Étude de la fusion proton-bore induite par laser

Investigation of laser-driven proton-boron fusion

• Auteur / Autrice : Howel Larreur
• Direction : Dimitri Batani, Luca Volpe
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Astrophysique, Plasmas, nucléaire
• Date : Inscription en doctorat le 21/11/2022
• Etablissement(s) : Bordeaux en cotutelle avec Université de Salamanque
• 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
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Particules Et Transport, Rayonnement Ultra-bref, matière sous conditions eXtrêmes

Mots clés

Mots clés libres

Proton-bore

Alpha

Laser

Fusion

Proton-boron

Alpha

Laser

Fusion

Résumé

INTRODUCTION ET JUSTIFICATION DU SUJET D'ÉTUDE The sujet du travail de recherche sera l'étude de la fusion proton-bore p-11B induite par laser, et la génération de particules alpha en découlant. Bien que la fusion p-11B pourrait un jour trouver des applications dans le domaine de la production d'énergie, cette thèse se concentrera sur : i) comprendre la physique fondamentale impliquée dans la génération de particules alpha par laser ; et ii) étudier les possibilités de développement de sources alpha de haute luminosité générées par laser pour des applications médicales, physiques et technologiques. La fusion aneutronique est basée sur des réactions de fusion nucléaire, comme la réaction proton-bore p‑11B, qui libère de l'énergie sous forme de particules chargées, typiquement des protons ou des particules alpha, contrairement à la fusion nucléaire deutérium-tritium où l'énergie libérée est principalement transportée par des neutrons. La fusion aneutronique pourrait grandement réduire les problèmes associés à la gestion des neutrons, les besoins de radioprotection, la sécurité d'opérations à distance sur une installation, et faciliterait la maintenance des réacteurs tout en augmentant leur durée de vie. Cependant, les conditions requises pour obtenir la fusion aneutronique sont beaucoup plus extrêmes que celles requises pour la fusion deutérium-tritium, comme cela sera étudié sur le réacteur du projet ITER. Récemment, de nouveaux schémas de fusion p-11B ont été proposés [Hora2017, Wang2017, DeSilva2017] basés sur l'utilisation de deux lasers de classe pétawatt à amplification par dérive de fréquence [Blain2020] pour déclencher la fusion p-11B avec l'approche pitcher-catcher. Un laser ionise des atomes d'hydrogène et accélère les protons libres résultants par mécanisme de TNSA (Target Normal Sheath Acceleration) vers un plasma de bore. Un tel plasma peut finalement être confiné par un champ magnétique kilotesla créé par un second laser focalisé sur une cible dite de type condensateur-bobine [Santos2015, Fujioka2013]. Les ions 4He2+ (les particules alpha) sont produits dans le plasma de bore par les réactions de fusion nucléaire ; et pourraient être convertis en électricité sans l'étape de conversion thermique et les pertes lui étant associées. Cette méthode peut déclencher une avalanche de réactions qui peut fortement augmenter le rendement de fusion. Durant les dernières décennies, l'arrivée en masse de lasers haute puissance en Europe et à l'étranger a motivé des recherches portant sur la fusion proton-bore. De récentes expériences utilisant des pulses de lasers à amplification par dérive de fréquence [Belyaev2005, Labaune2016, Picciotto2014, Margarone2014, Giuffrida2020] ont montré une progression impressionnante du rendement de réaction. Cela pourrait rendre possible le développement de sources d'alphas de haute luminosité générées par laser ; avec de multiples applications, notamment dans le domaine médical. HYPOTHÈSES DE TRAVAIL ET OBJECTIFS DE RECHERCHE PRINCIPAUX L'objectif du projet de recherche est d'avancer dans les connaissances et les performances de la fusion proton-bore induite par laser. Pour cela, une boucle entre des activités expérimentales, des prédictions théoriques et des simulations numériques va être mise en place avec l'objectif de faire des avancées cohérentes dans toutes les directions. L'étudiant participera à la plupart des campagnes expérimentales avec un effort supplémentaire de simulations numériques pour préparer les expériences et analyser les résultats. Une première tâche sera l'étude et la sélection de différentes géométries de cibles pour optimiser la fusion p‑11B en termes de rendement et de spectre énergétique ; en utilisant à la fois les résultats expérimentaux et ceux de simulations (hydrodynamiques, particle-in-cell, et Monte-Carlo). Une attention particulière sera prêtée à la conception et au test de cibles ad-hoc basées sur les différentes spécifications des lasers (e.g. durée des pulses, intensité, contraste) et/ou les objectifs scientifiques et technologiques de la manipulation. Les activités expérimentales incluront une série d'expériences sur des installations laser de haute intensité autour du monde, les plus importantes étant : • L'installation petawatt à haut taux de répétition Vega, au Centro de Laseres Pulsados (CLPU) à Salamanque, en Espagne, où des manipulations sont déjà acceptées et prévues pour les deux prochaines années. • Le laser kilojoule, multi-terawatt Omega EP à Rochester aux États-Unis. • Le système kilojoule, multi-terawatt Gekko/LFEX à Osaka au Japon. • Le laser kilojoule, terawatt PALS à Prague en Tchéquie. L'objectif de ces recherches expérimentales est d'avancer dans la connaissance de la fusion p-11B induite par laser afin de découvrir comment progresser vers son usage pour le développement de sources d'alphas de haute luminosité produites par laser. Bien-sûr, les résultats obtenus pourront aussi être utiles pour clarifier certains problèmes liés à la fusion p-11B pour la production d'énergie. Le doctorant divisera son travail entre les deux institutions directrices du doctorat commun : l'Université de Bordeaux et l'Université de Salamanque. Ceci garantira au candidat d'être plongé dans un milieu de recherche actif avec plusieurs opportunités de carrière à la suite de son doctorat. MÉTHODE La méthodologie utilisée pendant cette thèse comprendra et consistera en : • Des recherches bibliographiques sur les principaux thèmes du sujet de recherche. • Une période de formation (principalement la première année) en physique de l'interaction laser-plasma, en méthodes numériques et dans d'autres disciplines liées au sujet de recherche. • La participation à des conférences, en lien avec le sujet de recherche, où l'étudiant présentera son travail. De plus, il devra préparer de courtes présentations concernant les expériences en cours. • La participation à des Écoles liées au sujet de recherche. Là aussi, l'étudiant devra présenter son travail et les expériences en cours. • Une partie importante du doctorat sera l'implication dans des activités expérimentales au CLPU ou dans d'autres installations de haute puissance en Europe et à l'étranger. L'étudiant sera suivi périodiquement à l'occasion de réunions avec ses deux superviseurs (à Bordeaux et à Salamanque, en personne ou en visioconférence). De plus, quelques fois par an, il devra préparer un séminaire sur le statut de ses activités et faire un résumé des Écoles et conférences auxquelles il a participé. RESSOURCES & MATERIEL L'étudiant aura accès : • au laboratoire CLPU, son système laser Vega et, si possible, aux diagnostics du CLPU ; • aux infrastructures de l'Université de Salamanque et aux cours d'interaction laser-plasma organisés en collaboration entre le CLPU et l'Université de Salamanque; • aux infrastructures de l'Université de Bordeaux et aux cours d'interaction laser-plasma organisés par l'Université de Bordeaux. PROGRAMME PAR ANNÉE Le travail de l'étudiant sera organisé comme suit : • Première année : formation à l'interaction laser-plasma, recherches bibliographiques liées au projet de recherche et premiers travaux d'analyses de données expérimentales. Campagnes expérimentales au CLPU et à PALS. • Deuxième année : analyse des données expérimentales des premières campagnes au CLPU, à PALS et à Gekko. • Troisième année : suite du travail d'analyse de données et préparation finale de la thèse de doctorat. RÉFÉRENCES [Belyaev2005] Belyaev, V., et al., Observation of neutron less fusion reactions in picosecond laser plasmas. Physical review. E, Statistical, nonlinear, and soft matter physics, 2005. 72: p. 026406. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.72.026406 [Labaune2016] Labaune, C., et al., Laser-initiated primary and secondary nuclear reactions in Boron-Nitride. Scientific Reports, 2016. 6: p. 21202. https://www.nature.com/articles/srep21202 https://doi.org/10.1103/PhysRevX.4.031030 [Picciotto2014] Picciotto, A., et al., Boron-Proton Nuclear-Fusion Enhancement Induced in Boron-Doped Silicon Targets by Low-Contrast Pulsed Laser. Physical Review X, 2014. 4: p. 031030. https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.4.031030 [Margarone2014] Margarone, D., et al., Advanced scheme for high-yield laser driven nuclear reactions. Plasma Physics and Controlled Fusion, 2014. 57(1): p. 014030 https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0741-3335/57/1/014030 [Giuffrida2020] Giuffrida, et. al. (2020). High-current stream of energetic α particles from laser-driven proton-boron fusion. PHYSICAL REVIEW E 101, 013204 https://doi.org/10.1103/PhysRevE.101.013204 [Fujioka2013] Fujioka, S., et al., Kilotesla Magnetic Field due to a Capacitor-Coil Target Driven by High Power Laser. Scientific Reports, 2013. 3: p. 1170. https://www.nature.com/articles/srep01170 [Santos2015] Santos, J.J., et al., Laser-driven platform for generation and characterization of strong quasi-static magnetic fields. New Journal of Physics, 2015. 17(8): p. 083051. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1367-2630/17/8/083051 [Hora2017]Hora, H.; Eliezer, S.; Kirchhoff, G.J.; et al. (12 December 2017). 'Road map to clean energy using laser beam ignition of boron-hydrogen fusion'. Laser and Particle Beams. 35 (4): 730–740. Bibcode:2017LPB....35..730H. doi:10.1017/S0263034617000799. [Wang2017] Brian Wang (13 December 2017). 'Breakthroughs could make commercial laser nuclear fusion through billion times improvements in yield'. NextBigFuture. [DeSilva2017] Wilson Da Silva (14 December 2017). 'Laser-boron fusion now 'leading contender' for energy'. UNSW Newsroom.

