Modélisation de la physique atomique et du transport radiatif dans un code « particle-in-cell »

par David Tordeux

Projet de thèse en Physique des plasmas

Sous la direction de Christophe Blancard et de Laurent Gremillet.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Ondes et Matière (Orsay, Essonne ; 2015-....) , en partenariat avec Direction des Applications Militaires (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 30-11-2018 .


  • Résumé

    L'interaction laser-solide en régime relativiste peut servir à porter des échantillons de matière à des températures proches du keV à densité quasi constante, Un tel chauffage, dit « isochore », est d'un grand intérêt pour la validation des modèles de physique atomique utilisés dans les domaines des hautes densités d'énergie, de la fusion par confinement inertiel et en astrophysique. La modélisation numérique des expériences actuelles repose, entre autres, sur des simulations particle-in-cell (PIC). Outre de résoudre les équations cinétiques de Vlasov-Maxwell, ces simulations sont tenues de décrire divers processus de physique atomique et radiative (ionisation, collisions Coulombiennes, rayonnement de freinage, etc.). Tel est le cas du code PIC CALDER développé de longue date au CEA-DAM. Certains de ses algorithmes sont cependant insuffisants ou trop simplifiés pour une reproduction précise des mesures expérimentales. Le sujet de thèse proposé vise à développer un modèle plus complet de physique atomique et radiative, et à l'exploiter pour interpréter les expériences realisées par nos collaborateurs du CEA-DAM.

  • Titre traduit

    Atomic physics and radiation transport modeling in a 'Particule-In-Cell' code


  • Résumé

    High-energy-density physics is a rapidly evolving field of research, which addresses the behavior of matter at pressures exceeding 0.1 MJ/cm3 as found, e.g., in planetary and stellar cores, or high-power laser experiments for inertial confinement fusion. The experimental validation of the atomic and radiation physics models of such systems [Faussurier 2017] requires creating samples of matter under well-controlled temperature and density conditions. High-intensity, short-pulse lasers constitute the most efficient tools for this purpose. Their interaction with solid foils generates strong hot-electron currents, whose dissipation, mostly through collective effects, can heat the target up to keV temperatures well before hydrodynamic disassembly, a mechanism called “isochoric heating” [Dervieux 2015]. The proposed PhD project aims at working out a self-consistent numerical model for these phenomena, based on the particle-in-cell (PIC) CALDER simulation code, developed at CEA-DAM. In past years, the CALDER code has been enriched with a variety of physical modules describing Coulomb collisions, impact ionization and Bremsstrahlung radiation [Perez 2012; Martinez 2018]. Those modules, however, are either incomplete or overtly simplified for a precise reproduction of some experimental observables. The first part of the thesis will therefore aims at: - Improving the existing collisional models, notably by including recombination, relaxation of excited atomic states and ionization-potential depression in dense plasmas; - Implementing a Monte Carlo model for photon transport, taking into account total (bound-bound, bound-free and free-free) opacities and emissivities. Some of the implemented schemes will consist of streamlined versions of the atomic physics models developed in our group [Faussurier 2017]. The second part of the thesis will be devoted to integrated atomic-physics PIC simulations performed under various physical conditions of experimental relevance. Special emphasis will be put on the interpretation of experimental data collected by collaborators. Numerical simulations will be performed using supercomputers at CEA-DAM.