L'instabilité de dérive non-résonnante dans les plasmas turbulents
La turbulence magnétique présente dans de nombreux systèmes astrophysiques tels que le vent solaire et les rémanents de supernova joue un rôle clé dans l'accélération de particules à haute énergie, notamment dans le contexte des ondes de choc non collisionnelles. En confinant certaines particules près du front de choc, elle leur permet de gagner de l'énergie par réflexions successives entre les milieux amont et aval, un mécanisme connu sous le nom de processus de Fermi et considéré comme étant à l'origine des rayons cosmiques.
La turbulence autour des rémanents de supernova est probablement déclenchée par les rayons cosmiques eux-mêmes, via des instabilités plasma lors de leur propagation en amont du choc. Dans le cas d'une onde de choc se déplaçant parallèlement au champ magnétique ambiant, l'instabilité dominante est celle de "dérive non-résonnante" - ou instabilité de Bell -, qui contribue à renforcer la turbulence préexistante.
L'objectif de cette thèse est de développer un modèle analytique complet de cette instabilité dans un plasma turbulent, puis d'en comparer les résultats à des simulations numériques avancées.
Mesure de la vitesse du son dans H2, He constitutifs des intérieurs des géantes gazeuses
L'objectif de la thèse est d'étudier les mélanges hydrogène-hélium en phase fluide à haute pression et haute température par spectroscopie Raman et Brillouin. Les expériences seront effectuées en cellule a enclumes diamant sous chauffage laser permettant d’explorer un vaste domaine de pression et de température représentatif des intérieurs planétaires des géantes de gaz (1-300 GPa, 300-4000 K). La spectroscopie Raman sera utiliser pour sonder les changements chimiques susceptibles d’apparaître en conditions extrêmes. La spectroscopie Brillouin donnera accès à la vitesse du son adiabatique et aux équations d’état de ces systèmes en phase fluide. Ces données seront particulièrement utiles pour améliorer la modélisation des intérieurs de Jupiter et Saturne.
Description de phénomènes collectifs au sein des noyaux d’atome au-delà de l’approche de la fonctionnelle de la densité dépendant du temps
Contexte :
Prédire l'organisation et la dynamique des neutrons et protons au sein des noyaux d'atome est un véritable
défi scientifique, crucial pour concevoir les technologiques nucléaires du futur mais aussi pour répondre à
des questions fondamentales comme l'origine des atomes lourds dans notre univers. Dans ce cadre, le CEA,
DAM, DIF développe des approches théoriques visant à simuler la dynamique des constituants élémentaires
du noyau atomique. Les équations du mouvement obtenues, dans le cadre de la mécanique quantique, sont
résolues sur nos supercalculateurs. Les années 2010 ont vu une montée en puissance de l’approche dite de la
fonctionnelle de la densité dépendant du temps (TDDFT) pour traiter ce problème. Malgré sa description
révolutionnaire de certains phénomènes tels que les résonances géantes observées dans les noyaux d’atome
ou encore la fission nucléaire, cette approximation possède des limites intrinsèques.
Objectifs :
Cette thèse vise à développer et explorer une nouvelle approche théorique permettant de décrire les
phénomènes de mouvements collectifs des protons et neutrons au sein du noyau atomique. L’idée est de
généraliser l’approche TDDFT afin de mieux prédire certaines propriétés des réactions nucléaires comme la
répartition de l’énergie entre les fragments issus d’une fission nucléaire. Partant de premier travaux allant
dans cette direction, le/la doctorante devra dériver les équations du mouvement de cette nouvelle approche
puis les implémenter sous forme d’une librairie C++ optimisée et tirant profit des supercalculateurs du CEA.
Le but sera enfin d’étudier comment cette nouvelle approche améliore les prédictions de certains
phénomènes comme l’amortissement des résonances géantes dans les noyaux d’atomes ou encore la
naissance des fragments générés lors d’une fission nucléaire.
Potentiels réactifs par réseaux de neurones : optimisation de l'acquisition des données d'entraînement et application aux réactions mécanochimiques
La décomposition spontanée de molécules organiques lors de leur synthèse, manipulation, ou stockage, pose de sérieux problème de sécurité dans le cas de matériaux énergétiques. En plus de l'activation thermique, de récentes études montrent que les déformations intramoléculaires telles que celles induites par le passage d'une onde de choc influencent la réactivité chimique et peuvent modifier les mécanismes de décomposition. Les études à l'échelle moléculaire de ces phénomènes représentent un défi car elles nécessitent à la fois des calculs de chimie quantique pour décrire la formation et la rupture de liaison chimique, mais aussi des effets de phase condensée.
Pour remédier à cela, nous proposons le développement et l'application d'un potentiel réactif par réseaux de neurones (MLIP) pouvant combiner ces deux aspects. En particulier, nous visons à avancer significativement la méthodologie de construction de base de données contenant des structures moléculaires hors-équilibre, telles que celles pouvant être rencontrées lors de réactions chimiques complexes activées thermiquement ou mécaniquement. Ce potentiel réactif sera ensuite utilisé pour étudier la décomposition d'un matériaux modèle dans différentes conditions de pression et de température. Les outils et connaissances développés serviront à la fois aux études de mécanismes de décomposition de molécules énergétiques mais aussi à la communauté de mécanochimie.
