Étude de rayonnements basse-fréquence produits par accélération de particules à ultra-haute intensité dans des plasmas relativistes

Les sources laser de puissance pétawatt délivrent de nos jours des impulsions optiques de quelques dizaines de femtosecondes et d’intensité supérieure à 1020 W/cm2. Lorsqu’un tel faisceau de lumière interagit avec un gaz ou une cible solide, les électrons accélérés par la force pondéromotrice du champ laser deviennent relativistes et acquièrent des énergies élevées, supérieures au GeV. Ces systèmes laser produisent aussi des rayonnements variés comme des photons X durs ou des paires électron-positron par conversion quantique de photons gamma. La technologie laser progressant rapidement, ces sources de lumière ont des dimensions de plus en plus compactes et elles complètent aujourd’hui de nombreux laboratoires internationaux abritant des synchrotrons ou des accélérateurs de particules classiques.
Si cette lumière extrême permet de générer du rayonnement dans les régions du spectre électromagnétique dont les fréquences sont les plus élevées, elle met aussi en œuvre, à travers les mécanismes de production d’ondes plasma et d’accélération de particules, des processus de conversion vers les fréquences beaucoup plus basses appartenant aux domaines gigahertz et térahertz (THz).

Disposer d’émetteurs de forte puissance dans cette bande de fréquence suscite de plus en plus d’intérêt en Europe, outre-Atlantique et en Asie. D’une part, la génération d'impulsions électromagnétiques intenses de fréquences GHz-THz est néfaste pour tout appareil électronique voisin de la zone d’interaction laser-plasma et les diagnostics utilisés sur les grandes installations laser de type PETAL/LMJ en région Aquitaine. Il convient donc d’en comprendre la nature afin de mieux les prévenir. D’autre part, les ondes opérant dans ce domaine permettent non seulement de sonder les mouvements moléculaires d’espèces chimiques complexes, mais elles offrent aussi de nouvelles perspectives d’imagerie en médecine pour la détection de cancers, en astrophysique pour l’évaluation des âges de l’univers, dans le domaine de la sécurité et la surveillance de l'environnement. Les processus responsables de cette émission violente de champ électromagnétique, s’ils sont contrôlés, peuvent conduire à la production de gigantesques champs magnétiques, supérieurs à 1000 Tesla, ce qui offre de nouvelles opportunités passionnantes pour de nombreuses applications telles que le guidage de particules, la physique atomique, la magnétohydrodynamique, ou encore la modification de certaines propriétés de la matière en champ fort.

L’objectif de cette thèse est d’étudier la physique de la génération de telles impulsions électromagnétiques géantes par de courtes impulsions laser interagissant avec des milieux denses, de construire un modèle basé sur les différents mécanismes de conversion laser-impulsions THz/GHz, et de valider ce modèle à l’aide d’expériences dédiées. Le travail proposé est principalement orienté sur une activité de modélisation analytique et de simulation numérique. Il sera réalisé au laboratoire CELIA sur le campus de Bordeaux.

Etude gyrocinétique des bifurcations du transport turbulent dans les plasmas de tokamaks : rôle des interactions plasma-neutres

La turbulence et le transport associé dégradent le confinement des plasmas de tokamaks, diminuant les performances attendues en terme de gain énergétique. Expérimentalement, plusieurs régimes de confinement amélioré sont observés, notamment ceux où le transport turbulent est fortement réduit à la périphérie du plasma. Ces barrières de transport externes conduisent à de forts gradients de densité et/ou de température qui maximisent le contenu énergétique du plasma confiné. Ces bifurcations spontanées résultent de l'auto-organisation de la turbulence soumise au forçage de différentes sources, de particules et de chaleur. Leur mécanisme est mal compris, du fait notamment de la complexité topologique de cette région externe et de la richesse des probables processus en jeu. Ces régimes représentent une chance majeure pour atteindre les meilleures performances dans les plasmas d'ITER. Il est donc crucial de gagner en compréhension pour pouvoir prédire leurs seuils de transition et si possible les contrôler.
La thèse proposée s'inscrit dans ce cadre. Elle repose sur la modélisation numérique à l'état de l'art des plasmas de fusion, la description gyrocinétique à cinq dimensions dans l'espace des phases. Les développements récents permettent de traiter séparément les transports de matière et de chaleur dans cette région périphérique. Reste à implémenter une source de particules neutres qui, par ionisation, constituera le forçage en densité du plasma. On sait d'ores et déjà, grâce notamment à des modèles réduits, que cette source dynamique joue un rôle crucial dans les processus d'auto-organisation. L'objectif du travail de thèse est de coupler un modèle fluide de neutres aux électrons et ions décrits cinétiquement, et d'étudier leur impact sur le transport turbulent et son auto-organisation grâce à des simulations HPC (high performance computing) avec le code GYSELA.

