شکل3-1-الف- تعبیر هندسی بعضی از پارامترهای معرفی شده مربوط به شکل ذرات در مخلوط.68

شکل3-1- مقایسه شعاع کروی سخت معرفی شده توسط بارکر وپاتریک برای مخلوط دوتریوم و تریتیوم80
شکل3-2- مقایسه شعاع کروی سخت معرفی شده توسط بارکر وپاتریک برای مخلوط هیدروژن و هلیوم.81
شکل3-3- مقایسه مقادیر مختلف شعاع کروی سخت نسبی معرفی شده توسط پاتریک برای مخلوط هیدروژن و هلیوم.83
شکل3-4- مقایسه مقادیر محاسبه شده شعاع کروی سخت از طریق انتگرال گیری مستقیم و روش گاوس-لژاندر معرفی شده توسط پاتریک برای مخلوط دوتریوم و تریتیوم83
شکل3-5- فشار حاصل از مخلوط ایدهآل دوتریوم- تریتیوم در بازه دمایی0 تا 500 کلوین بر حسب تابعی از چگالی کاهش یافتۀ در بازه 0 تا 1.88
شکل3-6- فشار حاصل از جملۀ کروی سخت انرژی آزاد هلمهولتز برای مخلوط دوتریوم-تریتیوم برای بازه دمایی 0 تا 500 درجه کلوین بر حسب تابعی از چگالی کاهش یافتۀ در بازه 0 تا 1.89
شکل3-7- فشار حاصل از تصحیح مرتبه اول اختلال انرژی آزاد هلمهولتز برای مخلوط دوتریوم-تریتیوم در بازه دمایی 100 تا 500 درجه کلوین بر حسب تابعی از چگالی کاهش یافتۀ در بازه 0 تا 1.5.89
شکل 3-8- فشار حاصل از تصحیح مرتبه اول اختلال کوانتمی(WK) انرژی آزاد هلمهولتز برای مخلوط دوتریوم- تریتیوم در بازه دمایی 0 تا 500 درجه کلوین بر حسب تابعی از چگالی کاهش یافتۀ در بازه 0 تا 1.90
شکل3-9- فشار کل برای مخلوط با کسر مولی یکسان از دوتریوم-تریتیوم در بازه دمایی 0 تا 150 کلوین و بر حسب تابعی از چگالی کاهش یافته در بازه 0 تا 1.5 باکسر مولی یکسان برای اجزاء مخلوط.90
شکل 3-10- فشار کل برای مخلوط با کسر مولی یکسان دوتریوم- تریتیوم در بازه دمایی 150 تا 500 کلوین و بر حسب تابعی از چگالی کاهش یافته در بازه 0 تا 1.5.91
شکل3-11- انرژی داخلی کل بر حسب چگالی کاهش یافته در محدوده دمایی50 تا 300 درجه کلوین برای مخلوط دوتریوم- تریتیوم.92
شکل3-12- فشار بر حسب چگالی کاهش یافته در محدوده دمایی 500 تا 2500 در جه کلوین برای مخلوط دوتریوم و تریتیوم.92
شکل3-13- فشار بر حسب چگالی کاهش یافته در دمای 100 در جه کلوین برای مخلوط دوتریوم و تریتیوم در کسرهای مولی مختلف.93
شکل3-14- مقایسه تأثیر پتانسیل دوبل یوکاوا و باکینگهام بر فشار کل مخلوط دوتریوم و تریتیوم در دمای 300 درجه کلوین و غلظت برابر از هر دو ذره.94
شکل3-15- فشار کل برای مخلوط با کسر مولی یکسان دوتریوم تریتیوم در بازه دمایی 100 تا 500 کلوین و بر حسب تابعی از چگالی کاهش یافته در بازه 0 تا 1.5 با پتانسیل برهمکنشی DY.95
شکل3-16- انرژی آزاد هلمهولتز مخلوط دوتریوم و تریتیوم با پتانسیل باکینگهام در کسر مولی 0.3 تریتیوم.95
شکل3-17- نمودار سه بعدی فشار بر حسب کسر مولی تریتیوم و چگالی کاهش یافته در دمای 300 درجه کلوین.97
شکل3-18- نمودار سه بعدی فشار بر حسب کسر مولی تریتیوم و دمای 300 درجه کلوین در چگالی کاهش یافته یک.97
شکل3-19- نمودار فشار بر حسب کسر مولی تریتیوم در دماهای مختلف و چگالی کاهش یافته ثابت1.1 .98

