Modélisation de la formation d'un plasma par laser dans le contexte de la fusion par confinement inertiel

Modeling of laser-induced plasma formation within the framework of inertial confinement fusion

• Auteur / Autrice : Adrien Pineau
• Direction : Hervé Jouin, Guillaume Duchateau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique, Plasmas, nucléaire
• Date : Soutenance le 14/12/2021
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Lasers Intenses et Applications (Bordeaux ; 1999-....)
• Jury : Président / Présidente : Luc Bergé
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hervé Jouin, Guillaume Duchateau, Luc Bergé, Benoît Canaud, Tatiana Govorykha Itina, Benoît Chimier, Patrick Mora, Stefan Hüller
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Benoît Canaud, Tatiana Govorykha Itina

Mots clés

Mots clés contrôlés

Collisions (physique nucléaire)

Solides -- Effets des plasmas

Fusion nucléaire par confinement inertiel

Mots clés libres

Fusion par confinement inertiel

Transition solide-Plasma

Modélisation

Empreinte laser

Collisions électroniques

Inertial confinement fusion

Solid-To-Plasma transition

Modeling

Laser imprint

Electron collisions

Résumé

La fusion par confinement inertiel (FCI) par laser en attaque directe a pour but d'imploser une cible de deutérium-tritium avec un ensemble de faisceaux laser afin de générer des réactions de fusion nucléaire. Pour minimiser l’ablation du combustible lors de l’implosion, la cible est recouverte d’une couche de plastique (généralement du polystyrène qui est un matériau diélectrique), appelée ablateur, d’une dizaine de micromètres d’épaisseur. L’implosion est optimisée par la mise en forme spatiale et temporelle de l’impulsion laser, notamment grâce à une pré-impulsion, d’une centaine de picosecondes. Cependant, l’interaction entre cette pré-impulsion et l’ablateur peut donner lieu à des inhomogénéités spatiales de densité et de pression à la surface de l’ablateur (phénomène d’empreinte laser), menant à des instabilités de Rayleigh-Taylor réduisant l’efficacité d'implosion de la cible. En particulier, il a été montré expérimentalement que l’état initial solide de l’ablateur peut amplifier ces inhomogénéités. Par ailleurs, les codes d’hydrodynamiques radiatifs dédiés à la simulation de la FCI supposent que la cible, et notamment l'ablateur, est dans un état plasma initialement.L’objectif de cette thèse est ainsi de modéliser la transition de l’état solide vers l’état plasma d’un ablateur en polystyrène induite par une pré-impulsion laser caractéristique de la FCI. Pour cela, les variations de la densité d’électrons libres, et des températures électronique et des réseau/ions lors de l’évolution de l’état de la matière ont été décrites, incluant la fragmentation du polystyrène. L’évolution de la densité électronique repose principalement sur la photo-ionisation, l’ionisation par impact, et la relaxation électronique. L’évolution des températures est régi par l’absorption laser et le transfert d’énergie des électrons vers le réseau ou les ions selon l’état solide ou plasma de l'ablateur. Ces deux processus étant dus aux collisions électroniques, elles ont été décrites en détail. Ce modèle de transition solide-plasma a ensuite été couplé à l’équation d’Helmholtz via la permittivité diélectrique de l'ablateur afin d’introduire une dimension d’espace et de décrire la propagation laser. Les cas d’un ablateur homogène et d’une mousse (permettant de minimiser l’effet d’empreinte laser) ont été étudiés. Les résultats montrent que l’échelle temporelle caractéristique de transition du solide au plasma est de l'ordre de la centaine de picosecondes, ce qui n’est pas négligeable vis-à-vis des échelles de temps de la FCI. On montre également que l’énergie laser transmise dans ces premiers instants pourrait modifier l’état interne de la cible.

Laser direct-drive inertial confinement fusion (ICF) aims at imploding a deuterium-tritium target with a large number of laser beams in order to create nuclear fusion reactions. To minimize the fuel ablation, the target is coated with a plastic layer (usually polystyrene which is a dielectric material), named ablator, which its thickness is about several tens of micrometers. The implosion is optimized with the spatial and temporal shaping of the laser pulse, in particular with a pre-pulse which the duration is about one hundred of picoseconds. However, the interaction between this pre-pulse and the ablator can create spatial inhomogeneities of density and pressure at the surface of the ablator (this is the so-called laser imprint process) leading to Rayleigh-Taylor instabilities lowering the efficiency of the target implosion. In particular, it has been shown experimentally that the initial solid state of the ablator can amplify these inhomogeneities. In addition, the hydrodynamic radiative codes dedicated to ICF simulation assume that the target, including the ablator, is in a plasma state initially.The goal of this thesis is thus to model the transition from the solid state to the plasma state of a polystyrene ablator induced by a laser pre-pulse caracteristic of ICF. To do so, the variations of the free electron density and the variations of electron and lattice/ion temperatures are described, including the polystyrene fragmentation. The evolution of the electron density is mainly based on photo-ionisation, impact ionisation and electron recombination. The evolution of the temperatures is driven by the laser absorption and the energy transfer from the electrons to the lattice or the ions depending on the solid or plasma state of the ablator. These two processes are due to electron collisions which are desbribed in detail. This modeling of the solid-to-plasma transition is then coupled to the Helmholtz equation through the dielectric permittivity of the ablator in order to add one spatial dimension and described the laser propagation. The cases of homogeneous ablator and foam (enabling to mitigate the laser imprint) have been studied. The results show that the caracteristic timescale of the solid-to-plasma transition is about one hundred of picoseconds which is not negligible compared the timescales of ICF. We also show that the laser energy that is transmitted at the early time could modify the internal state of the target.