本文仿照《高等应用数学》课本中介绍万有引力的发现的思路，简要介绍流体不稳定性与激光-等离子体不稳定性（LPI）的发现与研究历程，及其在惯性约束核聚变（ICF）中的应用。
引言
牛奶倒进咖啡，泥沙倾入河流，核爆腾起烟云，种出朵朵蘑菇。你是否想过，这些“蘑菇”彼此如此相似，又叫什么名字？又是否知道，“瓶中太阳”——惯性约束核聚变（ICF）中，这朵朵蘑菇，可能会阻止毫厘之间的微型核爆？
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如果在一百多年前提起流体力学，人们大概想到的会是空气动力学与水动力学，以及对应的“只会做实验的工程师”与“无法处理粘性问题的数学家”们；但在现在提到流体力学一词，人们想到的往往是流动不稳定性、湍流与CFD方法，以及雷诺（Reynolds）的大名与他在1883年的管流实验。事实上，自1870年左右Kelvin与Helmholtz发现不同速度或密度的流体同向流动时的不稳定性（K-H不稳定性）以来，流体不稳定性逐渐成为流体力学研究的重点之一。随着20世纪实验流体力学与计算流体力学的发展，人们对流体不稳定性的研究逐渐深入，逐渐发展出理论和计算工具，发现并研究了Rayleigh–Taylor(R-T)不稳定性、Richtmyer–Meshkov(R-M)不稳定性、K-H不稳定性、Marangoni不稳定性等不稳定现象。简单来说，未衰减的扰动引起不稳定，扰动的传播形成形形色色的波，波的相互作用引起流体不稳定性。
20世纪80-90年代，高能物理、非线性光学、天体物理、惯性约束核聚变等领域的发展催生了对等离子体流动不稳定性的研究。等离子体是多时空尺度、多自由度的多粒子体系，存在着大量的运动模式。在等离子体中，扰动对应的波更为复杂，除了波-波相互作用外，波与粒子间的动理学相互作用也不可忽视[1]，况且还有外加的激光对等离子体的调控作用。这些复杂过程使得等离子体不稳定性变得极其复杂。
下面，介绍几种等离子体中的不稳定性，并简要介绍其与流体不稳定性的异同。
几种等离子体不稳定性
等离子体有大量的不稳定行为。宏观尺度上，等离子体可以看作是一种磁流体，会出现
流体R-T不稳定性与R-M不稳定性等行为[2]。但等离子体的流动性质与其对于磁场的响应均与牛顿流体不同，使其行为不同。已有学者研究了等离子体下的R-T与R-M不稳定性[3]、横向磁场下的R-T与R-M不稳定性[4]等。来自中科大闫锐课题组的张德华等，通过数值求解可压缩流动磁流体方程，研究了ICF加速过程中电子运动引起的自生磁场下的R-T不稳定性（ARTI）[5]，发现ICF加速过程中会产生高达约100T的自生磁场。磁场下的“气泡”与“尖钉”乍一看还是老样子，但实则大有不同。磁化热流将影响流动结构，使得气泡内部的涡量更大，气泡的加速更快，特别是在短波长情况下。他们指出，此过程造成的不稳定性可能破坏聚变靶丸的烧蚀加速过程，使ICF无法进行。
而在更微观的尺度上，激光等离子体不稳定性让等离子体变得更加难以捉摸。常见的等离子体中的波主要有电子等离子体波、离子声波等，它们和激光相互作用，可能激发出受激拉曼散射（SRS）、受激布里渊散射（SBS）、双等离子体衰变（TPD）、离子声波衰变、朗缪尔波衰变（LDI）和双离子波衰变（TID）等参量不稳定性[1]。其中，受激拉曼散射（SRS）和受激布里渊散射（SBS）是需要加以控制的主要不稳定性过程。纷繁的参量不稳定性过程，是ICF研究中的一大挑战。
结语
自流体不稳定性的发现以来，人们已对Rayleigh–Taylor（R-T）和Richtmyer–Meshkov（R-M）、Kelvin–Helmholtz（K-H）不稳定性等流体不稳定性现象做了大量研究，理论研究与数值模拟办法均了长足进步。随着研究对象扩展到等离子体，由传统流体不稳定性理论发展出的研究在ICF中大显身手。
不稳定性是一把双刃剑，利用它，可以混合物质；抑制它，有望引发聚变。用一首小诗作结吧：
气泡、手指、尖钉
咖啡、牛奶、电浆
蝴蝶的翅膀
塑造恒星的形状
参考文献
[1] 余诗瀚, 李晓锋, 翁苏明, 等. 激光等离子体不稳定性及其抑制方案研究[J]. 强激光与粒子束, 2021,
33(1): 112-128 [2023-11-16].
[2] 王立锋, 叶文华, 陈竹, 等. 激光聚变内爆流体不稳定性基础问题研究进展[J]. 强激光与粒子束, 2021,
33(1): 5-64 [2024-11-09].
[3] YOUNGS D L. Numerical simulation of mixing by Rayleigh–Taylor and Richtmyer–Meshkov instabilities[J]. Laser and Particle Beams, 1994, 12(4): 725-750 [2024-11-12]. DOI: 10.1017/S0263034600008557.
[4] KHAN M, MANDAL L, BANERJEE R, et al. Development of Richtmyer–Meshkov and Rayleigh–Taylor instability in the presence of magnetic field[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. Superstrong 2010 2011, 653(1): 2-6[2024-11-12]. DOI: 10.1016/j.nima.2011.02.086.
[5] ZHANG D, LI J, XIN J, et al. Self-generated magnetic field in ablative Rayleigh – Taylor instability[J]. Physics of Plasmas, 2022, 29(7): 072702 [2023-07-24]. DOI: 10.1063/5.0092234.
发表日期： 2024-12-22
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