Study of the solid-to-plasma transition of polystyrene and its influence on direct drive inertial confinement fusion simulations
Étude de la transition solide-plasma du polystyrène et de son influence sur les simulations de fusion par confinement inertiel en attaque directe
Abstract
Direct drive inertial confinement fusion (ICF) is a method considered for achieving nuclear fusion reactions by irradiating a target with multiple high-intensity laser pulses. This target is a sphere made of a solid material called an ablator (usually polystyrene), which surrounds a fusion fuel (usually cryogenic deuterium-tritium (DT)). The energy delivered by the laser irradiation causes the ejection of the ablator and the implosion of the target due to the rocket effect. The mechanical work exerted on the hotspot (the center of the target) during the implosion is expected to trigger fusion reactions. Currently, the radiative hydrodynamic codes used to simulate ICF implosions generally assume that the ablator is initially in a plasma state, although it is actually in a solid state. This solid state could play a role during the initial interaction between the lasers and the target. Due to the initial transparency of the ablator, the laser can penetrate the target, leading to the "shine-through" effect, which can modify the laser energy deposition and potentially alter the dynamics of the shocks propagating within the target. Additionally, changes in the laser imprint can influence the evolution of hydrodynamic instabilities during the implosion.The objective of this thesis is to develop a solid-to-plasma transition model for polystyrene based on existing models, that can be integrated into hydrodynamic simulation codes for ICF. To achieve this, the model needed to be adapted to the specific constraints of these codes, taking into account the dependencies of the model on the evolution of all hydrodynamic quantities, and optimizing the numerical costs to avoid an excessive increase in simulation time. The integration of these modifications required experimental validation of the model, which was carried out through an experiment on the GCLT laser at CEA-DIF, measuring the evolution of the transmittance of a polystyrene sheet irradiated by a laser pulse. The results showed a good correlation between simulations and experimental measurements, confirming the validity of the new coupled model. This model was then used to study the potential effects of the initial solid state on direct drive ICF simulations. The results revealed that accounting for the solid-to-plasma transition influences the growth of hydrodynamic instabilities. Specifically, we observed a reduction in low spatial frequency instabilities for targets with a thick ablator, and a general increase in high spatial frequency instabilities due to the non-linearity of the solid-to-plasma transition phenomenon.
La fusion par confinement inertiel (FCI) en attaque directe est une méthode envisagée pour obtenir une réaction de fusion nucléaire en irradiant une cible avec plusieurs impulsions laser de haute intensité. Cette cible est une sphère constituée d'un matériau solide appelé ablateur (généralement du polystyrène), entourant un combustible de fusion (généralement du deutérium-tritium (DT) cryogénique). L'énergie apportée par l'irradiation laser provoque l'éjection de l’ablateur et l'implosion de la cible par effet fusée. Le travail mécanique exercé sur le point chaud (le centre de la cible) pendant l'implosion doit permettre de déclencher des réactions de fusion. Actuellement, les codes hydrodynamiques radiatifs utilisés pour simuler les implosions de FCI supposent généralement que l'ablateur est initialement à l'état plasma, bien qu'il soit à l'état solide. Cet état solide pourrait jouer un rôle lors de l'interaction initiale entre les lasers et la cible. En raison de la transparence initiale de l'ablateur, le laser peut pénétrer la cible, ce qui est appelé l'effet de "shine-through", et modifier le dépôt d'énergie laser, ce qui peut conduire à une modification de la dynamique des chocs se propageant dans la cible. De plus, les modifications de l’empreinte laser peuvent influencer l’évolution des instabilités hydrodynamiques au cours de l’implosion.L’objectif de cette thèse est de développer un modèle de transition solide-plasma du polystyrène fondé sur les modèles existants et pouvant être intégré aux codes hydrodynamiques de simulation de FCI. Pour ce faire, il a fallu adapter le modèle aux contraintes spécifiques de ces codes, en tenant compte des dépendances du modèle vis-à-vis de l'évolution de toutes les grandeurs hydrodynamiques, et en optimisant les coûts numériques pour éviter une augmentation excessive du temps de simulation. L'intégration de ces modifications a requis une validation expérimentale du modèle, effectuée grâce à une expérience réalisée sur le laser GCLT du CEA-DIF mesurant l'évolution de la transmittance d'une feuille de polystyrène irradiée par une impulsion laser. Les résultats obtenus ont montré une bonne corrélation entre les simulations et les mesures expérimentales, confirmant ainsi la validité du nouveau modèle couplé. Ce modèle a ensuite été utilisé pour étudier les effets potentiels de l'état solide initial sur les simulations de FCI en attaque directe. Les résultats ont révélé que la prise en compte de la transition solide-plasma influence la croissance des instabilités hydrodynamiques. Nous avons observé une réduction des instabilités de basse fréquence spatiale pour des cibles possédant un ablateur épais, et une augmentation générale des instabilités de haute fréquence spatiale due à la non-linéarité du phénomène de transition solide-plasma.
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