Soutenance mémoire
L’objet de cette thèse est le développement d’un système d’imagerie X dans la bande 10-30 keV destiné à être utilisé sur l’installation Laser Méga Joule (LMJ) pour des expériences de Fusion par Confinement Inertiel (FCI). Le déroulement d’un tir de FCI est contrôlé par des informations fournies par des dispositifs instrumentaux de mesure, les diagnostics. Les informations fournies par ces diagnostics sont la mesure de l’énergie laser, des images des neutrons émis et des spectromètres, entre autres. En particulier, le système à développer dans le cadre de cette thèse concerne un diagnostic d’échec du tir de FCI en attaque indirecte. Ces diagnostics n’auront quelque chose à détecter que si le tir de FCI réussit, d’où le besoin de diagnostics d’échec. En particulier, le système développé au cours de cette thèse sera une partie de diagnostic d’imagerie X, qui devra répondre à des objectifs de résolution spatiale et de vulnérabilité.
Depuis plus de 20 ans, le but de la FCI est de recréer en laboratoire les conditions de la fusion thermonucléaire, phénomène à l’origine du dégagement d’énergie du soleil. L’expérience prévue sur l’installation LMJ, actuellement en construction près de Bordeaux, est de délivrer 1,8 MJ d’énergie laser, de longueur d’onde 351 nm, d’une durée d’impulsion de 16 ns dans une cible de fusion, constituée d’une cavité elliptique en or (hohlraum) contenant un microballon de deutériumtritium (DT) entouré d’un ablateur. L’attaque indirecte consiste en diviser le laser en 240 faisceaux (dans le cas du LMJ), impactant les parois internes du hohlraum. L’impact génère du rayonnement X, dit de conversion, comprimant uniformément le microballon, afin de le faire imploser. L’implosion aboutit à la création d’un point chaud au centre du microballon, qui allume le reste du combustible DT dense et froid autour du point chaud central et dégage de l’énergie, principalement sous forme de neutrons. Le but ultime et le principal intérêt de la FCI est le gain d’énergie : l’ensemble des neutrons émis par la mise à la température minimale de 5 keV (soit 55.10⁶ K) du DT représente 10 à 20 fois l’énergie laser investie pour initier l’implosion. Les études actuelles concourent à maîtriser la phase d’allumage qui, si elle est réussie, résulte par la compression maximale du microballon.
Besoin de l’imageur X et cadre de l’étude
Le but de mes travaux de thèse est de développer la partie détection et transport de l’image visible, qui est un sous-ensemble fonctionnel d’un diagnostic d’imagerie X. La partie que je développerai, se composant d’un détecteur convertisseur X/visible, d’une optique visible et d’un analyseur optique, sera nommée « système imageur » au cours de mon document.
Le développement du système imageur devra à terme aboutir à un diagnostic d’imagerie X, dont le but est d’enregistrer une image de source quasi sphérique de diamètre de l’ordre de 100 µm de rayonnement X dans le domaine spectral entre 10 et 30 keV, avec une résolution spatiale meilleure que 10 µm dans le plan objet. La source sphérique est représentée sur la Figure 1 par l’item « Phénomène physique », détaillé au paragraphe 2. Présentons maintenant les principaux éléments qui serviront à développer mon système imageur.
Tout d’abord le phénomène physique. La source sphérique de rayonnement X que nous voulons imager contient une partie des informations concernant la Fusion par Confinement Inertiel (FCI). L’image que nous obtenons représente le microballon de DT ayant atteint sa compression maximale . En outre, une expérience de FCI génère un environnement radiatif qui constituera la principale contrainte de notre système : la vulnérabilité à l’environnement de fusion. Cet aspect sera déterminant pour la définition du cahier des charges. Nous détaillons ses principales caractéristiques au paragraphe 2 et indiquons ses impacts sur le cahier des charges au paragraphe 3. La partie « Optique X » n’entre pas dans le cadre de cette thèse, mais elle constitue un élément incontournable d’un diagnostic d’imagerie X résolue. Sur des diagnostics destinés à l’imagerie X dans le cas de la FCI, comme le diagnostic HRXI développé au CEA/DAM/DIF [1], cette fonction d’optique X est réalisée par un système à miroirs multicouches, dont on exploite les propriétés de réflexion en incidence rasante [2, 3]. De tels systèmes forment et filtrent spectralement le rayonnement X issu de la cible, ce qui contribue à optimiser la résolution spatiale. Dans le cas le plus simple, elle consiste en un sténopé, qui grandit l’image de la source. C’est ce dispositif que j’ai utilisé, afin d’acquérir des images X destinées à qualifier mon système. Cela a été le cas pour le diagnostic HEXRI (High Energy X-Ray Imager)[4], développé au LLNL .
Terme source de FCI attendu sur le LMJ et contraintes associées
Le but de ce paragraphe est de préciser le terme source de FCI sur le LMJ lors d’un tir d’attaque indirecte. Nous décrirons l’expérience envisagée et détaillerons ses principaux produits. Parmi la multitude de paramètres à mesurer pour maîtriser la phase d’allumage, nous extrairons les principales informations du mesurande qui nous intéresse, le rayonnement X filtrée entre 10 et 30 keV du microballon en compression maximale .
