Description cinétique de l’interaction laser-plasma pour la fusion inertielle

De nombreuses applications, telles que la fusion par confinement inertiel, demandent de comprendre les mécanismes physiques liés à la propagation de faisceaux laser très énergétiques dans un plasma. En particulier, dans le cas de la fusion, on veut quantifier le dépôt d’énergie laser sur une cible de Deuterium-Tritium cryogénique, et l’efficacité avec laquelle on peut comprimer cette cible pour déclencher les réactions de fusion. Or, lors de leur propagation, les faisceaux laser créent une onde plasma qui croît au détriment de l’énergie laser incidente. La croissance de cette onde n’est cependant pas infinie et s’arrête lorsque l’onde se brise (on dit encore qu’elle déferle). Cela s’accompagne de la production d’électrons chauds qui peuvent préchauffer la cible et entraver sa compression. Le déferlement d’une onde plasma est un phénomène physique de type cinétique, dont la description correcte passe par le calcul de la répartition en vitesses des électrons du plasma. Le but de la thèse est d'étudier le déferlement à la fois d'un point de vue théorique et numérique, en utilisant des codes cinétiques de type Vlasov. Une des principales difficultés réside dans la discontinuité des fonctions de distribution à décrire. Il s'agit, de plus, de décrire le déferlement depuis sa phase linéaire jusqu'au régime non linéaire, ce qui permet de quantifier la création d'électrons chauds. Le but ultime de la thèse est d'arriver à des modèles suffisamment simples pour tourner sur les codes de dimensionnement du CEA.

Développement d’un dispositif de mesure par coïncidences neutron/gamma pour la caractérisation de sources neutrons type XBe

Ce travail de recherche s’inscrit dans le cadre des activités d’étalonnages de sources neutroniques au LNHB et de R&D au sein du SIMRI - CEA/LIST, visant à développer des chaînes de mesures neutroniques pour le CEA et pour l’industrie nucléaire. L’objectif du travail de thèse est de développer un dispositif de mesure compact par coïncidences neutron/gamma afin d’améliorer la caractérisation des sources de type XBe – réaction (alpha,n) ou mixtes (alpha,n) et fission spontanée. On peut citer par exemple : américium-béryllium, plutonium-béryllium, curium-béryllium, ou encore des sources exotiques de forte émissivité et mélangeant plusieurs radionucléides alpha (ex. américium-plutonium-béryllium). Pour cette famille de sources, l’émission de neutron par réaction (alpha,n) s’accompagne de l’émission simultanée d’un photon gamma caractéristique à 4,4 MeV. La détection du neutron et du gamma en coïncidence est susceptible d’apporter une information d’intérêt dans le processus de caractérisation de la source, que ce soit pour la mesure du débit d’émission neutronique ou pour la détermination du spectre en énergie des neutrons. Il s’agit de mesurer précisément les signatures gamma et neutrons ainsi que les rapports d’intensité gamma/neutron issus des réactions conduisant à l’émission d’un neutron. Le dispositif devra être capable de mesurer également les neutrons émis par réaction de fission spontanée ou par réaction (n,2n) dans le béryllium. D’autres émissions photoniques sont également susceptibles de fournir des informations d’intérêts, par exemple, l’émission d’un gamma à 2,2 MeV issue d’une réaction de capture sur l’hydrogène. Les mesures de coïncidences neutron/gamma serviront aussi à améliorer l’évaluation des données nucléaires comme les sections efficaces de captures de certains éléments d’intérêts, ex. réaction (n,gamma) sur l’oxygène ou sur l’hydrogène.

Concepts innovants pour l’accélération de particules et l’émission de rayonnement dans l’interaction laser – plasma surdense à ultra-haute intensité

Le travail de thèse proposé vise à explorer théoriquement et numériquement la génération de faisceaux de particules rapides par l'interaction d'impulsions laser ultra-relativistes (supérieure à 10^21 W/cm2) sur des solides denses, en utilisant des cibles structurées ou façonnées. Les caractéristiques de surface induisent des modes électromagnétiques locaux plus intenses que le champ laser. Il sera ainsi étudié les effets non linéaires et relativistes, qui jouent un rôle majeur à ces emplacements particuliers.

Sur la base des travaux déjà réalisés, le nouveau schéma d'accélération des particules sera étendu au régime ultra-relativiste de l'interaction avec le plasma laser. Il pourrait conduire à des sources de lumière et d'électrons synchronisées ultra-courtes révolutionnaires, avec des applications dans l'étude des processus électroniques ultrarapides. Dans ce contexte, cette étude théorique et numérique permettra de suggérer de nouveaux schémas expérimentaux réalisables sur l'installation Apollon et les lasers multi-PW.

