Génération et interaction des électrons supra-thermiques en fusion par confinement inertiel

Generation and interaction of suprathermal electrons in inertial confinement fusion

• Auteur / Autrice : Edoardo Rovere
• Direction : Philippe Nicolaï, Arnaud Colaitis, Alexis Casner
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique, Plasmas, nucléaire
• Date : Soutenance le 07/06/2023
• 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 : Emmanuel d' Humières
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sylvie Depierreux
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stefan Hüller, John Palastro

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation, Méthodes de

Interactions laser-plasma

Plasmas (gaz ionisés) -- Instabilités

Plasmas produits par laser

Électrons de haute énergie

Mots clés libres

Plasma

Électrons rapides

Instabilités paramétriques

Lpse

Fast electrons

Plasma

Parametric Instabilities

Lpse

Résumé

Les électrons chauds (HE) sont un élément clé des implosions de la fusion par confinement inertiel (ICF) en raison de leur effet potentiel de préchauffage du combustible, qui réduit la compressibilité des cibles. Les instabilités du plasma laser (LPI) qui se produisent dans le plasma coronal sont responsables de leur génération par l'excitation d'ondes de plasma électronique (EPW). Les LPI couramment observées dans les installations d'OMEGA et du NIF et impliquées dans la production d'HE sont la désintégration de deux plasmons (TPD), la diffusion Raman stimulée (SRS) et l'instabilité de désintégration de Langmuir (LDI). L'effondrement de l'onde de Langmuir, ou cavitation, est un autre processus important qui piège les EPW dans des cavités à densité de plasma et agit comme des résonateurs de champ. Après une durée de vie limitée, les cavités s'effondrent en raison de l'amortissement des ondes de Langmuir, ce qui génère de fortes turbulences dans le plasma. Les électrons peuvent entrer en résonance avec plusieurs EPW à des vitesses de phase et des densités de plus en plus élevées, transférant l'énergie aux électrons par une accélération progressive.Comprendre comment les paramètres du plasma et du laser dictent la génération d'électrons chauds est une étape importante pour proposer des conceptions ICF robustes et crédibles. En fin de compte, les codes hydrodynamiques devraient inclure la génération et la propagation d'électrons chauds à partir d'IPV. À cette fin, nous menons une étude paramétrique de la génération d'électrons chauds en utilisant le code de simulation hybride Laser Plasma Simulation Environment (LPSE), pour modéliser la génération d'électrons chauds à partir d'un ensemble de conditions laser-plasma qui constituent l'espace de paramètres de la mise à l'échelle. L'objectif principal est de développer une base de données des caractéristiques de l'HE en fonction des paramètres laser-plasma, en dérivant des lois d'échelle qui permettent l'implémentation de modèles réduits dans les codes d'hydrodynamique radiative.Ce travail propose une étude des simulations TPD et SRS+TPD, en présence de LDI et de turbulence plasma (effondrement LW). Une analyse de deux simulations 2D, une pour TPD uniquement et une pour SRS+TPD pour des conditions similaires à celles de l'installation OMEGA au LLE, Rochester (US) a ensuite été effectuée, afin de comprendre la physique du problème sous-jacent, comme le potentiel EPW et le comportement du champ IAW dans l'espace réel et dans l'espace de Fourier. En outre, l'étude du flux d'énergie des électrons, des mesures d'énergie telles que la transmittivité du laser, l'émission angulaire et les trajectoires des particules ont permis d'expliquer plus en détail la production d'HE dans la simulation considérée. Deux analyses d'échelle ont été effectuées pour la DPT 2D et la SRS+DPT, en fonction d'un ensemble de conditions laser-plasma identifiées comme étant la température des électrons et le rapport de température ion-électron, la longueur d'échelle de la densité et la force d'entraînement de l'instabilité. Cela a abouti à la construction de deux bases de données HE (une pour TPD et une pour SRS+TPD), qui ont ensuite été utilisées pour fournir une explication physique du comportement des quantités HE en fonction des variations de chaque paramètre d'entrée. En outre, des lois d'échelle préliminaires ont été fournies pour les paramètres individuels dans le cas de la DPT uniquement, tandis qu'une analyse provisoire des lois d'échelle multi-variables a été déduite pour le système SRS+TPD. Enfin, un ensemble réduit de simulations 3D TPD a été réalisé, afin d'étudier les effets d'une augmentation des dimensions du domaine de simulation, ainsi que les changements dans la génération d'HE [...].

Hot electrons (HE) are a key component in Inertial Confinement Fusion (ICF) implosions due to their potential fuel pre-heat effect, reducing the compressibility of targets. Laser plasma instabilities (LPIs) occurring in the coronal plasma are responsible for their generation through excitation of Electron Plasma Waves (EPWs). Common LPIs observed at OMEGA and NIF facilities and involved in HE generation are the Two Plasmon Decay (TPD), Stimulated Raman Scattering (SRS) and Langmuir Decay Instability (LDI). Langmuir Wave (LW) collapse, or cavitation, is another important process trapping EPWs within plasma density cavities, and acting as field resonators. After a limited life time, the cavities collapse due to EPW damping, generating strong plasma turbulence. Electrons can resonate with several EPWs at increasingly high phase velocities and densities, transferring energy to the electrons through staged acceleration.Understanding how plasma and laser parameters dictate hot electron generation is an important step for proposing robust and credible ICF designs. Ultimately, hydrodynamic codes should include the generation and propagation of HEs from LPIs. To that end, we conduct a parametric study of HE generation through the use of the hybrid simulation code Laser Plasma Simulation Environment (LPSE), to model HE generation starting from a set of laser-plasma conditions that constitute the scaling’s parameter space. The main objective is to develop a database of HE characteristics as a function of laser-plasma parameters, deriving scaling laws that allow for reduced models implementation into radiative hydrodynamic codes.This work proposes an investigation of TPD and SRS+TPD simulations, in the presence of LDI and plasma turbulence (LW collapse). A preliminary validation of the instability thresholds in intensity has been carried out, both for 1D SRS and 2D TPD simulations.An analysis for two 2D simulations, one for TPD only and one for SRS+TPD for conditions similar to the OMEGA facility at LLE, Rochester (US) has then been carried out, in order to understand the physics of the underlying problem, such as the EPW potential and IAW field behavior in both real and Fourier space. Moreover, the study of the electron energy flux, energy metrics such as the laser transmittivity, angular emission and particle trajectories allowed to explain further the HE production in the considered simulation. From the energy flux, a two-temperature data fit allowed to identify the main HE energy flux, conversion fraction and average temperature.Two scaling analysis have been carried out for both 2D TPD and SRS+TPD, depending on a set of laser-plasma conditions identified to be the electron temperature and ion-electron temperature ratio, the density scale length, and the instability drive strength. This resulted into the building of two HE databases (one for TPD and one for SRS+TPD), which have then been used to provide a physical explanation of the HE quantities’ behavior depending on the variations of each input parameter. Moreover, preliminary scaling laws have been provided for individual parameters in the TPD only case, while a tentative multi-variable scaling law analysis has been inferred for the SRS+TPD system.Finally, a reduced set of 3D TPD simulations has been made, in order to study the effects of an increase in dimensions of the simulation domain, as well as the changes in HE generation.The SRS+TPD scaling has been extended to plasmas with a larger density scale length, with the goal of observing HE generation in conditions found at the National Ignition Facility (NIF), and comparing with the OMEGA HE quantities. This allowed to compare the simulation results to experiments. In addition, LPSE has been compared to the PIC code SMILEI in order to assess the HE results from LPSE, as well as other simulation results available in the literature.