Conditionnement d'un tokamak en tungstène pendant des décharges plasma de longue durée : de WEST à ITER

Les recherches menées pour développer la fusion thermonucléaire contrôlée comme nouvelle source d’énergie utilisent des dispositifs appelés tokamaks, dans lesquels la matière est portée à haute température (plasma) et est confinée par des champs magnétiques. L’interaction du plasma avec les parois de la chambre à vide d'un tokamak libère des impuretés dont la présence peut affecter ses performances. Différentes méthodes de conditionnement sont alors utilisées pour contrôler l’état de surface de l’enceinte à vide, et donc les flux d’impuretés. Celles-ci utilisent principalement des plasmas basses températures (décharges luminescentes ou radiofréquences) en hydrogène ou en hélium, mais aussi la déposition de couches minces de bore, en raison de sa capacité à piéger par affinité chimique des impuretés telles que l’oxygène. Avec l’avènement des composants face au plasma métalliques et l’allongement de la durée des plasmas dans les tokamaks supraconducteurs, comme ITER et WEST, exploité à l’Institut de Recherche sur la Fusion par confinement Magnétique (CEA-IRFM, Cadarache, France), de nouvelles techniques de conditionnement des parois pour maintenir un état de surface et des performances optimales tout au long de la décharge plasma font leur apparition. L’objectif de cette thèse est de caractériser et d’évaluer sur WEST la pertinence pour ITER de plusieurs méthodes d’injections de bore, a priori et en temps réel. Le travail consistera d’une part à participer à des expériences sur WEST et à analyser des données expérimentales (localisation et durée de vie des dépôts de bore, effet sur les performances des plasmas). Afin de comprendre le transport du bore, le candidat travaillera aussi avec des modèles numériques de plasma de bord (SOLEDGE, EIRENE, DIS). Ce travail, combinant expériences et simulations, devra consolider la compréhension de la physique du conditionnement en environnement métallique et contribuer à prévoir les conséquences pour ITER et les futurs dispositifs de fusion.

Méthodes d'Apprentissage Automatique pour la Détection d'Anomalies dans les Données Expérimentales de Plasma de Fusion - Application aux Données de WEST

Les plasmas de fusion dans les Tokamaks ont une dynamique non-linéaire complexe. Dans le tokamak WEST, de la même famille que le projet ITER, une grande quantité de données expérimentales hétérogènes sur la fusion est collectée. Assurer l'intégrité et la qualité de ces données en temps réel est indispensable pour le fonctionnement stable et sûr du Tokamak. Une surveillance et une validation continues sont essentielles, car toute perturbation ou anomalie peut affecter significativement notre capacité à assurer la stabilité du plasma, à contrôler ses performances voire sa durée de vie. La détection de séquences ou d'événements inhabituels dans les données collectées peut fournir des informations précieuses et aider à identifier des comportements potentiellement anormaux dans les opérations sur le plasma.
Cette thèse vise à étudier et à développer un système de détection d'anomalies pour le tokamak WEST -- en préfiguration de ce qui pourrait être installé sur ITER -- en intégrant des algorithmes d'apprentissage automatique, des méthodologies statistiques et des techniques de traitement du signal pour valider divers signaux diagnostics dans les opérations Tokamak, notamment la densité, l'interférométrie, la puissance rayonnée et les mesures magnétiques.
Les résultats attendus sont :
– Le développement d'algorithmes d'apprentissage automatique capables de détecter des anomalies dans des séries temporelles sélectionnées à partir des données du Tokamak WEST.
– La mise au point d'un système autonome opérationnel pour assurer la qualité des données dans les machines de fusion de type Tokamak, intégré à la plateforme IA de WEST.
– La constitution d'une base de données exhaustive.
– La validation d'un algorithme automatique d'assurance qualité des données spécifiques aux plasmas de fusion.

