Le contrôle de l’instabilité de Rayleigh-Taylor (RT) est crucial pour la fusion par confinement inertiel (FCI) puisque son développement peut compromettre l’implosion et la correcte compression de la cible. En attaque directe, l’énergie fournie par l’irradiation de nombreux faisceaux laser provoque l’ablation de la couche externe de la cible (ablateur) et l’apparition résultante d’un plasma de basse densité en expansion. De ce fait, une très haute pression apparait autour de cette surface, ce qui conduit à l’accélération de la cible vers l’intérieur. On se trouve alors en présence d’un fluide de basse densité qui pousse et accélère le fluide plus dense. C’est une des situations typiques qui favorisent le développement de l’instabilité de RT. Cette thèse développe pour la première fois, dans le contexte de la FCI, une théorie linéaire de stabilité pour des structures à double front d’ablation, qui apparaissent quand des matériaux de nombre atomique modéré sont utilisés comme ablateurs. / The Rayleigh-Taylor instability is a major issue in inertial confinement fusion capable to prevent appropriate target implosions. In the direct-drive approach, the energy deposited by directed laser irradiation ablates off the external shell of the capsule (ablator) into a low-density expanding plasma. This induces a high pressure around the ablating target surface (ablation region) that accelerates the capsule radially inwards. This situation, a low density fluid pushing and accelerating a higher density one, is the standard situation for the development of the Rayleigh-Taylor instability, and therefore a potential source of target compression degradation. For moderate-Z materials, the hydrodynamic structure of the ablation region is made up of two ablation fronts (double ablation front) due to the increasing importance of radiation effects. This thesis develops for the first time a linear stability theory of double ablation fronts for direct-drive inertial confinement fusion targets.

Ce travail de thèse porte sur l’étude de la dynamique et de la stabilité de structures présentant deux fronts d’ablation dans le cadre de la fusion par confinement inertiel (FCI) en attaque directe. Dans un premier temps, des simulations 1D réalisées avec le code d’hydrodynamique CHIC ont permis d’obtenir ces structures. Pour cela, des plaques planes de matériaux de Z modéré, comme l’aluminium, la silice, le plastique dopé au brome, ainsi que le plastique sont éclairées par laser, à des intensités proches de celles requises pour la FCI. Les effets radiatifs, de par leur contribution dans le bilan d’énergie, modifient alors l’hydrodynamique de la cible : deux fronts d’ablation séparés par un plateau de densité quasi-constante sont observés. La dynamique de telles structures est alors caractérisée de manière qualitative. Une étude du préchauffage du combustible (DT) induit par le rayonnement de ces ablateurs de Z modéré est alors réalisée. Un nouveau modèle théorique, basé sur une hypothèse d’isobaricité au front d’ablation, prend en compte deux mécanismes de transport de l’énergie (transport d’électrons et de photons) et permet de reproduire ces structures en supposant un traitement analytique des opacités de la matière. De plus, ce modèle permet de comprendre les mécanismes physiques qui interviennent dans la formation des structures à double front d’ablation. Le code PERLE, dédié à l’étude de la stabilité hydrodynamique d’écoulements en phase linéaire, est alors modifié pour prendre en compte le transport de photons en utilisant les simplifications du modèle théorique. La deuxième partie de cette thèse porte sur la stabilité hydrodynamique de ces structures à double front d’ablation. Les modèles existants pour les problèmes de stabilité au front d’ablation sont insuffisants : les limites de ces modèles sont montrées, mais des premières informations sur le front d’ablation principal sont néanmoins obtenues. Le code PERLE permet alors de calculer les perturbations linéaires au front d’ablation quand la structure à double front d’ablation entière est considérée. Des taux de croissance pour l’instabilité Rayleigh-Taylor ablative sont obtenus et présentent une nouvelle forme non connue, associée directement à la structure à double front d’ablation. Les calculs 2D réalisés avec le code CHIC et une physique plus réaliste confirment ces résultats. L’étude de la localisation spatiale des perturbations montrent la relation entre la structure à deux fronts d’ablation et la forme caractéristique des taux de croissance. Finalement, l’utilisation d’ablateurs de Z modéré peut être une alternative intéressante pour réduire l’instabilité de Rayleigh-Taylor au front d’ablation en FCI par attaque directe. / This PhD thesis adresses the dynamics and the stability of double ablation fronts structures in direct-drive inertial confinement fusion (ICF). In the first part, these structures have been obtained using the hydrodynamic code CHIC calculations. By irradiating solid targets of moderate Z such as aluminium, silicium, brominated doped plastic, and plastic with ICF like laser intensities, radiative effects become non negligibles and modify the target hydrodynamics. Two ablation fronts separated by a quasi-constant density plateau are then observed. The dynamic of such structures is then qualitatively characterized. The fuel (DT) preheat due to self-emitted radition of such ablators is then studied. A new theoretical model, based on an isobaric approximation in the ablation region allows us to understand the complex physical mecanisms involved in the formation and the dynamics of these structures, using analytical expressions for the opacities. The PERLE code, dedicated to the calculation of linear perturbations of unsteady flows, is then modified to take into account the radiative energy transport, using the hypothesis of the new theoretical model. In the second part of this work, a study of the stability of double ablation fronts structures is carried out. The existing models for the ablation front stability problems are no longer sufficient in this case: their limitations are shown, but, nevertheless, firsts informations on the main ablation front are obtained. Then, the PERLE code is used when the whole double ablation fronts structure is considered. The growth rates for the ablative Rayleigh-Taylor instability are estimated, and show a new shape, unknown up to now. The 2D calculations made with the CHIC code using a more realistic physics confirm these results. The study of the spatial localization of perturbations in the structure shows the relation between the two ablation fronts and the characteristic shape of the growth rates obtained. Finally, the use of such moderate Z ablators is an interesting alternative to reduce the Rayleigh-Taylor instability at the ablation front in direct-drive ICF.

