Etude expérimentale des conditions initiales de l'instabilité de Rayleigh-Taylor au front d'ablation en fusion par confinement inertiel

Experimental study of the initial conditions of the Rayleigh-Taylor instability at the ablation front in inertial confinement fusion

• Auteur / Autrice : Barthélémy Delorme
• Direction : Vladimir Tikhonchuk, Marina Olazabal-Loumé, Alexis Casner
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique, plasmas, nucléaire
• Date : Soutenance le 21/01/2015
• Etablissement(s) : Bordeaux
• 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 : Michel Boustie
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Catherine Cherfils, Michel Koenig

Mots clés

Mots clés contrôlés

Instabilités hydrodynamiques

Instabilité de Rayleigh-Taylor

Fusion nucléaire par confinement inertiel

Mots clés libres

Fusion par confinement inertiel

Instabilités hydrodynamiques

Instabilité de Rayleigh-Taylor

Instabilité de Richtmyer-Meshkov

Attaque directe

Front d'ablation

Inertial confinement fusion

Hydrodynamic instabilities

Rayleigh-Taylor instability

Richtmyer-Meshkov instability

Direct-drive

Ablation front

Résumé

Les différents dimensionnements et expériences de Fusion par Confinement Inertiel (FCI) en attaque directe comme indirecte montrent qu'une des principales limites à l'atteinte de l'ignition est l'instabilité de Rayleigh-Taylor (IRT) qui cause la rupture de la coquille de la cible en vol et potentiellement le mélange du combustible chaud du coeur avec celui, froid, de la coquille. La connaissance, la compréhension et la maîtrise des conditions initiales de ce mécanisme sont donc d'un grand intérêt. Nous présentons ainsi une étude expérimentale et théorique des conditions initiales de l'IRT ablative en attaque directe au travers de deux campagnes expérimentales réalisées sur le laser OMEGA (LLE, Rochester). La première campagne concerne l'étude de l'instabilité de Richtmyer-Meshkov (IRM) ablative imprimée par laser ; cette instabilité commence à se développer au début de l'irradiation laser et fixe l'ensemencement de l'IRT. Nous avons mis en place une configuration expérimentale qui a permis de mesurer l'évolution temporelle de l'IRM ablative imprimée par laser pour la première fois. Nous présentons ensuite une interprétation des résultats de cette expérience par des simulations hydrodynamiques réalisées avec le code CHIC, ainsi que par un modèle théorique de l'IRM ablative imprimée par laser. Nous montrons que le moyen le plus direct de contrôler cette instabilité est de réduire l'amplitude des défauts d'intensité laser. Ceci peut être accompli en utilisant des cibles couvertes par une couche de mousse de basse densité. Ainsi, lors de la deuxième campagne, nous avons étudié pour la première fois l'effet de mousses sous-denses sur la croissance de l'IRT ablative. Au cours de ces expériences, des feuilles de plastique recouvertes d'une couche de mousse ont été irradiées par un faisceau laser portant une perturbation d'intensité destinée à imprimer des modulations sur la cible. Différentes données expérimentales sont présentes : rétrodiffusion de l'énergie laser, dynamique de la cible obtenue par mesure de côté d'auto-émission et radiographies de face faisant apparaître l'effet des mousses sur les modulations de densité surfacique des cibles. Ces données ont ensuite été interprétées à l'aide de simulations CHIC et du code d'interaction laser-plasma PARAX. Nous montrons qu'une des mousses réduit l'amplitude des modulations de l'intensité laser d'un facteur 2. Par conséquent, cette thèse a donné lieu au développement de configurations expérimentales et d'un ensemble d'outils de dépouillement numériques pour l'étude approfondie des instabilités hydrodynamiques en FCI.

Numerous designs and experiments in the domain of Inertial Confinement Fusion (ICF) show that, in both direct and indirect drive approaches, one of the main limitations to reach the ignition is the Rayleigh-Taylor instability (RTI). It may lead to shell disruption and performance degradation of spherically imploding targets. Thus, the understanding and the control of the initial conditions of the RTI is of crucial importance for the ICF program. In this thesis, we present an experimental and theoretical study of the initial conditions of the ablative RTI in direct drive, by means of two experimental campaigns performed on the OMEGA laser facility (LLE, Rochester). The first campaign consisted in studying the laser-imprinted ablative Richtmyer-Meshkov instability (RMI) which starts at the beginning of the interaction and seeds the ablative RTI.We set up an experimental configuration that allowed to measure for the first time the temporal evolution of the laser-imprinted ablative RMI. The experimental results have been interpreted by a theoretical model and numerical simulations performed with the hydrodynamic code CHIC. We show that the best way to control the ablative RMI is to reduce the laser intensity inhomogeneities. This can be achieved with targets covered by a layer of a low density foam. Thus, in the second campaign, we studied for the first time the effect of underdense foams on the growth of the ablative RTI. A layer of low density foam was placed in front of a plastic foil, and the perturbation was imprinted by an intensity modulated laser beam. Experimental data are presented : backscattered laser energy, target dynamic obtained by side-on selfemission measurement, and face-on radiographs showing the effect of the foams on the target areal density modulations. These data were interpreted using the CHIC code and the laser-plasma interaction code PARAX. We show that the foams noticeably reduce the amplitude of the laser intensity inhomogeneities and the level of the subsequent imprinted ablation front modulations. In conclusion, this thesis allowed us to develop an experimental platform and a suite of numerical tools for future, more detailed studies of hydrodynamic instabilities for ICFapplications.