Implémentation de la QRPA covariante pour décrire les noyaux atomiques déformés

Toutes choses étant égales par ailleurs, quelles différences peut-on attendre du choix d’une interaction relativiste ou non dans la description QRPA des états excités du noyau atomique ? Afin de répondre à cette question l’étudiant(e) disposera d’une part d’outils numériques permettant de résoudre pour une interaction non-relativiste les équations QRPA de façon matricielle et d’autre part d’un solveur utilisant la méthode des amplitudes finies pour produire des fonctions de réponse QRPA avec des interactions relativistes.
Ces outils numériques sont performants sur super-calculateurs et largement exploités aussi bien pour répondre à des problématiques de données nucléaires et d’astrophysique que pour mener des études de structure nucléaire académiques. L’extension relativiste du solveur QRPA matriciel permettra de transférer toute l’expertise de production des données nucléaires au cas des interactions issues de lagrangiens relativistes. Ainsi, une analyse des mérites respectifs des deux fonctionnelles pourra être menée et exploitée en vue de la mise au point d’interactions effectives de nouvelle génération.

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.

Développement d’une méthode de propagation d’incertitudes de type fonctionnel sur la puissance résiduelle

La caractérisation de l’énergie dégagée par la désintégration des radionucléides présents dans le combustible usé et déchargé des réacteurs est essentielle pour le design, la sûreté et l’analyse du stockage, du transport et des systèmes de dépôt. Peu de mesures de cette puissance résiduelle sont aujourd’hui disponibles. En outre, les valeurs expérimentales disponibles ne permettent pas de couvrir l’étendue des possibilités de combinaisons entre paramètres (taux de combustion au moment du déchargement – enrichissement en 235U – temps de refroidissement – paramètre de design du combustible – conditions opérationnelles – applications spécifiques). L’estimation de la puissance résiduelle est donc principalement basée sur des simulations.
L’évaluation de l’incertitude associée à l’estimation de la puissance résiduelle revêt un aspect important dans l’objectif d’accéder à une prédiction fiable. De nombreux efforts ont été menés afin de bien évaluer les biais et incertitudes venant des données nucléaires telles que les sections efficaces, paramètres importants en entrée des simulations. En revanche, les études concernant les incertitudes de nature épistémique (incertitude de fabrication de certains composants, erreur de lecture ou de réglage de structures mobiles, ….) sont plus rares. Parmi ces dernières, on peut distinguer le traitement de dépendances complexes de paramètres d’entrée de type scalaire, bien pris en compte aujourd'hui, du traitement de dépendances fonctionnelles (s’exprimant sous forme d’une fonction), très peu exploré.
En particulier, l’historique d’exploitation du cœur regroupe sous une dépendance fonctionnelle plusieurs quantités inter-corrélées (puissance de fonctionnement, mouvement des absorbants, évolution du cœur, …), amenées à être modifiées en fonction du temps et impactant la valeur de nombreux observables d’intérêt dont la puissance résiduelle. Les modèles utilisés aujourd’hui dans les outils de simulation utilisés à l’échelle industrielle ne permettent pas d’estimer cet impact et de proposer un niveau d’incertitude validé.

Dans ce travail de thèse, on se propose d’étudier l’impact sur la puissance résiduelle des incertitudes associées aux paramètres d’entrée présentant des dépendances fonctionnelles. On se focalisera tout particulièrement sur l’historique d’irradiation des réacteurs (à eau) et les paramètres corrélés. Une première partie sera dédiée au développement d’un modèle de substitution pour l’estimation de la puissance résiduelle et la quantification des incertitudes des variables aléatoires fonctionnelles. Une deuxième partie sera consacrée au développement d’une méthode d’analyse de sensibilité pour le modèle de substitution développé. Enfin, une troisième partie concernera le développement d’une méthode inverse de quantification des incertitudes des paramètres de modélisation opérationnels.
Le doctorant sera hébergé dans une unité de recherche en physique des réacteurs de l'institut CEA IRESNE situé à Cadarache où il collaborera avec d’autres doctorants et spécialistes du domaine.

Couplage spin-photon et électrodynamique quantique dans des architectures semiconductrices hybrides

Les années récentes ont vu d'énormes progrès dans le développement des technologies quantiques capables de mesurer et de contrôler des degrés de liberté quantiques dans des dispositif à l'état solide solide. Dans ce contexte, le CEA de Grenoble a été un pionnier dans la démonstration d'une architecture hybride CMOS dans laquelle un seul photon piégé dans un résonateur supraconducteur est fortement couplé au spin d'un trou unique confiné dans une double boîte quantique [1,2]. Cette expérience ouvre des perspectives importantes pour le développement de nouvelles architectures d'électrodynamique quantique avec des circuit hybrides où les photons peuvent sonder, intriquer et contrôler l'état quantique de spins éloignés.

Le potentiel de ces plateformes pour les technologies quantiques reste à évaluer d'un point de vue théorique, en particulier pour les applications au calcul et à la simulation quantique. Contrairement aux qubits purement supraconducteurs, le mécanisme de couplage spin-photon fort repose sur la présence d'une interaction spin-orbite importante dans la bande de valence du silicium.

