Experimental and theoretical study of hot electrons in the context of the shock ignition approach to inertial confinement fusion
Étude théorique et expérimentale sur les électrons chaudes dans le contexte de l’allumage par choc pour la fusion inertielle
Résumé
The thesis is addressed to the study of physical issues related to the “Shock Ignition” (SI) approach to Inertial Confinement Fusion (ICF). In particular, because of the high laser intensities, a copious amount of hot electrons (HEs) are generated by the laser-plasma interaction. The presence of HEs is usually deleterious in ICF, because they may prevent hotspot ignition by preheating the fuel. On another side, if they are not too energetic, they can contribute to the process of shock formation. For these reasons, it is important to characterize and to understand the role of hot electrons on implosions schemes. The thesis work develops into two parts. The first part is devoted to the analysis of experimental data coming from different experimental campaigns aimed at characterizing hot electrons. These experiments were conducted at OMEGA (University of Rochester), PALS (Czech Technical University) and LMJ (CEA, Bordeaux) laser facilities. In these experiments, targets were irradiated by laser beams with characteristics relevant to ICF and in particular to SI, generating a copious amount of HEs. These HEs were characterized exploiting the x-ray radiation emitted by their propagation in targets, using different x-ray spectrometers. In the thesis, the post-processing methodology of these diagnostics is discussed in detail, showing their limits in the evaluation of the HEs parameters.In the second part, the thesis reports on a 3D Monte-Carlo (MC) code to study the HE propagation in plasma, with the purpose of final implementation as a module in hydrodynamic codes. Specifically, the code simulates the slowing down and the electron collisions in ionized or partially ionized targets. Differently from cold MC methods (e.g. Geant4 or Fluka) the code implements a dedicated algorithm to compute the mean free paths and the collision distances in materials in which strong density gradients are present, like a laser irradiated target. A first evaluation on the preheat effects induced by hot electrons on a typical SI implosion scheme is conducted with this MC model is presented.
La thèse est consacrée à l’étude du problème du transport des électrons énergétiques dans des plasmas chauds et denses et à l’impact de leur dépôt d’énergie sur l’évolution hydrodynamique de ce plasma. Ce sujet a une grande importance pour la physique de la matière à haute densité d’énergie et en particulier dans l’étude de l’approche dit « allumage par choc » à la fusion par confinement inertiel. Le travail s’est développe en deux phases. Dans la première partie, l’analyse des données expérimentales provenant de différent expériences est présentée . En particulier, ces données étaient obtenus pendant des expériences dans des grands installations lasers en Europe et ailleurs : OMEGA-EP (Université de Rochester), PALS (Académie Tchèque des Sciences, Prague) et LMJ (CEA, Bordeaux). Dans ces expériences, des cibles étaient irradiée par des lasers in conditions pertinentes au contexte de la fusion inertiel, en produisant des électrons chaudes. Ces électrons ont été caractérisées en exploitant la radiation émise par leur propagation. Plus précisément, la méthodologie d’analyse des données expérimentales fournies par des spectromètres a rayonnement X durs (« bremsstrahlung cannons » et spectroscopique de la raie d’émission K-a) était discutée, en mettant en évidence les limites de la précision de l’évaluation des paramétrés électroniques imposées par les outils numériques et diagnostics existants.Dans la deuxième partie de la thèse, une nouvelle méthode originale de modélisation du transport d’électrons chauds dans des plasmas denses partialement ionisés a été développé . Ce modèle est basé sur des méthodes Monte Carlo de façon similaires aux codes MC largement utilisé par la communauté scientifique (e.g. Geant4, Fluka). La grande différence est que ces codes considèrent la matière comme “froide” et “non ionisés”, donc ils ne sont pas adaptés à la description des plasmas denses typiques de la fusion inertielle. En plus, ces codes considèrent des matériaux uniformes (ou une succession de différentes matériaux uniformes) et donc ne sont pas adapté à la description des fortes gradients de densité et température présentes dans les plasmas produits par laser. Dans ce sens, le travail constitue un premier pas très important vers la réalisation de codes MC adaptées aux plasmas, en particulier des plasmas dans le contexte de l’allumage par choc à la fusion inertielle. Le modelé développé est maintenant en train d’être implémenté dans des codes hydrodynamiques développés au laboratoire CELIA, pour étudier l’effet des électrons chaud sur les implosions des cibles dans le contexte de la fusion inertielle.Un première étude sur le préchauffage produit par les électrons chaud sur un schème de allumage par choc est présenté.
Origine : Version validée par le jury (STAR)