Imaginez une bouteille de vinaigrette contenant de l'huile et du vinaigre. L'huile a une densité plus faible que le vinaigre, donc il flotte sur le vinaigre. L'huile ne restera pas piégée sous le vinaigre si la bouteille est retournée. Il bouillonnera à travers le vinaigre jusqu'à ce qu'un état stable soit restauré.

Ce processus physique simple est connu sous le nom d'instabilité de Rayleigh-Taylor, et il peut être trouvé dans de nombreux endroits, y compris dans l'atmosphère, océans, les étoiles mourantes et les expériences de fusion par confinement inertiel (ICF) au Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL). L'instabilité de Rayleigh-Taylor est liée à une autre instabilité appelée instabilité de Richtmyer-Meshkov, qui se produit lorsqu'une onde de choc accélère impulsivement une interface entre deux fluides. L'instabilité de Richtmyer-Meshkov correspond à peu près au fait de frapper la bouteille de vinaigrette contre une table.

En CIF, les instabilités à l'interface entre deux plasmas de densités différentes peuvent conduire à des mélanges et des turbulences, ce qui peut dégrader les performances de la capsule. Ces phénomènes sont étudiés depuis des décennies au LLNL et ailleurs. Un défi de longue date a été de comprendre comment les instabilités, le mélange et la turbulence dans des conditions de haute densité d'énergie (HED) - comme ceux rencontrés dans l'ICF - sont similaires ou différents de ceux dans des conditions non-HED. Le terme HED désigne des pressions thermodynamiques supérieures à 1 Mbar.

Dans un nouveau journal du Journal de mécanique des fluides , une étude informatique majeure de la croissance et du mélange de l'instabilité induite par les chocs dans des conditions HED est présentée. Jason Bender, Physicien du LLNL et auteur principal de l'étude, dit que la recherche est la première du genre, explicitement axé sur l'utilisation de simulations hydrodynamiques de rayonnement tridimensionnelles pour quantifier en quoi le mélange HED est similaire ou différent du mélange non HED. Les simulations sont cohérentes avec les données expérimentales de huit coups de feu tirés sur le National Ignition Facility (NIF) dans le cadre de la campagne Reshock.

Le travail est l'aboutissement de près de cinq années de recherche par une équipe multidisciplinaire de 16 scientifiques du LLNL. Les co-auteurs de l'étude incluent 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, Philippe Sterne, Christopher Wehrenberg et Ye Zhou.

Bender a déclaré que l'équipe a identifié plusieurs tendances dans les couches de mélange HED qui sont similaires à celles des couches de mélange non HED.

"Nous calculons que l'impact d'un deuxième choc ou "rechoc" sur les couches de mélange HED augmente l'énergie cinétique turbulente de plus d'un ordre de grandeur, similaire à ce qui a été trouvé dans les scénarios non HED, " expliqua-t-il. " A l'inverse, nous soulignons deux tendances propres au régime HED. D'abord, nous montrons que, lors d'un nouveau choc, la génération de vorticité - une grandeur clé en mécanique des fluides - comprend une contribution substantielle associée à la dilatation."

Cette découverte met en évidence l'importance de la compressibilité du plasma et remet en question une hypothèse conventionnelle selon laquelle la génération de tourbillon dans les écoulements avec des instabilités de Rayleigh-Taylor et de Richtmyer-Meshkov est principalement due à la production barocline. Seconde, la recherche montre que le mécanisme de conduction thermique des électrons libres adoucit considérablement les gradients de densité locaux dans les couches de mélange, ce qui provoque une diminution mineure mais non négligeable du mélange par rapport à un débit sans ce mécanisme. Le rôle de la conduction thermique des électrons libres dans le transport de l'énergie dans l'ICF est bien connu. Cependant, aucune étude précédente n'a spécifiquement isolé et quantifié son rôle dans le mélange induit par le choc HED.

Bender a déclaré que la nouvelle étude nécessitait les talents et l'expertise d'une équipe multidisciplinaire de scientifiques du LLNL, y compris les théoriciens, expérimentateurs, concepteurs et informaticiens. Les simulations ont demandé plus de 2,9 millions d'heures de base sur les ressources informatiques de Livermore. L'étude adopte une approche de la science informatique, ce qui signifie qu'il tire des conclusions qui ne pourraient pas être atteintes par la théorie ou les expériences seules. L'équipe a tiré parti de nombreux modèles informatiques et capacités de simulation qui n'ont été développés qu'au cours de la dernière décennie.

Bender a également déclaré que l'article mettait en lumière les processus physiques fondamentaux de l'ICF et de l'astrophysique. En particulier, il informera les modèles de mélange et de turbulence qui sont utilisés pour aider à concevoir des capsules ICF et à comprendre leurs performances.

« L'étude a été motivée par une forte motivation pédagogique, " a-t-il dit. " Le document a été écrit pour être un guide complet de la simulation moderne de la croissance et du mélange de l'instabilité HED, accessible à la fois aux scientifiques de l'ICF et aux experts en mécanique des fluides traditionnelle non-HED. Toutes les équations gouvernantes et les modèles physiques clés sont documentés et décrits avec des citations de plus de 140 références. »

Bender a déclaré que de nombreuses questions restent ouvertes sur la croissance de l'instabilité et le mélange dans les conditions extrêmes observées dans l'ICF et l'astrophysique. Divers efforts d'expérimentation et de modélisation (soutenus par de nombreux auteurs) sont en cours pour répondre à ces questions. Développements à venir chez LLNL, tels que la radiographie à rayons X à haute résolution au NIF et les codes de simulation avec des schémas de discrétisation numérique d'ordre supérieur, contribuera à ouvrir la voie à de nouvelles découvertes passionnantes en mécanique des fluides HED.

L'étude est née dans le cadre de la campagne Reshock au NIF. Conçu et développé à l'origine par Raman et Stephan MacLaren en 2014, la campagne Reshock a produit un analogue HED d'expériences non-HED sur l'instabilité de Richtmyer-Meshkov, pour éclairer le développement de modèles pour la recherche sur la CIF. Avec les efforts des principaux expérimentateurs Huntington et Nagel, les concepteurs principaux Raman et Bender et bien d'autres, la campagne Reshock a tiré des dizaines de coups de feu NIF entre 2014 et 2020. Les publications précédentes incluent Nagel et al., Physique des plasmas , Ping Wang et al., Journal de l'ingénierie des fluides , et Huntington et al., Physique des hautes densités d'énergie .