Turbulence dans le plasma de bord des tokamaks en régime de fort couplage réactif avec les neutres

La stratégie de gestion des flux de chaleur extrêmes vers la paroi des réacteurs de fusion magnétique repose sur la dissipation de l’énergie du plasma par interaction avec le gaz neutre présent au bord du plasma principalement du fait de la recombinaison du plasma en contact avec des matériaux solides. La physique en jeu consiste en un équilibre entre le transport du plasma, dominé par la turbulence, et les réactions atomiques et moléculaires. La modélisation de cette phénoménologie extrêmement non linéaire est nécessaire pour la conception et la définition de l'espace opérationnel des futurs dispositifs comme ITER. Elle requiert l'utilisation de codes numériques traitant de manière auto-cohérente les mécanismes associés, ce qui n'a encore jamais été fait. L'IRFM et AMU ont co-développé un tel outil numérique, le code SOLEDGE3X-EIRENE, qui offre la capacité de modéliser le transport turbulent de manière auto-cohérente et la dynamique des particules neutres dans une géométrie 3D réaliste. De premières études ont démontré que la prise en compte de l’interaction plasma-neutres dans les simulations change significativement l’auto-organisation de la turbulence et le transport qui en découle. Elles ont également souligné que ces simulations soulèvent plusieurs défis spécifiques, liés en particulier à l’apparition de nouvelles échelles de temps long dans le système. Ce projet de thèse vise à poursuivre ce travail pour l’étendre aux régimes de fort couplage entre le plasma et les neutres qui constituent les régimes de fonctionnement envisagés dans les futurs réacteurs. Le travail reposera sur des simulations numériques exécutées sur supercalculateurs de classe mondiale. Leurs résultats seront analysés afin de comprendre la phénoménologie sous-jacente et de la comparer aux tendances expérimentales. En fonction du goût et des capacités du candidat retenu, il pourra également inclure un bras numérique (amélioration du code) ou expérimental (expériences dédiées sur le tokamak WEST ou machines partenaires européennes).

Conception et réalisation d’un détecteur neutronique optique fonctionnant à haute température. Application à un programme expérimental dans le réacteur JOYO

Dans le cadre du développement des réacteurs rapides de quatrième génération à caloporteur sodium, le Laboratoire de Dosimétrie, Capteurs et Instrumentation du CEA/IRESNE Cadarache travaille sur des systèmes de mesure neutronique innovants capable de résister à des températures de l’ordre de 600°C et insensibles aux phénomènes parasites qui apparaissent à ces régimes. Récemment, un nouveau type de détecteur de neutrons à signal optique (DNO) a été développé au laboratoire. Malgré une interprétation des signaux plus complexe, ce dispositif a l’avantage d’être miniaturisable et n’est intrinsèquement pas soumis aux problèmes de décharges partielles et de courant de fuite qui apparaissent sur les chambres à ionisation en température.
On propose de poursuivre le développement théorique et expérimental des DNO pour les adapter à la haute température. Pour cela, le doctorant développera un modèle pour simuler de la réponse du détecteur. Le doctorant travaillera sur les sections efficaces d’interaction ion lourd-gaz de remplissage ainsi que sur un modèle collisionnel radiatif pour prédire les spectres d’émissions et leur dynamique temporelle. Une partie du travail consistera à dimensionner un détecteur prototype et à le tester à haute température au sein du réacteur TRIGA du JSI. In fine, la qualification du détecteur fera partie d’un programme d’essais dans le réacteur de recherche JOYO prévu à partir de 2026.

Simulation numérique à grande échelle et optimisation d’un nouveau concept d'injecteur pour augmenter la charge accélérée dans les accélérateurs d’électrons laser-plasma afin d’en permettre des applications scientifiques et technologiques

Le premier objectif de cette thèse est de comprendre la physique de base d'un nouveau schéma d'injection LWFA récemment conçu dans notre groupe: une cible solide couplée à un jet de gaz pour accélérer beaucoup plus de charge que les schémas d'injection conventionnels, tout en préservant la qualité du faisceau. Des campagnes de simulation numérique à grande échelle et des techniques d’apprentissage automatique seront utilisées pour optimiser les propriétés des électrons accélérés. Enfin, l’interaction de ces faisceaux d’électrons avec des échantillons sera simulée à l’aide d’un code Monte Carlo afin d'évaluer leur potentiel pour des applications telles que la Muon Tomography et la radiobiologie/radiothérapie. L’activité proposée est essentiellement numérique, mais avec la possibilité de participer aux activités expérimentales de l’équipe.

