Soutenance de thèse de GUERROUDJ Daniel
Titre de thèse
Etude par la Dynamique Moléculaire de plasmas fortement magnétisés
Highly magnetized plasmas through classical Molecular Dynamics
Résumé de la thèse
Le transport thermique électronique en présence d'un champ magnétique est un processus fondamental de la physique des plasmas qui revêt une grande importance en astrophysique et en physique des hautes densités d'énergie (HED). Il joue un rôle majeur dans la fusion par confinement inertiel (FCI), car il affecte significativement l'efficacité de la compression de la capsule. L'énergie laser est absorbée dans la couronne de faible densité et transportée par les électrons vers le front d'ablation plus dense, où elle entraîne la compression. Tout au long de ce processus, le plasma traverse différents régimes : les électrons énergétiques de la couronne chaude et diluée se propagent vers des régions plus froides et plus denses, où les effets collisionnels deviennent importants. La magnétisation de ces plasmas FCI, par des champs pouvant atteindre quelques kilo-tesla, affecte les trajectoires des électrons. Le transport de chaleur devenant anisotrope peut entraîner des changements importants au niveau de l'hydrodynamique, des profils de température et de la symétrie du transport. Or les modèles classiques de conduction électronique thermique, utilisés dans les codes PIC et MHD, sont construits sur la fermeture de Vlasov-Landau, en supposant de petites perturbations autour de la Maxwellienne. Ces modèles ne sont plus utilisables en présence de forts champs magnétiques. L'estimation des coefficients de transport est le principal défi qui sous-tend ces modèles pour la FCI. C'est dans ce cadre que ce travail de thèse s'inscrit. Nous proposons une étude par simulation de Dynamique Moléculaire classique des coefficients de transport thermique en présence de fort champs magnétiques. Différents plasmas peuvent être simulés et différents effets peuvent être activés et désactivés pour évaluer leur impact. Les simulations fournissent ainsi un aperçu approfondi de la physique sous- jacente et un banc d'essai robuste pour la validation théorique. Dans un premier temps, nous avons mené une étude sur la relaxation de la température dans des plasmas protons-électrons hors équilibres et non magnétisés pour avoir un point de comparaison entre les coefficients de conductivité thermique obtenus par un modèle particulaire (simulations de dynamique moléculaire, DM) et les résultats obtenus par un modèle cinétique (simulations Particle- In-Cell, PIC). Les résultats ont permis de tester le modèle de Landau-Spitzer sur une large gamme de conditions de températures et de densités ainsi que les limitations de l'approche cinétique (PIC) lorsque les corrélations entre les particules deviennent importantes. Par ailleurs, les simulations DM à deux composantes, l'une ionique, l'autre électronique, mettent en évidence des effets de corrélations ions-électrons qui réduisent le transport électronique. Dans un second temps, nous avons étudié le comportement anormal du transport des électrons dans les plasmas fortement magnétisés. Les simulations de DM ont été menées en régime extrêmement magnétisé, où le rayon de Larmor devient la plus petite échelle du système. Les résultats montrent que les prédictions du modèle de Braginskii, généralement utilisé pour décrire le transport dans les plasmas magnétisés, cessent d'être valables en présence des forts champs magnétiques. Nous confirmons aussi les effets non-linéaires liés à la présence des ions sur le transport des électrons en présence de champ magnétique. Ces résultats montrent la nécessité de développer des modèles pour décrire le transport des électrons en présence d'ions dans les plasmas fortement magnétisés. Nous proposons une correction au modèle de Braginskii qui tient compte des corrélations et des effets des forts champs magnétiques.
Thesis resume
Electronic thermal transport in the presence of a magnetic field is a fundamental process in plasma physics that is of great importance in astrophysics and high energy density (HED) physics. It plays a major role in inertial confinement fusion (ICF), as it significantly affects the efficiency of capsule compression. Laser energy is absorbed in the low-density corona and transported by electrons toward the denser ablation front, where it drives compression. Throughout this process, the plasma crosses different regimes: energetic electrons from the hot and dilute corona propagate toward colder and denser regions, where collisional effects become important. The magnetization of these ICF plasmas, by fields that can reach several kilotesla, affects electron trajectories. As heat transport becomes anisotropic, it can induce significant changes in hydrodynamics, temperature profiles, and transport symmetry. However, classical models of electronic thermal conduction, used in PIC and MHD codes, are built on the Vlasov–Landau closure, assuming small perturbations around a Maxwellian distribution. These models are no longer applicable in the presence of strong magnetic fields. The estimation of transport coefficients is the main challenge underlying these models for ICF. It is within this framework that this doctoral work is situated. We propose a study based on classical Molecular Dynamics simulations of thermal transport coefficients in the presence of strong magnetic fields. Different plasmas can be simulated and different effects can be activated or deactivated in order to evaluate their impact. The simulations thus provide an in-depth insight into the underlying physics and a robust testbed for theoretical validation. In a first step, we conducted a study of temperature relaxation in non-equilibrium and non-magnetized proton–electron plasmas in order to obtain a reference point for comparing thermal conductivity coefficients obtained from a particle-based model (Molecular Dynamics simulations, MD) with results obtained from a kinetic model (Particle-In-Cell simulations, PIC). The results allowed us to test the Landau–Spitzer model over a wide range of temperature and density conditions, as well as the limitations of the kinetic approach (PIC) when inter-particle correlations become significant. Furthermore, two-component MD simulations, with one ionic and one electronic component, highlight ion–electron correlation effects that reduce electronic transport. In a second step, we studied the anomalous behavior of electron transport in strongly magnetized plasmas. MD simulations were carried out in an extremely magnetized regime, where the Larmor radius becomes the smallest scale in the system. The results show that the predictions of the Braginskii model, commonly used to describe transport in magnetized plasmas, cease to be valid in the presence of strong magnetic fields. We also confirm non-linear effects related to the presence of ions on electron transport in the presence of a magnetic field. These results demonstrate the need to develop models to describe electron transport in the presence of ions in strongly magnetized plasmas. We propose a correction to the Braginskii model that accounts for correlations and the effects of strong magnetic fields.