An entropic approach to magnetized nonlocal transport and other kinetic phenomena in high-energy-density plasmas
Description
Hydrodynamic simulations in high-energy-density physics and inertial confinement fusion require a detailed description of energy fluxes. The leading mechanism is the electron transport, which can be a nonlocal phenomenon that needs to be described with quasistationary and simplified Fokker-Planck models in large scale hydrodynamic codes. My thesis is dedicated to the development of a new nonlocal transport model based on a fast-moving-particles collision operator and on a first moment Fokker-Planck equation, simplified with an entropic closure relation. Such a closure enables a better description of the electron distribution function in the limit of high anisotropies, where small scale electrostatic instabilities could be excited. This new model, so called M1, is successfully compared with the well known nonlocal electron transport model proposed by Schurtz, Nicolai and Busquet, using different collision operators, and with the reduced Fokker-Planck model, based on a small-anisotropies polynomial closure relation (P1). Several typical configurations of heat transport are considered. We show that the M1 entropic model may operate in two and three dimensions and is able to account for electron transport modifications in external magnetic fields. Moreover, our model enables to compute realistic electron distribution functions, which can be used for kinetic studies, as for the plasma stability in the transport zone. It is demonstrated that the electron energy transport may strongly modify damping of Langmuir and ion acoustic waves, while the simplified nonlocal transport models are not able to describe accurately the modifications of the distribution function and plasma wave damping. The structure of the M1 model allows to naturally take into account self-generated magnetic fields, which play a crucial role in multidimensional simulations. Moreover, magnetic fields could also be used for the focusing of energetic particles in alternative ignition schemes. The M1 model reproduces the results of the local transport theory in plasma, developed by Braginskii, in a broad range of degrees of magnetization and predicts new results in the nonlocal regime. This work constitutes a first validation of the entropic closure assumption in the weakly-anisotropic regime. It can be added to the existing tests, in the strongly-anisotropic regimes. (author)
Abstract (French)
Les simulations hydrodynamiques pour la physique de haute densite d'energie ainsi que pour la fusion par confinement inertiel exigent une description detaillee de flux d'energie. Le mecanisme principal est le transport electronique, qui peut etre un phenomene non local qui doit etre decrit avec des modeles de Fokker-Planck, stationnaires et simplifies dans les codes hydrodynamiques a grande echelle. Mon travail these est consacre au developpement d'un nouveau modele de transport non local base sur l'utilisation d'une methode de fermeture entropique pour la resolution des premiers moments de l'equation de Fokker-Planck agrementee d'un operateur de collision dedie. Une telle fermeture permet une bonne resolution des fortes anisotropies de la fonction de distribution electronique dans les regimes ou le developpement d'instabilites electrostatiques a petite echelle le requiert. Ce modele aux moments (M1) est compare avec succes au modele de Schurtz, Nicolai et Busquet (SNB), referent dans le domaine du transport electronique non local. Ce modele, base sur l'hypothese d'une faible anisotropie de la fonction de distribution sous-jacente induisant une relation de fermeture polynomiale (P1), utilise un operateur de collision simplifie dont nous avons propose une amelioration. Apres avoir considere plusieurs configurations typiques de transport de chaleur, nous avons montre que le modele M1 multidimensionnel peut prendre naturellement en compte des effets d'un plasmas magnetises sur le transport electronique. De plus, ce modele permet de calculer des fonctions de distribution utiles aux etudes cinetiques comme la stabilite du plasma dans la zone de transport. Nous confirmons avec notre modele que le transport d'energie electronique peut fortement modifier l'amortissement des ondes de Langmuir et des ondes acoustiques; contrairement aux modeles non locaux simplifies, M1 decrit les modifications de la fonction de distribution et l'amortissement des ondes du plasma. La structure du modele permet egalement de prendre en compte naturellement des champs magnetiques autogeneres, qui jouent un role crucial dans des simulations multidimensionnelles. Ces champs magnetiques pourraient egalement etre etudies pour concentrer l'energie dans les schemas d'ignition. Enfin, nous montrons que le modele M1 reproduit les resultats de la theorie locale elaboree par Braginskii pour tous les niveau de magnetisation et propose de nouveaux resultats pour le regime non local. Ce travail constitue une premiere validation de l'utilisation des fermetures entropiques, dans les regimes de faibles anisotropies, qui va s'ajouter aux tests dans les regimes fortement anisotropes
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Additional titles
- Original title (English)
- Une approche entropique au transport non local et aux autres phenomenes cinetiques dans les plasmas a hautes densites d'energie
Identifiers
Publishing Information
- Imprint Pagination
- 180 p.
- Report number
- FRCEA-TH--8087
INIS
- Country of Publication
- France
- Country of Input or Organization
- France
- INIS RN
- 48031714
- Subject category
- S70: PLASMA PHYSICS AND FUSION TECHNOLOGY;
- Resource subtype / Literary indicator
- Thesis
- Descriptors DEI
- COMPUTERIZED SIMULATION; HEAT TRANSFER; HIGH ENERGY PHYSICS; HYDRODYNAMICS; INERTIAL CONFINEMENT; LASER-PRODUCED PLASMA; THERMONUCLEAR REACTIONS
- Descriptors DEC
- CONFINEMENT; ENERGY TRANSFER; FLUID MECHANICS; MECHANICS; NUCLEAR REACTIONS; NUCLEOSYNTHESIS; PHYSICS; PLASMA; PLASMA CONFINEMENT; SIMULATION; SYNTHESIS
Optional Information
- Notes
- 63 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the 'INIS contacts' section of the INIS-NKM website for current contact and E-mail addresses: http://www.iaea.org/inis/Contacts/; Also available from Bibliotheques de l'Universite de Bordeaux, 351 Cours de la Liberation, 33400 Talence (France)