Theoretical study of transport coefficients of dense plasmas mixtures: the shear viscosity and the interdiffusion
Description
The originality of this thesis work is based on the quantitative results we obtained for two types of models: the hydrogen plasma and the binary ionic mixture. Thus we have analyzed two transport coefficients using kinetic theory. The first part deals with electron and proton viscosity in the hydrogen plasma model. We examine the pseudopotential diffraction of Barker and Deutsch. We also know that the use of this potential in the study of static properties leads to satisfactory results because this pseudopotential takes into account the quantum effects when two particles approach each other at a distance smaller than the de Broglie distance. At this stage the question is: can dynamic properties be described using this potential? To answer this question, we have developed three classical approaches: the free flow approximation which takes into account the static correlations, the mean field approximation which introduces the Debye dynamic correlations in addition to the static correlations, and the Braginkii approximation which takes into account only the actual correlations related to the potential. The answer is partially positive for the thermodynamic conditions considered in this thesis, i.e. for a large degeneracy parameter in front of 1 (θ=T/TF ≥≥ 1). In a second part, we evaluated the shear viscosity of a mixture with two species of ions for a binary ionic plasma. This model is better suited to study ion transport coefficients. The objective is to determine the effects related to the presence of impurities generally composed of heavy ions on the viscosity of light ions in a laser inertial melting experiment. We find that a small proportion of heavy ions leads to a systematic decrease in the viscosity of light ions, and that the higher the charge of heavy ions, the greater the decrease in viscosity. An attenuation factor appears which depends on the inverse square of the charge of the heavy ion, with mass effects playing little role. These quantitative results are obtained in a range of weak and intermediate couplings and we did not evaluate the direct viscosity in the approximation of the mean field for strong couplings. A possible solution is the extension for plasmas of a semi-empirical approach derived from the Lovesey method for liquids. It consists in constructing correlation functions from hydrodynamic modes previously evaluated by kinetic theory. This method opens a new research path for the evaluation of transport coefficients in the field of strong couplings. In a third part, we study the interdiffusion coefficient in the approximation of the 13 moments based on a Kubo type description. We obtain numerical values of the interdiffusion coefficient for a wide range of parameters (n, T) from weak to strong couplings. Inspecting these numerical results, we found the following unexpected effect: the results do not compare well with the values obtained by molecular dynamics, especially in the weak and intermediate coupling domains. At this stage, we cannot say whether this difference is related to the approximation of the 13 moments. So we evaluated only the matrix elements corresponding to the direct interdiffusion coefficient. The direct interdiffusion coefficient gives satisfactory results with respect to molecular dynamics at weak and intermediate couplings. We also studied the mean value of the self-scattering by kinetic theory. This compares well with the experimental points in molecular dynamics. On the basis of these results, we believe that it would be highly desirable to reconsider the model of correlation functions in order to obtain numerical values of the interdiffusion coefficient in the approximation of the 13 moments that compare with the results of molecular dynamics. In addition, there is no analytical relationship between the interdiffusion coefficient and viscosity in a binary ionic mixture. Finally, a more realistic model for the binary ionic mixture that approximates the plasmas generated in the laboratory is to take into account the electron polarization. A simple model consists in taking into account a Thomas-Fermi type shielding. This shielding becomes important when the Thomas-Fermi length is of the order of the mean distance between the particles. Unfortunately this study was not carried out for a two-component plasma where the diffusion coefficients could be strongly modified. This approach may give rise to future developments. (author)
Abstract (French)