INTRODUCTION AND JUSTIFICATION OF THE TOPIC OF STUDY The subject of the research work will be the study of laser-driven proton-boron p-11B fusion and the consequent release of a particles. Although proton-boron fusion might find a futuristic application in the field of energy production, the work of the thesis will rather focus on: i) understanding the basic physics involved in the laser-driven generation of a particles, and ii) investigating the possibility of developing high-brightness a particle sources driven by lasers for applications in medicine and physics/technology. Aneutronic fusion is based on nuclear fusion reactions, such as the proton boron p-11B reaction, which provide energy in the form of charged particles, typically protons or a particles as opposed to deuterium-tritium nuclear fusion where the released energy is mainly transported by neutrons. Successful aneutronic fusion would greatly reduce problems associated with neutron radiation and neutron activation, requirements for biological shielding, and safety, for remote handling, and would improve reactor maintenance and life-time. However, the conditions required to obtain aneutronic fusion are much more extreme than those required for deuterium-tritium fusion, as it will be investigated for instance on the ITER machine. Recently, novel p-11B fusion schemes have been proposed [Hora2017, Wang2017, DeSilva2017] based on the use of two petawatt-class, chirped pulse lasers [Blain2020] to drive proton-boron fusion using a “pitcher-catcher” approach. One laser ionizes hydrogen atoms and accelerates the resulting free protons via target normal sheath acceleration towards a boron plasma. Such plasma may eventually be confined by a kilotesla magnetic field created by additional laser beams using the so-called capacitor-coil target scheme [Santos2015, Fujioka2013]. He+ ions (a-particles) are produced in the boron plasma by the nuclear fusion reactions, and they might be converted to electricity without a thermal conversion step and its associated thermal losses. The scheme may trigger an avalanche process which might strongly increase the fusion yield. During the last decades, the large diffusion of high-power laser systems in Europe and abroad has pushed forward the research in laser induced proton-boron p-11B nuclear fusion. Recent experiments using CPA (Chirped Pulse Amplification) laser pulses [Belyaev2005, Labaune2016, Picciotto2014, Margarone2014, Giuffrida2020] have shown an impressive progression in the reaction yield. This could make possible to develop high-brightness laser-driven a-particle sources with potential multidisciplinary applications, in particular medical applications. WORKING HYPOTHESIS AND PRINCIPAL OBJECTIVES The PhD Project aim is to advance in the knowledge and performance of laser-induced proton boron fusion reactions. To do this a loop between experimental activities, theoretical prediction, and numerical simulations will be established with the aim of performing a coherent advance in all directions. The student will participate to most of the experimental campaigns with an additional effort in numerical simulations to prepare and analyze experiments. A first tasks will be the study and selection of laser-target geometries for the optimization of p-11B fusion reactions in terms of yield and energy spectrum both using experimental results and using a numerical approach (hydrodynamic, PIC and Monte Carlo codes). Special attention will be devoted to designing and testing ad-hoc target solutions based on given laser beam properties (e.g. pulse duration, intensity and contrast) and/or scientific/technological goal of the experiment. The experimental activity will include a series of experiments in high power laser system around the world among which the most relevant are: • The PW-class HRR laser system VEGA at the Centro de Laseres Pulsados in Salamanca where already accepted experiments are planned for the next two years. • The k-Joule Multi-TW class laser-system OMEGA EP in Rochester USA • The k-Joule Multi-TW laser system Gekko/LFEX in Osaka Japan • The k-joule TW laser system PALS in Czech Republic The aim of such experimental investigation is to advance in the knowledge of laser-driven p-11B fusion in order to see how we can progress towards the development of high-brightness laser-driven a-particle sources. Of course, the obtained results will also be useful to clarify some of the issues related to proton-boron fusion for future energy