Étude du schéma d'allumage par choc en fusion par confinement inertiel

Study of the shock ignition scheme in inertial confinement fusion

• Auteur / Autrice : Marion Lafon
• Direction : Guy Schurtz, Xavier Ribeyre, Vladimir Tikhonchuk
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique, plasmas, corpuscules
• Date : Soutenance le 07/12/2011
• Etablissement(s) : Bordeaux 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Lasers Intenses et Applications (Bordeaux ; 1999-....)
• Jury : Président / Présidente : Dimitri Batani
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stefano Atzeni
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : François Amiranoff, Benoît Canaud
• DOI : 10.70675/a6ba17b4z0e51z4f3dzac5bz976437613eed

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fusion nucléaire par confinement inertiel

Mots clés libres

Hydrodynamique

Propagation de chocs

Conditions d'allumage

Gain de cible

Pression de point chaud

Simulations numériques

Installation laser OMEGA

Hydrodynamics

Shock propagation

Ignition conditions

Target gain

Hot Spot pressure

Numerical simulations

OMEGA laser facility

Résumé

Le schéma d'allumage par choc représente une alternative aux schémas d'allumage classiques en Fusion par Confinement Inertiel. Sa singularité repose sur la relaxation des contraintes sur la phase de compression et l'atteinte des conditions d'allumage par l'envoi d'une impulsion laser brève (~500 ps) et très puissante (~300 TW) sur le combustible en fin d'implosion.Au cours de ce travail de thèse, il a été établi que ce procédé induit une configuration non-isobare du combustible au moment de l'allumage, modifiant ainsi les critères d'inflammation du Deutérium-Tritium (DT) par rapport aux schémas conventionnels d'allumage. Un modèle de gain pour la combustion est ensuite développé et des courbes de gain pour l'allumage par choc sont alors obtenues puis validées numériquement. La modélisation hydrodynamique présentée a démontré qu'il est ainsi possible d'obtenir de hauts gains à plus faibles énergies laser que l'allumage conventionnel du fait de la haute pression du point chaud au moment de l'allumage résultante de la propagation du choc d'allumage.Le code d'hydrodynamique radiative CHIC du CELIA a été utilisé afin de développer des dépendances paramétriques définissant les conditions optimales en termes de paramètres de dimensionnement de cibles pour l'atteinte des conditions d'ignition. Ces études numériques ont mis en lumière le potentiel du procédé d'allumage par choc en termes d'économie d'énergie laser, de hauts gains mais aussi de marges de sécurité et de robustesse pour l'allumage. Enfin, les résultats des premières campagnes expérimentales d'allumage par choc en symétrie sphérique effectuées sur l'installation laser OMEGA (NY, USA) sont présentés. Une interprétation des résultats est proposée à partir de simulations hydrodynamiques mono et bidimensionnelles. Différentes pistes sont alors explorées afin d'expliquer les différences observées et des solutions potentielles pour l'amélioration des performances à l'échelle de l'installation OMEGA sont proposées.

The Shock Ignition (SI) scheme is an alternative to classical ignition schemes in Inertial Confinement Fusion. Its singularity relies on the relaxation of constraints during the compression phase and fulfilment of ignition conditions by launching a short and intense laser pulse (~500 ps, ~300 TW) on the preassembled fuel at the end of the implosion.In this thesis, it has been established that the SI process leads to a non-isobaric fuel configuration at the ignition time thus modifying the ignition criteria of Deuterium-Tritium (DT) against the conventional schemes. A gain model has been developed and gain curves have been infered and numerically validated. This hydrodynamical modeling has demonstrated that the SI process allows higher gain and lower ignition energy threshold than conventional ignition due to the high hot spot pressure at ignition time resulting from the ignitor shock propagation.The radiative hydrodynamic CHIC code developed at the CELIA laboratory has been used to determine parametric dependences describing the optimal conditions for target design leading to ignition. These numerical studies have enlightened the potential of SI with regards to saving up laser energy, obtain high gains but also to safety margins and ignition robustness.Finally, the results of the first SI experiments performed in spherical geometry on the OMEGA laser facility (NY, USA) are presented. An interpretation of the experimental data is proposed from mono and bidimensional hydrodynamic simulations. Then, different trails are explored to account for the differences observed between experimental and numerical data and alternative solutions to improve performances are suggested.