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PHY569A - Physics of plasmas and thermonuclear fusion

Due to its high ionization, which induces specific behaviors, the plasma state is a singular state of matter, compared to solid, liquid and gas states which make up our Earth environment. That is why it is often referred to as the fourth state of the matter. Plasmas occur pervasively in nature: indeed, most of the known matter in the Universe is in plasma state. Many naturally occurring plasmas, such as the surface regions of the Sun, interstellar gas clouds, the pulsars or the Earth’s magnetosphere, exhibit distinctively dynamical phenomena arising from the effects of electric and magnetic forces. The science of plasma physics was developed not only to provide an understanding of these naturally occurring plasmas but also in furtherance of the quest for controlled nuclear fusion. Plasma science is structured on one hand by large cognitive research programs (material science, astrophysics, planetology, ultrahigh laser intensities, …) and on the other hand by applied research, focused on key societal issues, gathering thermonuclear fusion, innovating processes for structuration and resistance of the materials, environment, health.

This course provides an introduction to the basic principles of plasma physics and thermonuclear fusion. It consists of an introduction to the principles and methods of plasma physics, followed by a presentation of the problematic of controlled thermonuclear combustion, whether it be the magnetic confinement route (the international ITER project) or the inertial confinement route (the Mégajoule project in France and the NIF project in the USA).

1- Introduction to Plasma Physics. Plasmas in nature: from space to the laboratory. Classification of plasmas, applications of plasmas.

2- Characteristic scales: Langmuir frequency, Maxwell time, London, Debye and Kelvin length. Ionization: Saha formula. Coulomb collisions.

3- Thermonuclear fusion. Fusion reactions. Reaction rates. Lawson's criterion. Inertial confinement. Compression and ignition. Ignition by hot spot. Isobaric and isochoric regime. LMJ and NIF projects.

4- Orbits and confinement of charged particles. Adiabaticity and guide center. Gradient and curvature drifts, diamagnetic force. Adiabatic invariants and Tokamak configurations. The ITER project.

5- Mechanisms of ionization of matter by a laser beam. From the kinetic to the fluid theory of plasmas. Two-fluids model.

6- Waves in unmagnetized plasmas. Propagation of electromagnetic waves in unmagnetized plasmas: plasma frequencies, WKB approximation, resonance absorption.

7- Collisional plasmas, electron-ion collision frequency. Absorption of electromagnetic waves. Nonlinear interaction: ponderomotive force, wave instabilities, Landau damping. Collisionless absorption mechanisms.

8- Hydrodynamic expansion of a laser-produced plasma, sheath model. Radiative properties of hot plasmas: equilibrium models and spectral calculations, radiative transport.

9- Relativistic laser-plasma interaction. Reminders of relativity and Hamiltonian mechanics. Fluid theory of relativistic interaction. Relativistic ponderomotive force. Motion of an electron in an ultra-intense laser field.

Prerequisites: undergraduate electromagnetism, mechanics, fluid mechanics and statistical physics

Language: English

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PHY569A - Physique des plasmas et fusion thermonucléaire

En raison de sa forte ionisation, qui induit des comportements spécifiques, le plasma est un état de la matière singulier, au regard des états solide, liquide et gazeux qui structurent notre environnement terrestre. D’où son appellation de quatrième état de la matière. Les plasmas sont omniprésent dans l’Univers. Beaucoup de plasmas naturels, comme la surface du Soleil, les gaz interstellaires, les pulsars ou la magnétosphère terrestre, montrent des comportements spécifiques liés aux effets des forces électriques et magnétiques. La physique des plasmas a été développée non seulement pour interpréter ces plasmas, mais aussi dans la quête de la génération d’énergie par fusion nucléaire. Cette physique est structurée d’une part par des grands programmes de recherches cognitives (en sciences de la matière, en astrophysique, en planétologie, sur les ultra-hautes intensités laser, …) et d’autre part par des recherches axées sur des enjeux sociétaux majeurs, rassemblant la fusion thermonucléaire, les processus innovants pour la structuration et la résistance des matériaux, l’environnement, la santé.

Cet enseignement offre une introduction aux principes de base de la physique des plasmas et de la fusion thermonucléaires. Il est constitué par une introduction aux principes et méthodes de la physique des plasmas suivie par une présentation de la problématique de la combustion thermonucléaire contrôlée, qu’il s’agisse de la voie du confinement magnétique (le projet international ITER) ou du confinement inertiel (les projets Mégajoule en France et NIF aux USA), et enfin un aperçu des réalisations et performances des systèmes expérimentaux actuels.

1- Introduction à la Physique des plasmas. Plasmas dans la nature : de l’espace au laboratoire. Classification des plasmas, applications des plasmas.

2- Echelles caractéristiques : fréquence de Langmuir, temps de Maxwell, longueur de London, de Debye et de Kelvin. Ionisation : formule de Saha.  Collisions coulombiennes.

3- Fusion thermonucléaire. Réactions de fusion. Taux de réaction. Critère de Lawson. Confinement inertiel. Compression et allumage. Allumage par point chaud. Régime isobare et régime isochore. Les projets LMJ et NIF.

4- Orbites et confinement des particules chargées. Adiabaticité et centre guide. Dérives de gradient et de courbure, force diamagnétique. Invariants adiabatiques et configurations Tokamaks. Le projet ITER.

5- Mécanismes d’ionisation de la matière irradiée par un faisceau laser. De la théorie cinétique à la théorie fluide. Modèle à deux fluides.

6- Ondes dans les plasmas non-magnétisés. Propagation d’une onde électromagnétique dans un plasma : fréquences plasma, approximations WKB, absorption résonnante.

7- Plasmas collisionnels, fréquence de collision électron-ion. Absorption des ondes électromagnétiques. Interaction non-linéaire : force pondéromotrice, instabilités, amortissement Landau. Mécanismes non-collisionnels d’absorption.

8- Expansion hydrodynamique d’un plasma créé par laser, écoulement self-similaire. Propriétés radiatives des plasmas chauds: modèles d’équilibre, calculs spectroscopiques, transport de la radiation.

9- Interaction laser-plasma relativiste. Rappels de relativité et de mécanique hamiltonienne. Théorie fluide de l’interaction relativiste. Force pondéromotrice relativiste. Mouvement d’un électron dans un champ laser ultra-intense.

Prérequis: Electromagnétisme, mécanique, mécanique des fluides, physique statistique.

Langue du cours : Anglais

Crédits ECTS : 5