Cette thèse de doctorat renforcera l'activité théorique du CEA sur ce sujet et étudiera comment optimiser les protocoles de lecture et de manipulation pour des architectures basées sur le silicium et le germanium. Un effort particulier sera consacré à la modélisation quantitative du couplage spin-photon et à l'étude des mécanismes limitants les performances de ces dispositifs (bruit quantique). Nous examinerons également les effets de l'interaction entre plusieurs spins couplés par le biais d'un ou plusieurs résonateurs.

[1] Strong coupling between a photon and a hole spin in silicon, Cécile X. Yu, Simon Zihlmann, José C. Abadillo-Uriel, Vincent P. Michal, Nils Rambal, Heimanu Niebojewski, Thomas Bedecarrats, Maud Vinet, Étienne Dumur, Michele Filippone, Benoit Bertrand, Silvano De Franceschi, Yann-Michel Niquet and Romain Maurand, Nature Nanotechnology 18, 741 (2023)
[2] Tunable hole spin-photon interaction based on g-matrix modulation, V. P. Michal, J. C. Abadillo-Uriel, S. Zihlmann, R. Maurand, Y.-M. Niquet, and M. Filippone, Phys. Rev. B 107, L041303 (2023)

Fragmentation quantique dans les systèmes frustrés

Les dernières décennies de recherches dans le domaine de la matière condensée ont vu l'émergence d'une physique riche et nouvelle, fondée sur la notion de "liquides de spin". L'intérêt pour ces nouveaux états de la matière provient du fait qu’ils présentent une intrication quantique à grande échelle, une propriété par ailleurs fondamentale pour le calcul quantique. De par sa nature qui exploite directement cette notion d’intrication, un ordinateur quantique permettrait des approches révolutionnaires par rapport aux ordinateurs classiques, pour résoudre rapidement certaines classes de problèmes.

L’étude des liquides de spin rejoint donc de très forts enjeux technologiques et le but de ce projet de thèse est de participer à cet effort de recherche fondamentale.

Description théorique de la fission des noyaux impairs et impairs-impairs par la méthode TDGCM

La fission nucléaire est le processus par lequel un noyau lourd se scinde en deux voire trois fragments, phénomène physique exploité dans les réacteurs nucléaires. Les données nucléaires de fission sont donc de grande importance pour l’étude et le développement des réacteurs. Alors que les noyaux composés d’un nombre impair de protons et/ou de neutrons représentent les trois quarts de la charte des nucléides, il n’existe pas de modèle théorique microscopique, complètement quantique et cohérent, décrivant leur fission. On se propose dans cette thèse de développer un tel modèle sur la base de la méthode de la coordonnée génératrice dépendante du temps (TDGCM) [1,2,3]. Le but est d’obtenir une description microscopique et quantique des rendements de fission primaires et du partage de l’énergie disponible à la scission pour tout type de noyaux fissionants, y compris ceux inaccessibles à la mesure. Le travail du doctorant consistera à développer des outils formels et numériques visant à générer des surfaces potentielles de fission et d’étudier la dynamique du noyau sur de telles surfaces. Le doctorant développera des compétences en physique nucléaire théorique, dérivations analytiques, implémentation numérique, calcul de haute performance et analyse de données. Un stage préalable de 6 mois est proposé par le laboratoire d’accueil.

[1] D. Régnier et al, Phys. Rev. C 93, 054611 (2016)
[2] D. Régnier et al, Computer Physics Communications 225 (2018) 180–191
[3] L. M. Robledo et al 2019 J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. 46 013001

Apprentissage automatique appliqué aux problèmes inverses de structure des hadrons

Caractériser la structure multidimensionnelle des hadrons en termes de quarks et gluons est aujourd’hui l’un des objectifs majeurs de la physique hadronique. C’est en effet la thématique centrale de plusieurs installation expérimentales à travers le monde, mais également l’une des raisons principales de la construction de futurs collisionneurs aux États-Unis comme en Chine. C’est également l’un des points de recherche clés des simulations numériques intensives de l’interaction forte. Cependant, dans ces deux cas, la connexion entre les données mesurées et simulées d’une part, et la structure multidimensionnelle des hadrons d’autre part, n’est pas directe. Les données sont liées à la structure des hadrons via des problèmes inverses multidimensionnels et mathématiquement mal posés. Il a été montré que ces problèmes inverses entraînent un accroissement significatif des incertitudes, au point d’en devenir dans certains cas la source dominante. Le but de la thèse est d’utiliser des outils d’apprentissage automatique pour à la fois évaluer, réduire, propager correctement les incertitudes, depuis les données expérimentales ou de simulation jusqu’à la structure multidimensionnelle des hadrons. La stratégie pour y arriver consiste à développer une architecture originale de réseau de neurones capable de tenir compte de l'ensemble des propriétés théoriques issues de la chromodynamique quantique, puis de l'adapter aux problèmes inverses reliant les données expérimentales et de simulation à la structure 3D des hadrons.

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