[科普中國]-瑞利泰勒不穩(wěn)定性

影響

當(dāng)?shù)兔芏攘黧w加速高密度流體，或者在重力場中低密度流體支撐高密度流體時，流體界面會出現(xiàn)瑞利-泰勒（RT）不穩(wěn)定性，界面上的擾動發(fā)展會以指數(shù)形式增長。在慣性約束聚變（ICF）內(nèi)爆加速階段，燒蝕產(chǎn)生的高溫低密度等離子體會加速靶丸外殼層低溫高密度燃料，此時會在燒蝕層形成一個流體力學(xué)不穩(wěn)定區(qū)。加速階段RT不穩(wěn)定性會使靶丸表面的瑕疵高速增長，從而最終導(dǎo)致燒蝕殼層的破裂，引起燒蝕層與低溫氘氚燃料的混合，會使內(nèi)爆壓縮失去對稱性，降低氘氚聚變?nèi)剂系膲嚎s密度，嚴(yán)重影響聚變點(diǎn)火實驗。

因此，研究內(nèi)爆過程中的流體力學(xué)不穩(wěn)定性，對實現(xiàn)慣性約束聚變點(diǎn)火具有重要意義。收縮幾何和平面幾何中流體力學(xué)不穩(wěn)定性的演化是有區(qū)別的，在擾動發(fā)展的線性階段，靶丸的半徑隨著內(nèi)爆壓縮而減小，導(dǎo)致擾動波長減小，擾動增長率增大，而在平面幾何中擾動的波長是不變的。在擾動發(fā)展的非線性階段，收縮幾何中“蘑菇”帽結(jié)構(gòu)的寬度會比平面幾何的大，此外，兩種幾何中“尖頂”的下降速度也是不同的，這會導(dǎo)致收縮幾何中開爾文-亥姆霍茲（KH）不穩(wěn)定性的增強(qiáng)，使得擾動的發(fā)展更加劇烈和復(fù)雜。

目前，慣性約束聚變中開展的流體力學(xué)不穩(wěn)定性實驗主要使用平面靶，而實際點(diǎn)火實驗所使用的靶丸是收縮幾何機(jī)構(gòu)，同時收縮幾何效應(yīng)又使得RT不穩(wěn)定性的發(fā)展相較于平面幾何更加復(fù)雜。3

結(jié)構(gòu)會聚結(jié)構(gòu)中的流體動力學(xué)不穩(wěn)定性因在激光慣性約束聚變(ICF)、超新星爆發(fā)等過程中起重要作用而受到廣泛重視，它也是ICF、內(nèi)爆動力學(xué)等需解決的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。在會聚結(jié)構(gòu)中的不穩(wěn)定性問題有三個因素必須考慮：首先，較輕的流體加速較重的流體，即可形成瑞利-泰勒(RT)不穩(wěn)定性；其次，“薄壁”效應(yīng)，它通過外部RT 不穩(wěn)定性表面擾動的饋通，使擾動出現(xiàn)在聚爆球殼的內(nèi)表面。這些內(nèi)表面擾動是極不希望出現(xiàn)的，因為它們影響球殼的壓縮性能；最后，會聚作用隨著球殼聚爆，擾動幅度和球殼厚度都在變化，從而使外部擾動對內(nèi)表面擾動的耦合和影響發(fā)生變化。4