L'originalite de ce travail de these repose sur les resultats quantitatifs que nous avons obtenus pour deux types de modeles: le plasma d'hydrogene et le melange binaire ionique. Ainsi nous avons analyse deux coefficients de transport a l'aide de la theorie cinetique. La premiere partie porte sur la viscosite electronique et la viscosite des protons dans le cadre du modele du plasma d'hydrogene. Nous examinons le pseudopotentiel de diffraction de Barker et Deutsch. Nous savons par ailleurs que l'utilisation de ce potentiel dans l'etude des proprietes statiques conduit a des resultats satisfaisants car ce pseudopotentiel tient compte des effets quantiques lorsque deux particules s'approchent mutuellement d'une distance inferieure a la distance de de Broglie. A ce stade la question qui se pose est la suivante: peut-on decrire les proprietes dynamiques a l'aide de ce potentiel? Pour y repondre, nous avons developpe trois types d'approches classiques: l'approximation du flux libre qui prend en compte les correlations statiques, l'approximation du champ moyen qui introduit en plus des correlations statiques les correlations dynamiques de Debye et l'approximation de Braginkii qui tient compte uniquement des correlations effectives liees au potentiel. La reponse est partiellement positive pour les conditions thermodynamiques envisagees dans cette these, c'est a dire pour un parametre de degenerescence grand devant 1 (θ=T/TF ≥≥ 1). Dans une seconde partie, nous avons evalue la viscosite de cisaillement d'un melange a deux especes d'ions pour un plasma binaire ionique. Ce modele est plus adapte pour etudier les coefficients de transport des ions. L'objectif est de determiner les effets lies a la presence d'impuretes generalement composees d'ions lourds sur la viscosite des ions legers dans une experience de fusion inertielle par laser. Nous faisons le constat suivant: une faible proportion d'ions lourds entraine une diminution systematique de la viscosite des ions legers, celle-ci est d'autant plus importante que la charge des ions lourds est elevee. Il apparait un facteur d'attenuation dependant de l'inverse du carre de la charge de l'ion lourd, les effets de masse jouant peu de role. Ces resultats quantitatifs sont obtenus dans un domaine de couplages faibles et intermediaires et nous n'avons pas evalue la viscosite directe dans l'approximation du champ moyen pour les couplages forts. Une solution possible est l'extention pour les plasmas d'une approche semi-empirique deduite de la methode de Lovesey pour les liquides. Elle consiste a construire des fonctions de correlation a partir de modes hydrodynamiques prealablement evalues par la theorie cinetique. Cette methode ouvre une nouvelle voie de recherche pour l'evaluation des coefficients de transport dans le domaine des couplages forts. Dans une troisieme partie, nous etudions le coefficient d'interdiffusion dans l'approximation des 13 moments sur la base d'une description de type Kubo. Nous obtenons des valeurs numeriques du coefficient d'interdiffusion pour un large eventail de parametres (n, T) allant des couplages faibles aux couplages forts. Inspectant ces resultats numeriques, nous avons constate l'effet inattendu suivant: les resultats se comparent mal aux valeurs obtenues par la dynamique moleculaire surtout dans les domaines des couplages faibles et intermediaires. A ce stade, nous ne pouvons pas affirmer si cette difference est liee a l'approximation des 13 moments. Alors nous avons evalues uniquement les elements de matrice correspondant au coefficient d'interdiffusion direct. Le coefficient d'interdiffusion direct donne des resultats satifaisants par rapport a la dynamique moleculaire aux couplages faibles et intermediaires. Nous avons par ailleurs etudie la valeur moyenne des autodiffusions par la theorie cinetique. Celle-ci se compare correctement par rapport aux points experimentaux de la dynamique moleculaire. Sur la base de ces resultats, nous pensons qu'il serait hautement souhaitable de reconsiderer le modele des fonctions de correlation afin d'obtenir des valeurs numeriques du coefficient d'interdiffusion dans l'approximation des 13 moments qui se comparent aux resultats de la dynamique moleculaire. En outre, il n'existe pas de relation analytique entre le coefficient d'interdiffusion et la viscosite dans un melange binaire ionique. Enfin un modele plus realiste pour le melange binaire ionique qui se rapproche des plasmas generes en laboratoire est de tenir compte de la polarisation des electrons. Un modele simple consiste a prendre en compte un ecrantage de type Thomas-Fermi. Cet ecrantage devient important lorsque la longueur de Thomas-Fermi est de l'ordre de la distance moyenne entre les particules. Malheureusement cette etude n'a pas ete realisee pour un plasma a deux composants ou les coefficients de diffusion pourraient etre fortement modifies. Cette approche pourra donner lieu a des developpements futurs.Files
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Additional titles
- Original title (French)
- Etude theorique des coefficients de transport des melanges de plasmas denses: la viscosite et le coefficient d'interdiffusion
Publishing Information
- Imprint Pagination
- 164 p.
- Report number
- FRCEA-TH--9073
INIS
- Country of Publication
- France
- Country of Input or Organization
- France
- INIS RN
- 52035786
- Subject category
- S70: PLASMA PHYSICS AND FUSION TECHNOLOGY;
- Resource subtype / Literary indicator
- Thesis
- Descriptors DEI
- APPROXIMATIONS; ATTENUATION; CORRELATION FUNCTIONS; DIFFUSION; ELECTRONS; HEAVY IONS; HYDROGEN; IMPURITIES; MEAN-FIELD THEORY; MOLECULAR DYNAMICS METHOD; PLASMA; PROTONS; THOMAS-FERMI MODEL; VISCOSITY
- Descriptors DEC
- ATOMIC MODELS; BARYONS; CALCULATION METHODS; CHARGED PARTICLES; ELEMENTARY PARTICLES; ELEMENTS; FERMIONS; FUNCTIONS; HADRONS; IONS; LEPTONS; MATHEMATICAL MODELS; NONMETALS; NUCLEONS
Optional Information
- Notes
- 54 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses