Imagine uma garrafa de molho para salada contendo azeite e vinagre. O óleo tem uma densidade menor que o vinagre, então ele flutua no vinagre. O óleo não ficará preso sob o vinagre se a garrafa for virada de cabeça para baixo. Ele irá borbulhar através do vinagre até que um estado estável seja restaurado.

Este processo físico simples é conhecido como instabilidade de Rayleigh-Taylor, e pode ser encontrado em muitos lugares, inclusive na atmosfera, oceanos, estrelas morrendo e experimentos de fusão por confinamento inercial (ICF) no Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL). A instabilidade de Rayleigh-Taylor está relacionada a outra instabilidade chamada instabilidade de Richtmyer-Meshkov, que ocorre quando uma onda de choque acelera impulsivamente uma interface entre dois fluidos. A instabilidade de Richtmyer-Meshkov corresponde aproximadamente a bater a garrafa de molho para salada contra uma mesa.

Na ICF, instabilidades na interface entre dois plasmas de densidades diferentes podem levar à mistura e turbulência, o que pode degradar o desempenho da cápsula. Esses fenômenos têm sido estudados há décadas no LLNL e em outros lugares. Um desafio de longa data é entender como as instabilidades, mistura e turbulência em condições de alta densidade de energia (HED) - como aquelas encontradas na ICF - são semelhantes ou diferentes daquelas em condições não HED. O termo HED refere-se a pressões termodinâmicas superiores a 1 Mbar.

Em um novo jornal no Journal of Fluid Mechanics , um importante estudo computacional de crescimento de instabilidade induzida por choque e mistura em condições HED é apresentado. Jason Bender, Físico do LLNL e autor principal do estudo, disse que a pesquisa é a primeira desse tipo, explicitamente focado no uso de simulações de hidrodinâmica de radiação tridimensional para quantificar como a mistura HED é semelhante ou diferente da mistura não-HED. As simulações são consistentes com os dados experimentais de oito tiros disparados no National Ignition Facility (NIF) como parte da Campanha de Reabastecimento.

O trabalho é o culminar de quase cinco anos de pesquisa por uma equipe multidisciplinar de 16 cientistas do LLNL. Os co-autores do estudo incluem 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 e Ye Zhou.

Bender disse que a equipe identificou várias tendências nas camadas de mistura HED que são semelhantes às das camadas de mistura não-HED.

"Calculamos que o impacto de um segundo choque ou 'reaquecimento' nas camadas de mistura HED aumenta a energia cinética turbulenta em mais de uma ordem de magnitude, semelhante ao que foi encontrado em cenários não HED, "explicou ele." Por outro lado, destacamos duas tendências que são exclusivas do regime HED. Primeiro, nós mostramos isso, durante o reajuste, a geração de vorticidade - uma quantidade chave na mecânica dos fluidos - inclui uma contribuição substancial associada à dilatação. "

Esta descoberta destaca a importância da compressibilidade do plasma e desafia a suposição convencional de que a geração de vorticidade em fluxos com instabilidades de Rayleigh-Taylor e Richtmyer-Meshkov se deve principalmente à produção baroclínica. Segundo, a pesquisa mostra que o mecanismo de condução térmica de elétrons livres suaviza significativamente os gradientes de densidade local nas camadas de mistura, o que causa uma diminuição menor, mas não desprezível, na mistura em relação a um fluxo sem este mecanismo. O papel da condução térmica de elétrons livres no transporte de energia na ICF é bem conhecido. Contudo, nenhum estudo anterior isolou e quantificou especificamente seu papel na mistura induzida por choque HED.

Bender disse que o novo estudo requer o talento e a experiência de uma equipe multidisciplinar de cientistas do LLNL, incluindo teóricos, experimentalistas, designers e cientistas computacionais. As simulações demandaram mais de 2,9 milhões de horas-núcleo em recursos de computação Livermore. O estudo tem uma abordagem de ciência computacional, o que significa que ele tira conclusões que não poderiam ser alcançadas apenas por meio de teoria ou experimentos. A equipe aproveitou muitos modelos computacionais e recursos de simulação que só foram desenvolvidos na última década.

Bender também disse que o artigo lança luz sobre os processos físicos fundamentais na CIF e na astrofísica. Em particular, ele informará os modelos de mistura e turbulência usados ​​para ajudar a projetar cápsulas ICF e compreender seu desempenho.

"O estudo foi impulsionado por uma forte motivação educacional, "disse ele." O artigo foi escrito para ser um guia abrangente para a simulação moderna de crescimento e mistura de instabilidade de HED, acessível tanto para cientistas da ICF quanto para especialistas em mecânica de fluidos não-HED tradicional. Todas as equações governantes e os principais modelos físicos são documentados e descritos com citações de mais de 140 referências. "

Bender disse que muitas questões em aberto permanecem sobre o crescimento da instabilidade e a mistura nas condições extremas vistas na ICF e na astrofísica. Vários esforços experimentais e de modelagem (apoiados por muitos dos autores) estão em andamento para resolver essas questões. Próximos desenvolvimentos no LLNL, como radiografia de raios-X de alta resolução no NIF e códigos de simulação com esquemas de discretização numérica de ordem superior, ajudará a pavimentar o caminho para novas descobertas empolgantes na mecânica dos fluidos HED.

O estudo foi originado como parte da Campanha Reshock no NIF. Originalmente concebido e desenvolvido por Raman e Stephan MacLaren em 2014, a Campanha Reshock produziu um análogo HED de experimentos não-HED na instabilidade Richtmyer-Meshkov, para informar o desenvolvimento do modelo para a pesquisa da CIF. Com os esforços dos principais experimentalistas Huntington e Nagel, os principais designers Raman e Bender e muitos outros, a Campanha Reshock disparou dezenas de tiros NIF entre 2014 e 2020. Publicações anteriores incluem Nagel et al., Física dos Plasmas , Ping Wang et al., Journal of Fluids Engineering , e Huntington et al., Física de alta densidade de energia .