Published November 10, 2015 | Version v1
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Multi-scale description of the laser-plasma interaction: application to the physics of shock ignition in inertial confinement fusion

Description

This manuscript presents a novel formulation of the Laser-Plasma Interaction (LPI) at hydrodynamical scales, that couples the plasma dynamics with linear and nonlinear LPI processes. The standard Ray Tracing model, based on Geometrical Optics, is not well suited for that purpose because it does not readily describe the laser intensity distribution in plasma. We propose an alternative model formulated for a Lagrangian hydrodynamic code. It is based on the ray-based Paraxial Complex Geometrical Optics (PCGO) that describes Gaussian optical beamlets. A method for modeling non-Gaussian laser beams smoothed by Phase Plates is presented, that allows to create intensity variations that reproduce the beam envelope, contrast and high-intensity statistics predicted by paraxial laser propagation codes. We propose in line reduced models for the non-linear laser-plasma interaction, in the case of the Cross-Beam Energy Transfer (CBET) and the generation of Hot Electrons (HE). The in line CBET model is validated against a time-dependent conventional paraxial electromagnetic wave propagation code, in a well-defined plasma configuration with density and velocity profiles corresponding to an inhomogeneous plasma. Good agreement is found past a transient period on the picosecond time scale, notably for the spatial distribution of density perturbations and laser intensities in the interaction region. Application of the model to a direct-drive Inertial Confinement Fusion (ICF) configuration shows that CBET significantly degrades the irradiation symmetry by amplifying low frequency modes and reducing the laser-capsule coupling efficiency, ultimately leading to large modulations of the shell areal density and lower convergence ratios. The LPI/HE model predicts the HE fluxes, temperatures, angular dispersion and direction from the laser intensity of PCGO beamlets from simplified expressions based on theoretical models and scaling laws obtained in kinetic simulations. The HE beams propagation and energy deposition in plasma is described in the angular scattering approximation, adapted to two-dimensional, transversally Gaussian, multigroup HE beams of arbitrary angular distribution. This model accounts for (i) competition for the laser energy between the various instabilities and with the linear collisional absorption, (ii) coupling between nonlinear LPIs and plasma dynamics via the high energy electron beams and (iii) loss of coupling due to backscattered Raman light. Its performance is confirmed by comparison with measurements of shock timing, laser absorption, HE fluxes and temperatures in experiments conducted on Omega and Pals laser facilities. This multi-scale in line LPI-HE model is used to interpret several Shock Ignition experiments. It is found that HEs from parametric instabilities significantly increase the shock pressure and velocity in the target, while decreasing its strength and the overall ablation pressure. Applications to the high-intensity regime of shock ignition ICF suggest that HEs generated by the nonlinear LPI are nefarious to the capsule implosion in conventional target designs, as they lead to a dramatic increase in the hotspot mass and losses by Bremsstrahlung radiation. This model is readily applicable to hydrodynamic description of laser-target experiments of High Energy Density Physics, in the interaction regimes involving the above-mentioned non-linear LPI processes. (author)

Abstract (French)

Ce manuscrit presente une nouvelle formulation de l'Interaction Laser-Plasma (ILP) a l'echelle hydrodynamique, qui couple la dynamique du plasma avec les processus d'ILP lineaires et non-lineaires. Le modele standard du trace de rayon (Ray-Tracing), base sur l'Optique Geometrique, est peu adapte pour modeliser l'ILP non-lineaire car la distribution de l'intensite laser dans le plasma n'est pas directement disponible. Nous proposons un modele alternatif specifiquement formule pour un code hydrodynamique Lagrangien, base sur l'Optique Geometrique Complexe Paraxiale qui decrit la propagation de faisceaux Gaussiens. Cette methode est ensuite adaptee a la description de faisceaux laser non Gaussiens, et permet de reproduire la statistique d'intensite, l'enveloppe et le contraste de faisceaux lisses par une Lame de Phase. Nous proposons des modeles en ligne pour decrire l'echange d'energie entre faisceaux croises (CBET) et la generation d'electrons rapides par l'ILP non-lineaire, en utilisant PCGO. Le modele en ligne de CBET est valide par comparaison avec un code de propagation d'une onde electromagnetique paraxial conventionnel dans le cas d'un plasma inhomogene en vitesse. Un bon accord est trouve apres une periode transitoire de l'ordre de la picoseconde, notamment en ce qui concerne la distribution spatiale de l'intensite laser et des perturbations de densite du plasma. Ce modele applique a une configuration d'attaque directe de Fusion par Confinement Inertiel (FCI) montre que le CBET reduit le couplage laser-cible, reduit le facteur de convergence, et amplifie les modes basse frequence de deformation de la capsule. Le modele de generation d'electrons rapides par l'ILP non-lineaire modelise les proprietes des faisceaux d'electrons rapides, i.e. leur flux, energie moyenne, dispersions angulaire et direction, a partir de l'intensite laser predite par PCGO et a partir d'expressions simplifiees, basees sur des modeles theoriques et des lois d'echelles obtenues a l'aide de simulations cinetiques. La propagation et le depot d'energie par les electrons rapides est decrite a partir d'une approximation de diffusion angulaire adaptee en deux dimensions, pour des faisceaux de profil transverse d'intensite Gaussien, de distribution d'energie exponentielle et d'ouverture angulaire arbitraire. Ce modele couple rend compte de (i) la competition pour l'energie laser entre les differentes instabilites et avec l'absorption collisionnelle, (ii) le couplage entre l'ILP non-lineaire et la dynamique du plasma a travers les faisceaux d'electrons rapides, et (iii) la perte de couplage laser-plasma due a la diffusion Raman arriere. Les performances de ce modele sont evaluees par comparaisons avec des experiences d'allumage par choc conduites sur les installations laser Omega et Pals. Ce modele multi-echelle est ensuite utilise pour interpreter plusieurs experiences. On trouve notamment que les electrons generes par l'ILP non-lineaire augmentent la vitesse du choc et la pression en aval de ce dernier, tout en reduisant sa force et la pression d'ablation. Une application a la phase fortement non-lineaire de l'allumage par choc en FCI suggere que ces electrons sont nefastes pour l'implosion de la capsule en ce qui concerne les cibles conventionnelles: ceux-ci causent une augmentation de la masse du point chaud et des pertes radiatives. Ce modele peut etre applique a la modelisation hydrodynamique des experiences laser-cible de physique des hautes densites d'energie pour les regimes d'interaction pertinents pour les instabilites evoquees ci-dessus

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Original title (English)
Description multi-echelle de l'interaction laser-plasma: application a la physique de l'allumage par choc en fusion par confinement inertiel

Publishing Information

Imprint Pagination
322 p.
Report number
FRCEA-TH--8076

INIS

Country of Publication
France
Country of Input or Organization
France
INIS RN
48031710
Subject category
S70: PLASMA PHYSICS AND FUSION TECHNOLOGY;
Resource subtype / Literary indicator
Thesis
Descriptors DEI
COMPUTER CODES; ENERGY TRANSFER; HYDRODYNAMICS; INERTIAL CONFINEMENT; LASER-PRODUCED PLASMA; NONLINEAR PROBLEMS; THERMONUCLEAR REACTIONS
Descriptors DEC
CONFINEMENT; FLUID MECHANICS; MECHANICS; NUCLEAR REACTIONS; NUCLEOSYNTHESIS; PLASMA; PLASMA CONFINEMENT; SYNTHESIS

Optional Information

Notes
246 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)