Terme source attendu de FCI
Description de la FCI et description en attaque indirecte
Le premier tir sur cible d’un laser de 1 MJ s’est produit la première fois le 27 janvier 2010 [5] sur la National Ignition Facility (NIF) au LLNL, permettant d’espérer atteindre les conditions de l’ignition. De par le monde, aux Etats-Unis et en France principalement, ont déjà eu lieu des expériences ayant produit des nombres beaucoup plus faibles de réactions de fusion, mais qui diffèrent de la réaction nominale prévue par la FCI de par la nature de la cible et le régime laser. Il existe deux manières de réaliser la réaction de FCI : l’attaque directe et l’attaque indirecte. Ma thèse se situe dans le cas de l’attaque indirecte. 1,8 MJ d’énergie laser répartie en 240 faisceaux de longueur d’onde 351 nm, de durée d’impulsion 16 ns, est focalisée sur les parois internes d’un Hohlraum (cavité) cylindrique, d’un diamètre de 6,2 mm sur une longueur de 10,4 mm, au travers des trous d’entrée laser. L’énergie laser est convertie à 80% en rayons X mous qui vont baigner et comprimer uniformément un microballon composé d’un ablateur entourant un mélange équimolaire de deutérium-tritium (DT). Le microballon est une sphère de diamètre initial 2 mm. Si la compression se déroule correctement, comprimant le microballon jusqu’à un diamètre de 100 µm, il se produit un point chaud, qui va allumer et brûler le mélange DT fusible. S’il y a seulement création du point chaud, sans combustion du DT autour, on parle d’un tir d’allumage. La création du point chaud génère une source sphérique de rayonnement de diamètre 100 µm. Cette source émet 10¹⁶ neutrons dans tout l’espace environnant. Sont également émis 1 MJ de photons X, dont le spectre s’étend du domaine visible jusqu’au MeV, avec 95% de l’énergie comprise entre 100 eV et 4 keV [6]. Ces rayons X sont contemporains de l’implosion du microballon et du plasma formé dans le hohlraum à l’instant de compression maximum. Si le mélange DT brûle, on parle alors d’un tir à gain [7], ce qui est le but de la FCI et jusqu’à 10¹⁹ neutrons peuvent être émis. Un tir à gain réussi pourrait dégager 10 fois l’énergie laser. Les 18 MJ d’énergie ainsi produite se répartissent ainsi : 73% sous forme de neutrons soit 5.10¹⁸ neutrons de 14 MeV, 22% sous forme de rayonnement X soit 4 MJ, le reste de l’énergie dégagée a été dissipé en plasmas et création de débris solides [8].
Neutrons produits
La fusion du mélange DT induit trois réactions possible : la fusion D+D (deutérium+ deutérium), la fusion T+T (tritium + tritium) et la fusion D+T qui est la plus probable. Leurs sections efficaces . en fonction de la température électronique du plasma. La réaction D+T a une section efficace entre 10 et 100 fois plus élevée que les réactions T+T et D+D jusqu’à 500 keV, avec un maximum de section efficace de 5 barns à 100 keV. Ce qui fait que les conditions de température et de pression sont plus faciles à réunir pour la fusion D+T.
|
Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 : BESOIN EN IMAGERIE X ET CONTRAINTES
1. Besoin de l’imageur X et cadre de l’étude
2. Terme source de FCI attendu sur le LMJ et contraintes associées
2.1. Terme source attendu de FCI
2.2. Contraintes inhérentes à la FCI
3. Spécifications du système proposé
3.1. Spécifications du relais optique
3.2. Spécifications sur les scintillateurs
4. Références
CHAPITRE 2 : PROPOSITION D’UNE SOLUTION TECHNIQUE ET JUSTIFICATION
1. Architecture optique
1.1. Généralités
1.2. Eléments dimensionnants
1.3. Justification
1.4. Résultats de mesure
1.5. Etude d’optimisation
2. Scintillateurs
2.1. Justification
2.2. Théorie
2.3. Paramètres de sélection des scintillateurs
2.4. Méthodologie commune de comparaison
2.5. Scintillateurs choisis pour un système imageur existant
3. Références
CHAPITRE 3 : PERFORMANCE D’ENSEMBLE DU SYSTEME IMAGEUR PROPOSE
1. Performances d’ensemble de la chaîne de mesure
1.1. Performance de résolution spatiale de l’ensemble
1.2. Photométrie de l’ensemble
1.3. Comparaison avec le système imageur HEXRI
1.4. Imagerie de source plasma
2. Conformité et prévision
2.1. Conformité par rapport à la fonction principale et aux contraintes
2.2. Prévision du comportement diagnostic
3. Références
CONCLUSION ET PERSPECTIVES
1. Conclusions
2. Perspectives
ANNEXES
