études magnétohydrodynamique et cinétiques des plasmas HDE magnétisés vers la fusion magnéto-inertiel

Magnetohydrodynamic and kinetic studies in HED magnetized plasmas towards magneto-inertial fusion.

• Auteur / Autrice : Nicolas Fefeu
• Direction : Joao Jorge Santos
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Astrophysique, Plasmas, nucléaire
• Date : Inscription en doctorat le 04/09/2023
• 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
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Particules Et Transport, Rayonnement Ultra-bref, matière sous conditions eXtrêmes

Mots clés

Mots clés libres

Physique des plasmas

Interaction laser-matière

Magnetohydrodynamique

Cinétique

Plasma physics

Laser-matter interaction

Magnetohydrodynamic

Kinetic

Résumé

La récente démonstration du seuil de rentabilité de la fusion nucléaire au National Ignition Facility (NIF) est une étape majeure vers la production d'énergie via la fusion nucléaire. Une idée intéressante, pouvant augmenter le rendement, est d'ajouter un champ magnétique de fond. En plus de l'inertie, le champ magnétique comprime la cible afin de confiner le point chaud entraînant un combustible plus chaud et ainsi permettre d'allumer avec des densités surfaciques et avec des implosions plus lentes lesquelles sont moins sensibles aux instabilités hydrodynamiques. Les récentes méthodes pouvant permettre la génération de champs magnétiques puissants couplées à des installations abritant des laser MJ assouplissent les contraintes importantes de la FCI conventionnelle et ouvrent la voie à la démonstration de la fusion magnéto-inertielle. Une plate-forme d'implosion cylindrique facilite une analyse moins complexe du transport de la chaleur et du flux magnétique ainsi que des mesures des conditions d'implosions et de stagnation du plasma. Ceci a déjà été proposé [C.A. Walsh et al., Plasma Physics and Controlled Fusion 64, 025007 (2022)] et en cours de d'étude à l'installation OMEGA avec un laser de 15 kJ pour des cibles cylindriques de deutérium et un champ magnétique de 30 T. La trajectoire des implosions a été suivie par imagerie à rayons X [G. Pérez-Callejo et al., Rev. Sci. Instrum. 93, 113542 (2022)] et les conditions du noyau comprimé ont été obtenues par spectroscopie d'émission. Les premiers résultats sont cohérents avec un champ magnétique comprimé atteignant ~10kT et la réduction de la conduction thermique le long de la direction radiale a augmenté la température du point chaud de ~70% [M. Bailly-Grandvaux et al., Rev Sci Instrum (2022)], un record dans les expériences d'implosion magnétisée. Des propositions visant à étendre cette plate-forme à 300 kJ d'énergie laser ont été acceptées aux laser Mégajoule (LMJ) [G. Pérez-Callejo et al., Phys. Rev. E 106, 035206 (2022)] et au NIF pour l'année 2024. Ces expériences à plus grande échelle élargiront le niveau de magnétisation réalisables et permettent l'amélioration des diagnostics à savoir l'utilisation de la spectroscopie à double dopant (Ar et Kr) afin d'obtenir une résolution spatiale efficace de la température du noyau mais aussi les mesures de compressibilités du champ magnétique à partir de spectres de neutrons secondaire résolus angulairement. L'augmentation progressive de l'énergie d'entraînement est cruciale pour atteindre la fusion nucléaire auto-entretenue.

The recent demonstration of nuclear fusion breakeven at the National Ignition Facility (NIF) is a major milestone towards fusion energy. One appealing scheme to further increase fusion yields is the addition of a background magnetic field (B-field). Indeed, the B-field compressed with the target acts in addition to inertia to confine the hot spot, resulting in a hotter fuel, allowing to ignite at lower areal densities than otherwise possible and with slower implosions that are less susceptible to hydrodynamic instabilities. The recent capability to generate strong B-fields coupled to MJ laser facilities relaxes important constraints of conventional ICF and sets the path toward magneto-inertial fusion demonstration. A cylindrical implosion platform facilitates less convoluted analysis of the magnetized transport of heat and magnetic flux and measurements of the imploding and stagnated plasma conditions, compared to spherical implosions. That is what we have proposed [C.A. Walsh et al., Plasma Physics and Controlled Fusion 64, 025007 (2022)] and are already exploring at the OMEGA laser facility, with 15 kJ of laser drive energy, deuterium-filled cylindrical targets and a seed B-field of 30 T. The implosions' trajectory was followed by X-ray framed imaging [G. Pérez-Callejo et al., Rev. Sci. Instrum. 93, 113542 (2022)], and the compressed core conditions obtained via Ar K-shell emission spectroscopy. Our first results are consistent with a compressed B-field reaching ~10 kT and the subsequent reduction of the heat conduction along the radial direction enhanced the temperature of the hot spot by ~70% [M. Bailly-Grandvaux et al., Rev Sci Instrum (2022)], a record in magnetized implosion experiments. Proposals to scale this platform to 300 kJ of laser energy-drive have been accepted at both Laser Mega Joule (LMJ) [G. Pérez-Callejo et al., Phys. Rev. E 106, 035206 (2022)] and NIF, both scheduled for FY 2024. These larger-scale experiments will enlarge the level of achievable magnetizations and foreseeing diagnostic improvements, namely the use of dual dopant (Ar and Kr) spectroscopy to achieve effective spatial resolution of the core temperature, and B-field compressibility measurements from angularly-resolved spectra of secondary neutrons. The progressive rise in drive energy is crucial to reach the self-sustained nuclear fusion.