interfaz entre dos fluidos. La inestabilidad de Richtmyer-Meshkov corresponde aproximadamente a golpear la botella de aderezo para ensaladas contra una mesa.

En ICF, Las inestabilidades en la interfaz entre dos plasmas de diferentes densidades pueden provocar mezcla y turbulencia. que puede degradar el rendimiento de la cápsula. Estos fenómenos se han estudiado durante décadas en LLNL y en otros lugares. Un desafío de larga data ha sido comprender cómo las inestabilidades, la mezcla y la turbulencia en condiciones de alta densidad de energía (HED), como las que se encuentran en ICF, son similares o diferentes de las que se encuentran en condiciones sin HED. El término HED se refiere a presiones termodinámicas superiores a 1 Mbar.

En un nuevo documento en el Revista de mecánica de fluidos , Se presenta un importante estudio computacional del crecimiento y la mezcla de la inestabilidad inducida por el choque en condiciones de HED. Jason Bender, Físico de LLNL y autor principal del estudio, dijo que la investigación es la primera de su tipo, se centró explícitamente en el uso de simulaciones de hidrodinámica de radiación tridimensional para cuantificar cómo la mezcla de HED es similar o diferente de la mezcla sin HED. Las simulaciones son consistentes con los datos experimentales de ocho disparos realizados en la Instalación Nacional de Ignición (NIF) como parte de la Campaña Reshock.

El trabajo es la culminación de casi cinco años de investigación por parte de un equipo multidisciplinario de 16 científicos del LLNL. Los coautores del estudio incluyen a 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, Philip Sterne, Christopher Wehrenberg y Ye Zhou.

Bender dijo que el equipo identificó varias tendencias en las capas de mezcla HED que son similares a las de las capas de mezcla que no son HED.

"Calculamos que el impacto de un segundo choque o 're-choque' en las capas de mezcla del HED aumenta la energía cinética turbulenta en más de un orden de magnitud, similar a lo que se ha encontrado en escenarios no HED, ", explicó." A la inversa, destacamos dos tendencias que son exclusivas del régimen HED. Primero, te mostramos eso, durante el reshock, la generación de vorticidad, una cantidad clave en la mecánica de fluidos, incluye una contribución sustancial asociada con la dilatación ".

Este hallazgo destaca la importancia de la compresibilidad del plasma y desafía la suposición convencional de que la generación de vorticidad en flujos con inestabilidades de Rayleigh-Taylor y Richtmyer-Meshkov se debe principalmente a la producción baroclínica. Segundo, la investigación muestra que el mecanismo de conducción térmica de electrones libres suaviza significativamente los gradientes de densidad local en las capas de mezcla, lo que provoca una disminución menor pero no despreciable en la mezcla con respecto a un flujo sin este mecanismo. El papel de la conducción térmica de electrones libres en el transporte de energía en ICF es bien conocido. Sin embargo, ningún estudio previo ha aislado y cuantificado específicamente su papel en la mezcla inducida por choque HED.

Bender dijo que el nuevo estudio requería el talento y la experiencia de un equipo multidisciplinario de científicos de LLNL, incluidos los teóricos, experimentalistas, diseñadores y científicos computacionales. Las simulaciones demandaron más de 2,9 millones de horas centrales en recursos de Livermore Computing. El estudio adopta un enfoque de ciencia computacional, lo que significa que saca conclusiones a las que no se puede llegar a través de la teoría o los experimentos únicamente. El equipo aprovechó muchos modelos computacionales y capacidades de simulación que solo se desarrollaron en la última década.

Bender también dijo que el documento arroja luz sobre los procesos físicos fundamentales en ICF y astrofísica. En particular, informará a los modelos de mezcla y turbulencia que se utilizan para ayudar a diseñar cápsulas ICF y comprender su rendimiento.

"El estudio fue impulsado por una fuerte motivación educativa, ", dijo." El documento fue escrito para ser una guía completa para la simulación moderna del crecimiento y la mezcla de la inestabilidad de HED, accesible tanto para los científicos de ICF como para los expertos en mecánica de fluidos tradicional no HED. Todas las ecuaciones que rigen y los modelos físicos clave están documentados y descritos con citas de más de 140 referencias ".

Bender dijo que quedan muchas preguntas abiertas sobre el crecimiento de la inestabilidad y la mezcla en las condiciones extremas observadas en la ICF y la astrofísica. Se están realizando varios esfuerzos experimentales y de modelado (apoyados por muchos de los autores) para abordar estas preguntas. Próximos desarrollos en LLNL, como radiografía de rayos X de mayor resolución en NIF y códigos de simulación con esquemas de discretización numérica de orden superior, ayudará a allanar el camino hacia nuevos y emocionantes descubrimientos en la mecánica de fluidos HED.

El estudio se originó como parte de la Campaña Reshock en NIF. Originalmente concebido y desarrollado por Raman y Stephan MacLaren en 2014, la Campaña Reshock produjo un análogo de HED de experimentos no HED sobre la inestabilidad Richtmyer-Meshkov, para informar el desarrollo de modelos para la investigación de la ICF. Con los esfuerzos de los principales experimentadores Huntington y Nagel, los diseñadores principales Raman y Bender y muchos otros, la Campaña Reshock disparó decenas de disparos NIF entre 2014 y 2020. Publicaciones anteriores incluyen Nagel et al., Física de Plasmas , Ping Wang y col., Revista de ingeniería de fluidos , y Huntington et al., Física de alta densidad de energía .