Description microscopique des propriétés des fragments de fission évaluées à la scission
La fission est l’une des réactions nucléaires les plus difficiles à décrire, reflétant la diversité des aspects dynamiques du problème à N-corps. Au cours de ce processus, le noyau explore des états de déformations extrêmes aboutissant à la formation de deux fragments. Alors que la nombre de degrés de liberté (DLC) mis en jeu est extrêmement grand, l’approximation de champ moyen est un bon point de départ qui opère une réduction drastique des DLC, l’élongation et l’asymétrie étant incontournables. Cette réduction introduit des discontinuités dans la génération successive des états par lesquels le noyau transite, la continuité en énergie n’assurant pas la continuité des états issus d’un principe variationnel. Récemment, une nouvelle méthode basée sur des contraintes associées aux recouvrements de fonctions d’onde, a été mise en oeuvre afin d’assurer cette continuité jusqu’à la scission et au-delà (vallée de Coulomb). Cette continuité est capitale pour décrire la dynamique du processus.
L’objectif de la thèse que nous proposons est de réaliser pour la première fois la mise en oeuvre à deux dimensions de cette nouvelle approche afin de prendre en compte l’ensemble de la collectivité générée par les DLC d’élongation et d’asymétrie. Les développements théoriques et numériques s’inscrivent dans le cadre de la méthode de la coordonnée génératice dépendant du temps. Ce type d’approche contient une première étape statique qui consiste en la génération de surfaces d’énergie potentielle (PES) obtenues par des calculs Hartree-Fock-Bogoliubov sous contraintes et une seconde étape dynamique qui décrit la propagation dynamique d’un paquet d’onde sur ces surfaces via la résolution de l’équation de Schrödinger dépendant du temps. C’est à partir de cette deuxième étape que les observables sont en général extraites.
Dans le cadre de cette thèse, le doctorant devra:
- en première étape, construire des PES à deux dimensions continues pour l’état adiabatique et les premiers états excités. Cela mettra en oeuvre les trois algorithmes Link, drop et Deflation
- en deuxième étape, extraire des observables accessibles par ce type d’approches: les rendements, le bilan énergétique à la scission, la déformation des fragments, le nombre moyen de neutrons émis. Nous souhaitons en particulier étudier l’impact des excitations intrinsèques sur les observables de fission, qui se manifestent essentiellement dans la descente du point scelle vers la scission.
Enfin, ces résulats seront confrontés aux données expérimentales, dans des actinides et des pré-actinides d’intérêt. Notamment, les mesures récentes très précises obtenues par les expériences SOFIA pour des noyaux peu à très exotiques devraient contribuer à tester la précision et la prédictivité de nos approches, et à guider les futurs développements des approches à N-corps et de l’interaction nucléaire dans le cadre de la fission.
Etude de la désexcitation radiative du noyau avec une méthode de type Oslo
La capture d’un neutron par un noyau amène à un noyau composé prompt à se désexciter principalement en émettant des gammas si l’énergie d’excitation est inférieure au MeV. Ce processus est appelé capture radiative. Cette réaction, bien connue, dont on sait précisément mesurer la section efficace aux basses énergies pour des noyaux de ou proche de la vallée de stabilité, reste difficilement mesurable pour des noyaux plus exotiques.Les modèles de réactions nucléaires basés essentiellement sur les noyaux stables peinent,eux aussi, à apporter des prédictions fiables de ces sections efficaces sur ces noyaux exotiques. Cependant, ces dernières années,des avancées dans la modélisation et dans les mesures autour de cette réaction a permis d’entrevoir des voies d’améliorations significatives en s’intéressant aux ingrédients plus microscopiques, qui restent accessibles à des mesures plus fines: la fonction de force gamma et la densité de niveaux. En effet, ces ingrédients qui gèrent respectivement la manière dont la cascade gamma se déroule et la structure du noyau à haute énergie d’excitation peuvent être mesurés pour aider ensuite à les calculer plus finement. Ces améliorations ont un impact direct sur la prédiction des sections efficaces pour des noyaux instables que l’on trouve dans la nucléosynthèse stellaire. Le sujet de cette thèse est de mesurer ces ingrédients pour un noyau formé dans la nucléosynthèse en utilisant un nouveau dispositif appelé SFyNCS.
Astrophysique de laboratoire relativiste
La thèse proposée porte sur la modélisation numérique et théorique des plasmas ultra relativistes rencontrés dans certains objets astrophysiques, tels les sursauts gamma ou les nébuleuses de vent de pulsar, ainsi que dans de futures expériences d'interaction laser-plasma, faisceau-plasma ou gamma-plasma en régime extrême. Ces dernières pourront avoir lieu sur les installations laser multi-pétawatt actuellement en développement (par ex. le projet européen ELI) ou sur les accélérateurs de particules de nouvelle génération (par ex. l'installation américaine SLAC/FACET-II).
Les plasmas considérés, qui se caractérisent par un fort couplage entre particules, rayonnements énergétiques et mécanismes d'électrodynamique quantique, seront simulés numériquement au moyen d'un code « particle-in-cell » (PIC) développé au CEA/DAM depuis plusieurs années. Outre les effets collectifs propres aux plasmas, ce code décrit certains processus de rayonnement gamma et de création de paires électron-positron. Le but de la thèse sera d'y inclure de nouveaux mécanismes d'interaction photon-particule et photon-photon, puis d'examiner en détail leur impact dans diverses configurations expérimentales et astrophysiques.