production. The PhD student will divide his job between the two leading institutions that support the Joined PhD programme: The University of Salamanca and the University of Bordeaux. This will guaranty the candidate to be embedded in a sparkling research field with several opportunities for career after his PhD. METHODOLOGY TO BE USED The methodology used in the PhD thesis work will consist in and include: • Literature review on the main topics related to the field of investigation • Formation period (mainly first year) in laser-plasma physics, numerical methods and topics related to the field of investigation • Participation to conferences related to the topic where the student will present his work. In addition, he will be required to prepare a small presentation to report about the experience. • Participation to Schools related to the topic of investigation. Again, the student will be required to prepare a small presentation to report about the experience • Involvement in the experimental activities at CLPU or other High-Power laser laboratories in EU and abroad. This will be a strong part of the PhD work. The student will be followed periodically with meetings with the two supervisors (in Bordeaux and Salamanca, either in person or by zoom). In addition, a few times per year, he will be asked to prepare a seminar on the status of the activities and in general resuming schools and conferences at which he participated. MATERIAL MEANS AND RESOURCES AVAILABLE The student will have access to: • The CLPU laboratory and the laser system VEGA and, when possible, the CLPU diagnostics • The infrastructures of the University of Salamanca, and to courses on laser-plasma organized in collaboration with CLPU and USAL. • The infrastructures of the University of Bordeaux, and to courses on laser-plasma organized in Bordeaux. TIMING SCHEDULE OVER THREE YEARS The student work is organized as follows: 1st year= training in laser plasma physics, literature review on the topic and first work on experimental analysis. Experimental campaign at the CLPU and at PALS. 2nd year= working on the analysis of first experimental activities at CLPU, PALS and Gekko. 3rd year= continuation of work for experimental campaign analysis of the results and final preparation of the PhD thesis. BIBLIOGRAPHICAL REFERENCES [Belyaev2005] Belyaev, V., et al., Observation of neutron less fusion reactions in picosecond laser plasmas. Physical review. E, Statistical, nonlinear, and soft matter physics, 2005. 72: p. 026406. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.72.026406 [Labaune2016] Labaune, C., et al., Laser-initiated primary and secondary nuclear reactions in Boron-Nitride. Scientific Reports, 2016. 6: p. 21202. https://www.nature.com/articles/srep21202 https://doi.org/10.1103/PhysRevX.4.031030 [Picciotto2014] Picciotto, A., et al., Boron-Proton Nuclear-Fusion Enhancement Induced in Boron-Doped Silicon Targets by Low-Contrast Pulsed Laser. Physical Review X, 2014. 4: p. 031030. https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.4.031030 [Margarone2014] Margarone, D., et al., Advanced scheme for high-yield laser driven nuclear reactions. Plasma Physics and Controlled Fusion, 2014. 57(1): p. 014030 https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0741-3335/57/1/014030 [Giuffrida2020] Giuffrida, et. al. (2020). High-current stream of energetic α particles from laser-driven proton-boron fusion. PHYSICAL REVIEW E 101, 013204 https://doi.org/10.1103/PhysRevE.101.013204 [Santos2015] Santos, J.J., et al., Laser-driven platform for generation and characterization of strong quasi-static magnetic fields. New Journal of Physics, 2015. 17(8): p. 083051. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1367-2630/17/8/083051 [Fujioka2013] Fujioka, S., et al., Kilotesla Magnetic Field due to a Capacitor-Coil Target Driven by High Power Laser. Scientific Reports, 2013. 3: p. 1170. https://www.nature.com/articles/srep01170 [Hora2017]Hora, H.; Eliezer, S.; Kirchhoff, G.J.; et al. (12 December 2017). 'Road map to clean energy using laser beam ignition of boron-hydrogen fusion'. Laser and Particle Beams. 35 (4): 730–740. Bibcode:2017LPB....35..730H. doi:10.1017/S0263034617000799. [Wang2017] Brian Wang (13 December 2017). 'Breakthroughs could make commercial laser nuclear fusion through billion times improvements in yield'. NextBigFuture. [DeSilva2017] Wilson Da Silva (14 December 2017). 'Laser-boron fusion now 'leading contender' for energy'. UNSW Newsroom.