Le(a) doctorant(e) aura l'opportunité de participer aux activités d'une équipe dynamique avec de fortes collaborations nationales et internationales. Il/elle acquerra également les compétences nécessaires pour participer à des expériences d'interaction laser-plasma dans des installations d'envergure internationale. Enfin, il/elle acquerra les compétences nécessaires pour participer au développement d'un logiciel complexe écrit en C++ moderne et conçu pour utiliser efficacement les superordinateurs plus puissants au monde: le code Particle-In-Cell WarpX (prix Gordon Bell en 2022). L’activité de développement sera réalisée en collaboration avec l’équipe guidée par le Dr. J.-L. Vay à LBNL (US), où le/la doctorant(e) pourrait avoir l’opportunité de passer quelques mois au cours de la thèse.

Implémentation d’un nouveau concept d'injecteur pour augmenter la charge accélérée dans les accélérateurs d’électrons laser-plasma afin d’en permettre des applications scientifiques et technologiques

L'interaction d’un laser ultra-intense avec un jet de gaz peut être utilisée pour accélérer des paquets d'électrons très courts jusqu'à des énergies très élevées (jusqu’à plusieurs GeV) sur quelques centimètres seulement, avec une technique appelée “Laser WakeField Acceleration” (LWFA). La taille réduite de ces dispositifs et la durée très courte des paquets d'électrons en font une source potentiellement intéressante pour plusieurs applications scientifiques et technologiques. Cependant, l’LWFA ne fournit généralement pas assez de charge pour la plupart des applications envisagées, en particulier si une qualité de faisceau élevée et des énergies importantes sont également requises. L’objectif de cette thèse est d’implémenter dans plusieurs laboratoires lasers à la pointe (en France et à l'international) un nouveau schéma d'injection LWFA récemment conçu dans notre groupe: une cible solide couplée à un jet de gaz pour accélérer beaucoup plus de charge que les schémas d'injection conventionnels, tout en préservant la qualité du faisceau. L'activité proposée est majoritairement expérimentale, mais avec la possibilité de participer aux activités de simulation numérique à grande échelle qui sont nécessaires pour réaliser le design d’une expérience et en interpréter les résultats. Le(a) doctorant(e) aura l'opportunité de participer aux activités d'une équipe dynamique avec de fortes collaborations nationales et internationales. Il/elle acquerra également les compétences nécessaires pour participer à des expériences d'interaction laser-plasma dans des installations d'envergure internationale. Enfin, il/elle aura la possibilité de participer à l’activité de modélisation numérique du groupe, réalisée sur les superordinateurs plus puissants au monde avec un code Particle-In-Cell open source à la pointe (WarpX, prix Gordon Bell en 2022).

Stabilité d'écoulements d'ablation en fusion par confinement inertiel : croissances transitoires

La fusion par confinement inertiel (FCI) vise à produire de l'énergie à partir de réactions nucléaires de fusion entre éléments légers. Une voie possible pour obtenir les hautes densités et températures nécessaires au déclenchement des réactions de fusion, consiste à imploser un micro-ballon, rempli d'un mélange fusible, au moyen d'un rayonnement intense. Ce rayonnement provoque une vaporisation violente – ablation – de l’enveloppe du micro-ballon conduisant à l’implosion de celui-ci. La durée limitée de l'implosion du micro-ballon met en exergue la nécessité d'identifier d'éventuelles croissances transitoires de perturbations susceptibles de dominer l'écoulement sur des temps courts. Pour cette thèse on souhaite procéder à de telles identifications pour des écoulements d'ablation auto-semblables fortement accélérés, à symétrie plane ou sphérique, pertinents pour décrire la phase principale d'une implosion. Ce travail sera mené au moyen d'une méthode direct-adjoint de l'analyse de stabilité non-modale, développée précédemment pour des écoulements d'ablation auto-semblables à faible accélération, qu'il faudra adapter aux configurations à fortes accélérations. Les résultats obtenus pourront être exploités pour définir dans un contexte plus réaliste des simulations « multi-physiques » d'implosions de micro-ballon.

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.