Étude de la dynamique de la reconnexion magnétique induite par laser de puissance

Investigation of magnetic reconnection dynamic driven by high-power laser

• Auteur / Autrice : Simon Bolanos
• Direction : Julien Fuchs, Roch Smets
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 23/12/2019
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École polytechnique (Palaiseau, Essonne ; 1795-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire pour l'utilisation des lasers intenses (Palaiseau, Essonne ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Jacques Robert
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Julien Fuchs, Roch Smets, Guillaume Aulanier, Thomas Grismayer, Bérénice Loupias
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Guillaume Aulanier, Thomas Grismayer

Mots clés

Mots clés contrôlés

Reconnexion magnétique

Plasmas (gaz ionisés)

Lasers de puissance

Mots clés libres

Plasmas

Reconnexion magnétique

Laser

Plasmas

Reconnection magnetic

Laser

Résumé

Le travail exposé dans le manuscrit s’inscrit dans l’étude de la reconnexion magnétique (MR) induite par laser de haute puissance. L’étude avait pour objectif de comprendre sa dynamique dans diverses conditions (par exemple, en présence d’un champ guide qui est la composante magnétique hors du plan de reconnexion) ou lors du changement du paramètre-bêta (rapport de la pression plasma sur la pression magnétique) du plasma ou en changeant la géométrie de la MR. Pour compléter l'analyse des données expérimentales que j'ai rassemblées à l'aide d'installations laser (LULI, LMJ), nous avons effectué des simulations avec un code hybride PIC. Les résultats sont comparés aux résultats expérimentaux pour mettre en évidence les mécanismes mis en place.Dans un premier temps, je présenterai quelques expériences réalisées avec l’installation LULI2000 dans le but d’enquêter sur la dynamique de la reconnexion magnétique dans une configuration non coplanaire entre deux tores magnétiques induits par deux spots laser proches irradiant des cibles solides. Bien qu’ils soient distincts des plasmas astrophysiques où le paramètre bêta est faible (~ 10^-3 dans la couronne solaire et ~ 1 dans le vent solaire), ces expériences de reconnexion conduites au moyen de laser (où le paramètre-bêta ~ 10) sont intéressantes pour étudier des questions fondamentales en MR telles que l'influence d'un champ guide sur la dynamique de la MR. Nous montrerons notamment qu'avant le déclenchement d’un événement de MR, la présence (1) d'un champ de guide faible, ou (2) d'une composante de champ magnétique hors du plan de forme quadrupolaire peuvent tous les deux fortement modifier la croissance de la MR.Ensuite, nous discuterons des résultats expérimentaux obtenus avec l’installation LMJ/PETAL (France). Cette installation offre la possibilité d'étudier la MR dans un plasma ayant un paramètre-bêta faible en raison de la forte énergie laser qui peut être transmise à la cible, ce qui génère des champs magnétiques plus intenses. Elle offre également la possibilité d’utiliser plusieurs spots d’irradiation laser, ce qui permet d’évaluer l’effet de la reconnexion magnétique dans le contexte de la fusion par confinement inertiel (FCI) où de nombreux lasers irradient la paroi du holhraum. La MR peut en effet jouer un rôle dans l’interaction entre les plasmas produits le long de la paroi du holhraum. Nous montrerons notamment que la présence de plusieurs spots d’irradiation laser mitoyens modifie la MR, par rapport à la présence de seulement deux spots voisins. Le transfert de l'énergie magnétique induite vers le plasma s’en trouve modifié.

The work detailed in the manuscript lies in the frame of the magnetic reconnection (MR) process driven by high-power lasers. The focus of the study has been to understand its dynamics in various conditions (e.g., in the presence of a guide-field that is the magnetic component of the reconnection plane), or when changing the plasma beta (defined as the ratio of the plasma pressure over the magnetic pressure) or the reconnection geometry. To complete the analysis of the experimental data gathered at various facilities (LULI, LMJ), the results obtained using a hybrid-PIC code were compared to the experimental results to highlight the features of the mechanism at play.In a first time, the results from a couple of experiments, performed using the LULI2000 laser facility, are presented. These experiments were aimed at investigating the dynamic of magnetic reconnection in a non-coplanar configuration between two magnetic toroids induced by two near-by laser spots irradiating solids targets. Despite being distinct from the astrophysical plasmas where the beta parameter is low (~10^-3 in the solar corona and ~1 in the solar wind), such HEDP reconnection experiments (where beta is of the order of several tens) are of interest to investigate fundamental issues in MR such as the influence of a guide field on the dynamic of the MR. We will notably show that, prior to MR, the presence (1) of a weak guide-field, or (2) of a quadrupolar, out-of-plane, magnetic field component can both strongly modify the growth of the MR.Then we will discuss recent experimental results on MR obtained using the LMJ/ PETAL facility at CEA (France). This facility offers specifically the possibility to investigate MR in a low (~1) beta condition due to the high laser energy that can be delivered on target, resulting in high-strength produced magnetic fields. It also offers the possibility to use several laser irradiation spots, hence allowing to evaluate the effect of MR in the ICF context where a large number of lasers hit the wall of a holhraum. MR potentially impacts on the interaction along the holhraum wall of the plasmas generated at these sites. We will notably show that the presence of several contiguous laser irradiation spots modifies MR, as compared to having only two neighboring spots. The transfer of the induced magnetic energy to the plasma can thus be modified.