Modélisation de la formation d'un plasma par laser dans le contexte de la fusion par confinement inertiel

par Adrien Pineau

Projet de thèse en Astrophysique, Plasmas, nucléaire

Sous la direction de Guillaume Duchateau et de Benoît Chimier.

Thèses en préparation à Bordeaux , dans le cadre de École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde) , en partenariat avec Centre Lasers Intenses et Applications (laboratoire) et de Interaction, Fusion par Confinement Inertiel, Astrophysique (equipe de recherche) depuis le 21-11-2018 .


  • Résumé

    Le laboratoire CELIA développe des études sur différents schémas de fusion inertielle par laser avec l'objectif de proposer une solution efficace pour la production d'énergie. Afin d'optimiser l'implosion de la cible, l'impulsion laser est mise en forme spatialement et temporellement, notamment par une pré-impulsion d'une centaine de picosecondes et d'intensité de quelques centaines de TW/cm2. Cependant, cette dernière produit des inhomogénéités spatiales, dues au comportement solide initial de la matière, qui dégradent la symétrie de la cible lors de son implosion, et donc l'efficacité du confinement inertiel. La thèse proposée a pour but de modéliser la transition de l'état solide au plasma induite par laser, d'inclure le modèle développé dans un code hydrodynamique dédié, d'étudier l'influence de cette transition initiale sur la dynamique ultérieure, et de proposer des solutions pour conserver la symétrie sphérique de la cible. L'objectif est de développer un modèle microscopique et le code numérique associé permettant de décrire la transition d'un matériau diélectrique à l'état plasma sous flux laser intense dans le cadre de relativement grandes échelles temporelles et spatiales. Les étapes suivantes sont envisagées : 1) développement d'un modèle de dynamique électronique sur la base de calculs quantiques existants ; 2) développement d'un code couplant le modèle précédent aux équations d'Helmholtz 2D décrivant la propagation du faisceau laser dans la cible ; 3) introduire ce formalisme dans le code d'hydrodynamique du CELIA qui inclut le comportement solide élasto-plastique ; 4) effectuer les études pour comprendre l'influence du comportement solide initial sur la dynamique d'implosion de la cible en utilisant des comparaisons entre simulations numériques et données expérimentales, en particulier des mesures de vitesses de choc. L'ensemble de ces travaux permettra de développer un outil de simulation multi-physique et multi-échelle qui permettra d'amener une compréhension approfondie de l'effet d'empreinte laser, et permettra ainsi d'améliorer l'efficacité des schémas de fusion inertielle.

  • Titre traduit

    Modeling of laser-induced plasma within the framework of the inertial confinement fusion


  • Résumé

    The CELIA laboratory develops studies on different schemes of inertial fusion by laser which aims to propose an efficient solution to the energy production issue. In order to improve the target implosion, the laser pulse is shaped spatially and temporally, including a pre-pulse around a hundred of picoseconds with an intensity of several hundreds of TW/cm2. However, this pre-pulse produces spatial inhomogeneities, due to the initial solid behavior of the matter, which damage the target symmetry during the implosion and so, the efficiency of the inertial confinement. This PhD aims to model the laser-induced transition from the solid state to the plasma, to include the developed model in a dedicated hydrodynamic code, to study the influence of this initial transition on the later dynamic and to propose solutions in order to preserve the spherical symmetry of the target. The aim is to develop a microcospic model and its associated numerical code allowing to describe the transition of a dielectric material to the plasma state under an intense laser flux within the framework of rather large temporal and spatial scales. The following steps are considered : 1) the development of an electronic dynamic model based on current quantum calculations ; 2) the development of a code coupling the previous model to the 2D-Helmholtz equations describing the laser beam propagation in the target ; 3) introduce this formalism into a CELIA's hydrodynamic code which includes the elasto-plastic solid behavior ; 4) perform studies in order to understand the influence of the initial solid behavior on the implosion target dynamic by using comparisons between numerical simulations and experimental data, especially mesures of shock velocities. All of these works will allow to develop a multi-physic and multi-scale numerical device in order to bring a detailed understanding of the laser imprint that will allow to improve the efficiency of the inertial fusion schemes.