Dynamique et stabilité des structures à double fronts d’ablation en fusion par con?nement inertiel en attaque directe

• Auteur / Autrice : Virginie Drean
• Direction : Vladimir Tikhonchuk, Marina Olazabal-Loumé
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique, plasmas et corpuscules
• Date : Soutenance le 09/12/2009
• Etablissement(s) : Bordeaux 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde)
• Jury : Président / Présidente : Christian Stenz
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Javier Sanz
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Catherine Cherfils-Clerouin, Jean-Pierre Chièze

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transfert radiatif

Fusion nucléaire par confinement inertiel

Dynamique

Stabilité

Mots clés libres

Stabilité hydrodynamique

Fusion par confinement Inertiel

Attaque directe

Transfert radiatif

Double front d’ablation

Hydrodynamic stability

Double ablation front

Inertial confinement fusion

Radiative transfer

Direct drive

Résumé

Ce travail de thèse porte sur l’étude de la dynamique et de la stabilité de structures présentant deux fronts d’ablation dans le cadre de la fusion par confinement inertiel (FCI) en attaque directe. Dans un premier temps, des simulations 1D réalisées avec le code d’hydrodynamique CHIC ont permis d’obtenir ces structures. Pour cela, des plaques planes de matériaux de Z modéré, comme l’aluminium, la silice, le plastique dopé au brome, ainsi que le plastique sont éclairées par laser, à des intensités proches de celles requises pour la FCI. Les effets radiatifs, de par leur contribution dans le bilan d’énergie, modifient alors l’hydrodynamique de la cible : deux fronts d’ablation séparés par un plateau de densité quasi-constante sont observés. La dynamique de telles structures est alors caractérisée de manière qualitative. Une étude du préchauffage du combustible (DT) induit par le rayonnement de ces ablateurs de Z modéré est alors réalisée. Un nouveau modèle théorique, basé sur une hypothèse d’isobaricité au front d’ablation, prend en compte deux mécanismes de transport de l’énergie (transport d’électrons et de photons) et permet de reproduire ces structures en supposant un traitement analytique des opacités de la matière. De plus, ce modèle permet de comprendre les mécanismes physiques qui interviennent dans la formation des structures à double front d’ablation. Le code PERLE, dédié à l’étude de la stabilité hydrodynamique d’écoulements en phase linéaire, est alors modifié pour prendre en compte le transport de photons en utilisant les simplifications du modèle théorique. La deuxième partie de cette thèse porte sur la stabilité hydrodynamique de ces structures à double front d’ablation. Les modèles existants pour les problèmes de stabilité au front d’ablation sont insuffisants : les limites de ces modèles sont montrées, mais des premières informations sur le front d’ablation principal sont néanmoins obtenues. Le code PERLE permet alors de calculer les perturbations linéaires au front d’ablation quand la structure à double front d’ablation entière est considérée. Des taux de croissance pour l’instabilité Rayleigh-Taylor ablative sont obtenus et présentent une nouvelle forme non connue, associée directement à la structure à double front d’ablation. Les calculs 2D réalisés avec le code CHIC et une physique plus réaliste confirment ces résultats. L’étude de la localisation spatiale des perturbations montrent la relation entre la structure à deux fronts d’ablation et la forme caractéristique des taux de croissance. Finalement, l’utilisation d’ablateurs de Z modéré peut être une alternative intéressante pour réduire l’instabilité de Rayleigh-Taylor au front d’ablation en FCI par attaque directe.

This PhD thesis adresses the dynamics and the stability of double ablation fronts structures in direct-drive inertial confinement fusion (ICF). In the first part, these structures have been obtained using the hydrodynamic code CHIC calculations. By irradiating solid targets of moderate Z such as aluminium, silicium, brominated doped plastic, and plastic with ICF like laser intensities, radiative effects become non negligibles and modify the target hydrodynamics. Two ablation fronts separated by a quasi-constant density plateau are then observed. The dynamic of such structures is then qualitatively characterized. The fuel (DT) preheat due to self-emitted radition of such ablators is then studied. A new theoretical model, based on an isobaric approximation in the ablation region allows us to understand the complex physical mecanisms involved in the formation and the dynamics of these structures, using analytical expressions for the opacities. The PERLE code, dedicated to the calculation of linear perturbations of unsteady flows, is then modified to take into account the radiative energy transport, using the hypothesis of the new theoretical model. In the second part of this work, a study of the stability of double ablation fronts structures is carried out. The existing models for the ablation front stability problems are no longer sufficient in this case: their limitations are shown, but, nevertheless, firsts informations on the main ablation front are obtained. Then, the PERLE code is used when the whole double ablation fronts structure is considered. The growth rates for the ablative Rayleigh-Taylor instability are estimated, and show a new shape, unknown up to now. The 2D calculations made with the CHIC code using a more realistic physics confirm these results. The study of the spatial localization of perturbations in the structure shows the relation between the two ablation fronts and the characteristic shape of the growth rates obtained. Finally, the use of such moderate Z ablators is an interesting alternative to reduce the Rayleigh-Taylor instability at the ablation front in direct-drive ICF.