Calcul de structures atomiques et des propriétés radiatives des plasmas de fusion

par Walid Jarrah

Thèse de doctorat en Physique des plasmas

Sous la direction de Djamel Benredjem.

Soutenue le 19-12-2017

à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Ondes et Matière (Orsay, Essonne ; 2015-....) , en partenariat avec Laboratoire Aimé Cotton (Orsay, Essonne ; 1927-....) (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement opérateur d'inscription) .

Le président du jury était Stéphane Sebban.

Le jury était composé de Djamel Benredjem, Stéphane Sebban, Annette Calisti, Arnaud Bultel, Jean-Christophe Pain.

Les rapporteurs étaient Annette Calisti, Arnaud Bultel.


  • Résumé

    Les propriétés radiatives sont d'une importance cruciale lors de l'étude des plasmas astrophysiques et de fusion, particulièrement dans des conditions hors équilibre thermodynamique local (hors-ETL). C'est pourquoi nous avons développé un modèle collisionnel-radiatif, capable de calculer les propriétés radiatives en toutes conditions de température et de densité. Nous avons intégré à ce modèle de nouveaux facteurs de Gaunt développés par nous-mêmes. Ces facteurs permettent d'obtenir des sections efficaces des processus atomiques plus précis que les formules classiques et semi-empiriques, nécessaires au calcul des populations atomiques. Ils ont été obtenus en utilisant des méthodes sophistiquées, telles que les méthodes distorted-wave et generelized-line-strength, à l'aide du code FAC. Dans le but de valider nos résultats, nous les avons comparés dans un premier temps, aux calculs de Hill et Rose d'un plasma composé d'un mélange de carbone et de 5% de silicium, dans des conditions ETL et hors-ETL. Les résultats sont très satisfaisants, aussi bien à l'ETL qu'hors-ETL. Nous avons aussi comparé nos résultats à la transmission mesurée par Xiong et al. d'un plasma de silicium à Te = 72 eV et Ne = 1.3 x 10²¹ cm⁻³. Là encore, nous obtenons un bon accord. Cependant, on constate la présence de quelques écarts au niveau du décalage spectral de certaines raies, ainsi que l'absence de certaines transitions. Cette absence peut s'expliquer par certaines configurations électroniques manquantes dans le calcul de structure atomique. Nous nous sommes aussi intéressés à l'absorption d'un mélange de carbone et de 5% de germanium avec un nombre restreint de configurations électroniques. Nous avons exploré l'effet d'interaction de configurations ainsi que l'effet d'un champ radiatif. Nous avons également déduit des lois permettant de calculer rapidement les lois de Planck et de Rosseland. Ces lois concernent pour le moment le carbone, le silicium et le germanium, pour Te entre 250 et 350 eV et Ne entre 2 et 8 x 10²³ cm⁻³.

  • Titre traduit

    Calculation of atomic structures and radiative properties of fusion plasmas


  • Résumé

    The radiative properties are of utmost importance when studying astrophysical and ICF plasmas, particularly in non local thermodynamic equilibrium conditions. This is the reason why we have developed a collisional-radiative model that enables us to calculate the radiative properties of plasmas under any temperature and density conditions. We developed and implemented new Gaunt factors to the CR model. These factors greatly improve the precision when calculating the cross sections of the microscopic processes. These cross sections are required to calculate the populations of the atomic levels. We obtained these new factors by using the distorted-wave and generalized line strength methods of the Flexible Atomic Code (FAC).In order to validate our new-developed CR model, we compared our results to those of Hill and Rose, of a plasma composed of carbon and 5% silicon, in LTE and NLTE conditions. We obtained satisfactory results in both conditions. We also compared our results to the experimental transmission measured by Xiong et al., of a pure silicon plasma, with Te = 72 eV et Ne = 1.3 x 10²¹ cm⁻³. Again, we obtained results that are in good agreement with the measured spectrum. However, we noticed some discrepancies in the line shift of some lines, and some missing transitions. This can be explained by the absence of certain electronic configurations in the calculation of the atomic structure with the Cowan atomic code.We also explored the absorption of a plasma composed of carbon and 5% germanium with a restricted number of electronic configurations. We investigated the effect of configuration interaction and the effect of the radiative field. We also developed new laws that predict the Planck and Rosseland mean opacities very quickly. For the time being, these laws work for carbon, silicon and germanium, with Te between 250 and 350 eV, and Ne between entre 2 et 8x10²³ cm⁻³.


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