Hydrodynamic modelling of the shock ignition scheme for inertial confinement fusion

par Alexandra Vallet

Thèse de doctorat en Astrophysique, plasmas, nucléaire

Sous la direction de Vladimir Tikhonchuk et de Xavier Ribeyre.

Le président du jury était Dimitri Batani.

Le jury était composé de Erik Lefebvre, Peter Norreys.

Les rapporteurs étaient Serge Bouquet, Stefano Atzeni.

  • Titre traduit

    Modélisation hydrodynamique du schéma d'allumage par choc pour la fusion par confinement inertiel


  • Résumé

    Le schéma d'allumage par choc pour la fusion par confinement inertiel utilise une impulsion laser intense à la fin d'une phase d'assemblage de combustible. Les paramètres clefs de ce schéma sont la génération d'une haute pression d'ablation, l'amplification de la pression du choc généré par un facteur supérieur à cent et le couplage du choc avec le point chaud de la cible. Dans cette thèse, de nouveaux modèles semi-analytiques sont développés afin de décrire le choc d'allumage depuis sa génération jusqu'à l'allumage du combustible. Tout d'abord, un choc sphérique convergent dans le coeur pré-chauffé de la cible est décrit. Le modèle est obtenu par perturbation de la solution auto-semblable de Guderley en tenant compte du nombre de Mach du choc élevé mais fini. La correction d'ordre un tient compte de l'effet de la force du choc. Un critère d'allumage analytique est exprimé en fonction de la densité surfacique du point chaud et de la pression du choc d'allumage. Le seuil d'allumage est plus élevé pour un nombre de Mach faible. Il est montré que la pression minimale du choc, lorsqu'il entre dans le coeur de la cible, est de 20Gbar. La dynamique du choc dans la coquille en implosion est ensuite analysée. Le choc se propage dans un milieu non inertiel avec un fort gradient de pression et une augmentation temporelle générale de la pression. La pression du choc est amplifiée plus encore durant la collision avec une onde de choc divergente provenant de la phase d'assemblage. Les modèles analytiques développés permettent une description de la pression et de la force du choc dans une simulation typique de l'allumage par choc. Il est démontré que, dans le cas d'une cible HiPER, une pression initiale du choc de l'ordre de 300 Mbar dans la zone d'ablation est nécessaire. Il est proposé une analyse des expériences sur la génération de chocs forts avec l'installation laser OMEGA. Il est montré qu'une pression du choc proche de 300Mbar est atteinte près de la zone d'ablation avec une intensité laser absorbée de l'ordre de 2 X 10(15) W.cm-2 et une longueur d'onde de 351 nm. Cette valeur de la pression est deux fois plus importante que la valeur attendue en considérant une absorption collisionnelle de l'énergie laser. Cette importante différence est expliquée par la contribution d'électrons supra-thermiques générés durant l'interaction laser/plasma dans la couronne. Les modèles analytiques proposés permettent une optimisation de l'allumage par choc lorsque les paramètres de la phase d'assemblage, sont pris en compte. Les diverses approches analytiques, numériques et expérimentales sont cohérentes entre-elles.


  • Résumé

    The shock ignition concept in inertial confinement fusion uses an intense power spike at the end of an assembly laser pulse. the key feature of shock ignition are the generation of a high ablation pressure, the shock pressure amplification by at least a factor of a hundred in the cold fuel shell and the shock coupling to the hot-spot. in this theses, new semi-analytical hydrodynamic models are developed to describe the ignitor shock from its generation up to the moment of fuel ignition. A model is developed to describe a spherical concerging shock wave in a pre-heated hotspot. The self-similar solution developed by Guderley is perturbed over the shock Mach number Ms >>1. The first order correction accounts for the effects of the shock strength. An analytical ignition criterion is defined in terms of the shock strength ans th hot-spot areal density. The ignition threshold is higher when the initial Mach number of the shock is lower. A minimal shock pressure of 20 Gbar is needed when it enters the hot-spot. The shock dynamics in the imploding shell is the analyzed. The shock is propagating into a non inertial medium with a high radial pressure gradient and an averall pressure increase with time. The collision with a returning shock coming from the assembly phase enhances further the ignitor shock pressure. The analytica theory allows to des cribe the shock pressure and strength evolution in a typical shock ignition implosion. It is demonstrated that, in the case of the HiPER target design, a generation shock pressure near the ablation zone on the order of 300-400 Mbar is needed. An analysis of experiments on the strong shock generation performed on the OMEGA laser facility is presented. It is sown that a shock presssure close to 300 Mbar near the ablation zone has been reached with an absorbed laser intensity up to 2 x 10(15) W:cm-2 and a laser wavelength of 351 nm. This value is two times higher than the one expected from collisional laser absorption only. That significant pressure enhancement is explained by contribution of hot-electrons generated by non-linear laser/plasma interaction in the corona. The proposed analytical models allow to optimize the shock ignition scheme, including the inuence of the implosion parameters. Analytical, numerical and experimental results are mutualy consistent.


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