Étude numérique et expérimentale de l'absorption laser dans un plasma par bremsstrahlung inverse

Numerical and experimental study of laser absorption in a plasma by inverse bremsstrahlung

• Auteur / Autrice : Ronan Devriendt
• Direction : Sophie Baton, Olivier Poujade
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 09/09/2022
• 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 : Patrick Mora
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sophie Baton, Olivier Poujade, Scott Baalrud, Laurent Berthe, Alexis Casner
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Scott Baalrud, Laurent Berthe

Mots clés

Mots clés libres

Absorption

Réflexion

Bremsstrahlung inverse

Dynamique moléculaire

Laser

Plasma

Absorption

Reflection

Glint

Inverse bremsstrahlung

Molecular dynamics

Laser

Résumé

La Fusion par Confinement Inertiel (FCI) consiste à comprimer une capsule millimétrique d'un mélange Deutérium-Tritium à l'aide de lasers de puissance jusqu'à atteindre les conditions de fusion thermonucléaire auto-entretenue. Deux méthodes d'irradiation par les lasers de puissance sont possibles. En attaque directe, les lasers sont absorbés par la surface externe de la capsule. En attaque indirecte, la capsule, positionnée au centre d'une cavité en or (hohlraum), est irradiée par un rayonnement X intense issu de l'absorption des lasers par les parois de la cavité. Le retour des expériences de FCI réalisées depuis plus de dix ans aux USA au National Ignition Facility a montré que l’absorption laser par la matière était encore imparfaitement modélisée dans les simulations d'hydrodynamique-radiative utilisées pour les dimensionner et les restituer.Cette thèse a pour objectif d'améliorer la modélisation d'un des principaux mécanismes de couplage laser/matière en FCI~: l'absorption du rayonnement par bremsstrahlung inverse (BI). Nous avons proposé un modèle paramétré à partir d'un grand nombre de modèles de la littérature. Les constantes ajustables ont été évaluées pour ces différents modèles de la littérature (montrant au passage la disparité) et nous avons pu aussi les évaluer par des simulations de dynamique moléculaire classique (DMC) pour des plasmas à deux composantes (électrons-ions) faiblement couplés (d'intérêts pour la FCI) pour les degrés d'ionisation Z*=1 (faible) et Z*=10 (modéré). Les résultats de nos simulations de DMC semblent exclure certaines hypothèses qui mènent, dans certains modèles, à une dépendance du logarithme Coulombien (qui est une manifestation des effets collectifs microscopiques dans le processus d'absorption) à la fréquence du laser indépendamment de son intensité. Nous avons aussi implémenté ce modèle paramétré dans le code d'hydrodynamique-radiative TROLL qui a été utilisé pour simuler une série d'expériences de réflexion laser sur plaques (15 matériaux purs testés) réalisées dans le cadre de cette thèse sur l'installation GCLT au CEA DAM. Les résultats préliminaires de la comparaison de ces simulations avec les données expérimentales (réflectivité au cours du temps, imagerie de l'évolution du plasma coronal) permettent une évaluation des paramètres qui pourront être comparés aux valeurs issues de la DMC.

Inertial Confinement Fusion (ICF) consists in compressing a millimeter-sized capsule of a mixture of Deuterium-Tritium using power lasers to reach the conditions of self-sustained thermonuclear fusion. Two methods of irradiation by power lasers are possible. For a direct drive, lasers are absorbed by the outer surface of the capsule. For an indirect drive, the capsule, located at the center of a gold cavity (hohlraum), is irradiated by an intense flux of X-rays resulting from laser absorption by the walls of the cavity. ICF experiments carried out for more than ten years in the USA at the National Ignition Facility have consistently shown that laser absorption by matter was still imperfectly modeled in the hydrodynamic-radiative simulations used for the design and post-shot modelling of these experiments.This thesis' goal is to improve the modelling of one of the main mechanisms of laser/matter coupling in ICF: radiation absorption by inverse bremsstrahlung (IB). We have proposed a parameterized model out of several models in the literature. The adjustable constants were evaluated for these various models from the literature (showing in passing the disparity) and we also evaluated these constants by classical molecular dynamics (CMD) simulations for two components (electrons-ions) weakly coupled plasmas (of interest to ICF) for ionization Z*=1 (weak) and Z*=10 (moderate). CMD simulation results seem to rule out certain hypotheses leading, in certain models, to a dependence of the Coulomb logarithm (which is a manifestation of microscopic collective effects in the absorption process) on the laser frequency regardless of intensity. We also implemented this parameterized model in the hydrodynamic-radiative code TROLL which was used to simulate a series of laser slab experiments (15 pure materials tested) carried out as part of this thesis on the GCLT facility at CEA DAM. The preliminary results of the comparison of these simulations with the experimental data (reflectivity over time, images of the evolution of the coronal plasma) allow an evaluation of the parameters which can be compared with the CMD values.