Sujet :

Stabilité d’écoulements d’ablation en fusion par confinement inertiel : réceptivité

Contexte :

La fusion par confinement inertiel (FCI) vise à produire de l’énergie à partir de réactions nucléaires de fusion d’éléments légers. Une voie possible pour obtenir les hautes densités et températures nécessaires au déclenchement de ces réactions, 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 maîtrise des instabilités hydrodynamiques au sein de ces écoulements d’ablation est un élément critique pour parvenir au déclenchement des réactions de fusion et pour la réussite de la FCI. La durée limitée de l’implosion du micro-ballon met en exergue la nécessité d’identifier d’éventuelles amplifications transitoires de perturbations susceptibles de dominer l’écoulement aux temps courts. Une telle identification nécessite l’emploi de méthodes propres à l’analyse de stabilité non-modale (cf. Schmid, Ann. Rev. Fluid Mech. 2007). Ce sujet s’inscrit dans un effort visant une meilleure prédiction des instabilités hydrodynamiques se développant lors de la phase initiale de l’éclairement d’un micro-ballon en FCI. Le caractère instationnaire, compressible et stratifié des écoulements associés impose une approche globale, et donc nécessairement numérique, du problème de stabilité. L’approche suivie, élaborée au cours de thèses précédentes et qui n’a pas d’équivalent dans le domaine, a conduit au développement d’un code de stabilité hydrodynamique à haute résolution (méthode Chebyshev multi-domaine) pour le calcul d’ondes d’ablation auto-semblables instationnaires, servant d’écoulements de base modèles, et de leurs perturbations. Ce code a été récemment enrichi d’une méthode de l’analyse de stabilité non-modale (Varillon, thèse 2019) afin de pouvoir déterminer les perturbations initiales les plus dangereuses, ou perturbations optimales, d’un écoulement donné. On a ainsi pu mettre en évidence, pour une onde d’ablation de type FCI, des amplifications de perturbations plus importantes que celles communément envisagées et qu’aucune autre méthode utilisée auparavant en FCI (analyse de stabilité modale, modélisation ou simulation) n’avait permis d’identifier.

Objectif de la thèse :

On propose, pour cette thèse, de rechercher des perturbations optimales de conditions aux limites (problème de réceptivité), plutôt que de conditions initiales. En effet, au cours de son ablation, un micro-ballon est soumis à des sollicitations extérieures, du fait de l’environnement changeant dans lequel il évolue, qui sont susceptibles d’exciter les phénomènes d’amplification transitoire les plus dommageables pour l’écoulement. Il est donc crucial de pouvoir les identifier avant de pouvoir, à terme, envisager des stratégies de contrôle. L’objectif est de mener une étude de réceptivité pour des écoulements représentatifs de l’ablation, par rayonnement X, d’un micro-ballon. La pertinence des résultats obtenus sera ensuite éprouvée dans un contexte plus réaliste, au moyen de simulations multi-physiques d’implosions de micro-ballon. Le sujet est à la croisée de plusieurs disciplines : mécanique des fluides compressibles, physique des plasmas de FCI, analyse de stabilité non-modale, méthodes d’optimisation, méthodes numériques pseudo-spectrales. Du fait de ce caractère multidisciplinaire, l’expérience acquise au cours de la thèse pourra aussi être valorisée dans d’autres domaines que la FCI : par exemple, dynamique des fluides réactifs, mécanique des fluides numérique – que ce soit pour des activités de recherche appliquée ou d’études à caractère industriel – ou encore simulation numérique.

Déroulement de la thèse :

Acquisition des notions nécessaires, formulation du problème de réceptivité, implantation dans le code de stabilité (12 à 18 mois).
Etude de réceptivité, simulations FCI et rédaction d’un article (12 mois).
La rédaction du mémoire (6 mois) sera menée au fur et à mesure de l’avancement de la thèse.

Directeur de thèse et école doctorale :

COUAIRON Arnaud
arnaud.couairon@polytechnique.edu
ED 626 – IP Paris
Institut Polytechnique de Paris

Encadrant :

CLARISSE Jean-Marie
CEA/DAM Ile-de-France – Bruyères-le-Châtel, 91297 Arpajon
Tél. : 01.69.26.40.00 – jean-marie.clarisse@cea.fr