Les différents dimensionnements et expériences de Fusion par Confinement Inertiel (FCI) en attaque directe comme indirecte montrent qu'une des principales limites à l'atteinte de l'ignition est l'instabilité de Rayleigh-Taylor (IRT) qui cause la rupture de la coquille de la cible en vol et potentiellement le mélange du combustible chaud du coeur avec celui, froid, de la coquille. La connaissance, la compréhension et la maîtrise des conditions initiales de ce mécanisme sont donc d'un grand intérêt. Nous présentons ainsi une étude expérimentale et théorique des conditions initiales de l'IRT ablative en attaque directe au travers de deux campagnes expérimentales réalisées sur le laser OMEGA (LLE, Rochester). La première campagne concerne l'étude de l'instabilité de Richtmyer-Meshkov (IRM) ablative imprimée par laser ; cette instabilité commence à se développer au début de l'irradiation laser et fixe l'ensemencement de l'IRT. Nous avons mis en place une configuration expérimentale qui a permis de mesurer l'évolution temporelle de l'IRM ablative imprimée par laser pour la première fois. Nous présentons ensuite une interprétation des résultats de cette expérience par des simulations hydrodynamiques réalisées avec le code CHIC, ainsi que par un modèle théorique de l'IRM ablative imprimée par laser. Nous montrons que le moyen le plus direct de contrôler cette instabilité est de réduire l'amplitude des défauts d'intensité laser. Ceci peut être accompli en utilisant des cibles couvertes par une couche de mousse de basse densité. Ainsi, lors de la deuxième campagne, nous avons étudié pour la première fois l'effet de mousses sous-denses sur la croissance de l'IRT ablative. Au cours de ces expériences, des feuilles de plastique recouvertes d'une couche de mousse ont été irradiées par un faisceau laser portant une perturbation d'intensité destinée à imprimer des modulations sur la cible. Différentes données expérimentales sont présentes : rétrodiffusion de l'énergie laser, dynamique de la cible obtenue par mesure de côté d'auto-émission et radiographies de face faisant apparaître l'effet des mousses sur les modulations de densité surfacique des cibles. Ces données ont ensuite été interprétées à l'aide de simulations CHIC et du code d'interaction laser-plasma PARAX. Nous montrons qu'une des mousses réduit l'amplitude des modulations de l'intensité laser d'un facteur 2. Par conséquent, cette thèse a donné lieu au développement de configurations expérimentales et d'un ensemble d'outils de dépouillement numériques pour l'étude approfondie des instabilités hydrodynamiques en FCI. / Numerous designs and experiments in the domain of Inertial Confinement Fusion (ICF) show that, in both direct and indirect drive approaches, one of the main limitations to reach the ignition is the Rayleigh-Taylor instability (RTI). It may lead to shell disruption and performance degradation of spherically imploding targets. Thus, the understanding and the control of the initial conditions of the RTI is of crucial importance for the ICF program. In this thesis, we present an experimental and theoretical study of the initial conditions of the ablative RTI in direct drive, by means of two experimental campaigns performed on the OMEGA laser facility (LLE, Rochester). The first campaign consisted in studying the laser-imprinted ablative Richtmyer-Meshkov instability (RMI) which starts at the beginning of the interaction and seeds the ablative RTI.We set up an experimental configuration that allowed to measure for the first time the temporal evolution of the laser-imprinted ablative RMI. The experimental results have been interpreted by a theoretical model and numerical simulations performed with the hydrodynamic code CHIC. We show that the best way to control the ablative RMI is to reduce the laser intensity inhomogeneities. This can be achieved with targets covered by a layer of a low density foam. Thus, in the second campaign, we studied for the first time the effect of underdense foams on the growth of the ablative RTI. A layer of low density foam was placed in front of a plastic foil, and the perturbation was imprinted by an intensity modulated laser beam. Experimental data are presented : backscattered laser energy, target dynamic obtained by side-on selfemission measurement, and face-on radiographs showing the effect of the foams on the target areal density modulations. These data were interpreted using the CHIC code and the laser-plasma interaction code PARAX. We show that the foams noticeably reduce the amplitude of the laser intensity inhomogeneities and the level of the subsequent imprinted ablation front modulations. In conclusion, this thesis allowed us to develop an experimental platform and a suite of numerical tools for future, more detailed studies of hydrodynamic instabilities for ICFapplications.