Effet des électrons chauds sur l'hydrodynamique des chocs et implosions pour l'allumage par choc

Effect of hot electron on the hydrodynamic of shocks and implosions for shock ignition

• Auteur / Autrice : Jocelain Trela
• Direction : Dimitri Batani, Philippe Nicolaï
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Lasers, Matière et Nanosciences
• Date : Soutenance en 2019
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Lasers Intenses et Applications (Bordeaux ; 1999-....)
• Jury : Président / Présidente : Emmanuel D'HUMIèRES
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dimitri Batani, Stefano Atzeni, Ricardo Betti, Philippe Nicolai
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Keisuke Shigemeori, Benoit Canaud

Mots clés

Mots clés libres

Interaction laser-plasma

Allumage par choc

Fusion par confinement inertiel

Ondes de chocs

Électrons chauds

Diagnostiques plasma

Laser-plasma interaction

Shock ignition

Inertial confinement fusion

Shock waves

Hot electrons

Plasma diagnostics

Résumé

Le schéma d’allumage par choc est une approche alternative prometteuse aux schémas d’allumage classique en Fusion par Confinement Inertiel. Il repose sur l’envoi d’un choc fort en fin de phase de compression de façon à permettre l’allumage de la cible à des vitesses d’implosion plus faibles. Ce choc d’allumage est généré au moyen d’une impulsion laser courte et intense. Cependant, pour lancer un choc de plusieurs centaines de mégabar, l’intensité nécessaire est suffisamment élevée pour que des phénomènes d’absorption non-linéaires produisent des électrons suprathermiques. L’effet de ces électrons chauds sur l’hydrodynamique de l’implosion peut être bénéfique (renforcement de la pression du choc d’allumage) ou néfaste (préchauffage de la cible). Une bonne description de ces électrons chauds dans les codes hydrodynamique utilisés pour simuler les implosions est ainsi nécessaire. L’objectif de cette thèse est de permettre une meilleure compréhension de l’effet des électrons chauds sur l’hydrodynamique de l’implosion et des chocs. Pour cela, des résultats d’expériences réalisées dans des conditions pertinentes pour l’allumage par choc sont comparés à des simulations hydrodynamiques incluant, ou non, des modules décrivant les électrons chauds. Dans un premier temps, une description du principe de l’allumage par choc en l’absence d’électrons chauds est réalisée. A ce propos, un code semi-analytique 1D plan, couplant la résolution des équations de l’hydrodynamique des chocs et ondes de détente à un module décrivant la propagation des discontinuités, a été développé. Ce code, conjointement à des simulations hydrodynamiques radiatives réalisées avec LILAC (LLE, Université de Rochester, USA), a permis d’interpréter une expérience réalisée sur OMEGA (LLE, Université de Rochester, USA). Ensuite, l’effet des électron chauds sur l’hydrodynamiques des chocs est évalué par l’analyse des résultats de campagnes expérimentales en géométrie plane réalisées sur PALS (Institut de physique des plasmas du CAS, République Tchèque) et OMEGA EP (LLE, Université de Rochester, USA). Pour ces deux campagnes, les résultats des diagnostiques principaux (Streak Optical Pyrometry pour PALS et radiographie pour OMEGA EP) ont été reproduit par des simulations hydrodynamiques radiatives réalisées avec CHIC (CELIA, Université de Bordeaux, France). Dans ce contexte, un outil pour la réalisation de radiographie synthétique à partir des résultats de simulations a été développé. Ces résultats ont été utilisés pour la conception d’une campagne expérimentales qui sera réalisée sur LMJ-PETAL (CEA-CESTA, France). Enfin, l’effet des électrons chauds sur l’hydrodynamique de l’implosion est évalué par l’analyse d’une campagne expérimentale en géométrie sphérique réalisée sur OMEGA et interprété au moyen de simulations LILAC.

The shock ignition scheme is a promising alternative approach to the classical ignition schemes in Inertial Confinement Fusion. It relies on the generation of a strong shock at the end of the compression phase in order to allow the ignition of the target at lower implosion velocities. This ignition shock is created using a short, intense laser pulse. Yet, in order to create a shock wave of few hundreds of megabars, the required intensity is high enough so that non-linear mechanisms of absorption lead to the production of suprathermal electrons. The effect of these hot electrons on the hydrodynamic of implosion can be beneficial (increase of the ignition shock pressure) or detrimental (preaheating of the target). A good description of these hot electrons in the hydrodynamic codes used for the design of implosions is therefore necessary. The objective of this thesis is to provide a better understanding of the effect of the hot electrons on the hydrodynamic of implosion and shocks. To do so, results from experiments realized in conditions relevant for shock ignition are compared to hydrodynamic simulations including, or not, packages for the description of hot electrons. First, a description of the shock ignition principle in absence of hot electrons in given. For this, a semi-analytical 1D planar code, coupling the solutions of hydrodynamic equations of shocks and rarefaction waves to a package describing the propagation of discontinuities, has been developed. This code, together with radiation hydrodynamic simulations realized with LILAC (LLE, University of Rochester, USA), allowed to interpret an experiment realized on OMEGA (LLE, University of Rochester, USA). Afterwards, the effect of the hot electrons on shock hydrodynamic is investigated by analyzing the results from planar geometry experiments realized on PALS (Plasma physics institute of CAS, Czech Republic) and OMEGA EP (LLE, University of Rochester, USA). For these two experiments, the results from the main diagnostics (Streak Optical Pyrometry for PALS and radiography for OMEGA EP) have been reproduced by radiation hydrodynamic simulations realized with CHIC (CELIA, University of Bordeaux, France). In this regard, a post-processing tool for the realization of synthetic radiography from simulation results has been developed. These results have been used for the design of an experiment that will be realized on LMJ-PETAL (CEA-CESTA, France). Finally, the effect of the hot electrons on the hydrodynamic of implosion is evaluated though the analysis of a spherical geometry experiment realized on OMEGA and interpreted with LILAC simulations.