Vers la production d'énergie grâce à la fusion par confinement inertiel : étude d'un matériau poreux

Towards energy production by inertial fusion confinement: study of porous material

• Auteur / Autrice : Stavros Bakandreas
• Direction : Alessandra Benuzzi mounaix, Bruno Albertazzi
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2024
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire pour l'Utilisation des Lasers Intenses
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : PHYHDEL - PHYSIQUE DE LA MATIÈRE À HAUTE DENSITÉ D'ENERGIE PAR LASER

Mots clés

Mots clés libres

Equations d'etat

Compression laser

Matériau poreux

Laser compression

Equation of state

Porous materials

Résumé

La fusion par confinement inertiel (FCI) est une voie crédible pour atteindre une nouvelle source d'énergie reproduisant sur Terre la réaction de fusion qui se produit au cœur du soleil. Les récents résultats du NIF [1] ont fortement accru l'intérêt pour ce type de système qui pourrait fournir une source d'énergie propre et durable. En effet, la démonstration de l'allumage nécessite de nouvelles connaissances sur les processus microphysiques qui interviennent dans l'implosion des capsules, afin de parvenir à une conception viable. Parmi ces processus, on peut citer la physique des chocs, les équations d'état, le rayonnement, les instabilités hydrodynamiques, le transport d'énergie.... Récemment, les matériaux poreux ont montré un intérêt significatif pour l'ICF, en raison du contrôle qu'ils offrent sur le ratio de convergence de l'implosion et de la possibilité qu'ils offrent de minimiser la croissance de l'instabilité hydrodynamique. Cependant, très peu de choses sont connues sur les propriétés thermodynamiques des matériaux poreux (EOS en particulier), leur comportement face au rayonnement, comment l'homogénéisation se produit, combien d'énergie est perdue dans ce processus, ... A l'heure actuelle, les simulations, qui sont obligatoires dans la recherche sur la FCI, reposent sur la modélisation de ces matériaux poreux comme un milieu homogène avec une densité moyenne qui n'est manifestement pas appropriée. Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse sera de fournir des données expérimentales détaillées sur les processus des matériaux poreux afin de développer des modèles appropriés à inclure dans les codes numériques. Les expériences seront réalisées sur des installations laser de haute énergie (LULI en France, GEKKO au Japon) et des installations XFEL (en particulier SACLA au Japon). L'étudiant explorera différents aspects de la dynamique des matériaux poreux : (i) fournir des données robustes pour l'équation d'état, (ii) déterminer la dynamique du front d'ionisation et (iii) évaluer le temps nécessaire pour homogénéiser le matériau. Au LULI, nous avons développé pendant de nombreuses années différentes plateformes afin d'étudier expérimentalement ces processus. Cependant, l'étudiant développera de nouveaux diagnostics dédiés à l'étude de la physique des matériaux poreux. En parallèle, les simulations étant l'une des pierres angulaires de la FCI, l'étudiant développera des compétences numériques en utilisant un code radiatif MHD 2D/3D (FLASH développé par l'Université de Chicago) pour concevoir et interpréter les résultats expérimentaux. Nous recherchons un candidat très motivé et intéressé par les expériences de Fusion par Confinement Inertiel utilisant des lasers de haute puissance et la physique des ondes de choc. [1] https://lasers.llnl.gov/science/pursuit-of-ignition#:~:text=On%20Oct.,time%20on%20an%20ignition%20target.

Inertial Confinement Fusion (ICF) is a long story path towards a new energy source reproducing on Earth, the fusion reaction occurring in the core of the Sun. The recent NIF results [1] have strongly increased the interest in such scheme to provide a clean and sustainable energy source. Indeed, the demonstration of ignition requires new insight into the micro-physics processes, that intervene in capsule implosions, in order to achieve a viable design. Among these processes, one can find shock physics, equations of state, radiation, hydrodynamic instabilities, energy transport . Recently, porous materials have shown a significant interest in ICF, due to the control they provide over the convergence ratio of the implosion and the opportunity this affords to minimize hydrodynamic instability growth. However, very little is known about the thermodynamical properties of porous materials (EOS especially), their response to radiation, how homogenization occurs, how much energy is lost in this process, At present time, simulations, that are mandatory in ICF research, rely on modeling such porous material as a homogeneous medium with an average density that is obviously not appropriate. In this context, the objectives of this thesis will be to provide detailed experimental data on the processes of porous materials in order to develop suitable models to be included in numerical codes. The experiments will be performed on high-energy laser facilities (LULI in France, GEKKO in Japan) and XFEL facilities (especially SACLA in Japan). The student will explore different aspects of the porous material dynamics: (i) provide robust data for equation of state, (ii) determine ionization front dynamics and (iii) evaluate the time necessary to homogenize the material. At LULI, we developed for many years different platforms in order to investigate experimentally these processes. However, the student will develop new diagnostics that are dedicated to investigating porous materials physics. In parallel, as simulations are one of the cornerstones of ICF, the student will develop numerical skills in using a 2D/3D MHD radiative code (FLASH developed by Chicago University) to design and interpret experimental results. We are looking for a highly motivated candidate interested in Inertial Confinement Fusion experiments using high-power lasers and shock wave physics. [1] https://lasers.llnl.gov/science/pursuit-of-ignition#:~:text=On%20Oct.,time%20on%20an%20ignition%20target.