در این سایت فقط تکه هایی از این مطلب(به صورت کاملا تصادفی و به صورت نمونه) با شماره بندی انتهای صفحه درج می شود که ممکن است هنگام انتقال از فایل ورد به داخل سایت کلمات به هم بریزد یا شکل ها درج نشود-این مطالب صرفا برای دمو می باشد

ولی برای دانلود فایل اصلی با فرمت ورد حاوی تمامی قسمت ها با منابع کامل

اینجا کلیک کنید

شکل3-20- نمودار فشار بر حسب کسر مولی تریتیوم در چگالی کاهش یافته مختلف و دمای 300 درجه کلوین .98
فهرست جدولها
عنوان صفحه
جدول 1-1- واکنشهای متناوب همجوشی………………………………………………………………………………………………………………..11
جدول 1-2- پارامترهای محصورسازی در MCF و ICF…………………….. …………………………………………………………………..15
جدول 1-3- مراکز تحقیقاتی مهم MCF……………………………………………………………………………………….. .. …………………….17
جدول 3-1- پارامترهای ثابت برای پتانسیل باکینگهام مخلوط ایزوتوپهای هیدروژن…………………………………………………………..74
جدول. 3-2 پارامترهای ثابت برای پتانسیل دوبل یوکاوا مخلوط ایزوتوپهای هیدروژن و هلیوم [72] ……………………………………74
جدول 3-3- ثوابت برازش شدۀ تابع توزیع پرکوش-یوییک برای سیستم کروی سخت، که برای محاسبه مقادیر(y_i,g_i )
مورد استفاده قرار میگیرد………………………………………………………………………………………………………………………………………..78
جدول 3-4- پارامترهای ثابت مورد استفاده در انتگرالگیری گاوس-لژاندر………………………………………………………………………82
جدول 3-5- مقایسۀ فشار مخلوط هلیم و هیدروژن در این مطالعه با نتایج شبیه سازی مونت کارلو…………………………………………87
مقدمه:
مسئله انحلال پذیری متقابل به عنوان تابعی از نسبت اجزای سازنده1، دما و فشار در یک مخلوط برای طراحی دستگاهی جهت جداسازی یا ترکیب(تشکیل) یک فاز همگن بسیار مفید میباشد. همچنین شرایط با دما و فشار بسیار زیاد شرایط لازم برای تحقیق در مورد انفجارهای چگال را فراهم میآورد. محصورسازی اینرسی با تراکم سوخت تا چگالی زیاد و زمان محصورسازی بسیار کوتاه روشی متفاوت را برای دستیابی به همجوشی هستهای ایجاد می کند. در این روش با استفاده از تابش باریکه های لیزری پرقدرت و یا ذرات باردار پرانرژی که از شتابدهنده ها تولید می شوند، مواد همجوشی کننده را بهم نزدیک کرده و احتمال همجوشی را افزایش می دهند. برای این منظور ساچمه2 های بسیار کوچک (به قطر 1.0 تا چند میلیمتر) که حاوی سوخت همجوشی با چگالی حجمی هیدروژن مایع در حدود4.5× 1022 cm-3 و چگالی جرمی حدود 0.2 g .cm-3 ]1[ هستند، از جهات مختلف و بطور متقارن و همزمان تحت تابش پرتوهای لیزر با انرژی بالا و یا پالس شدیدی از ذرات شتابدار پر انرژی قرار می گیرند. در دما و فشار خیلی زیاد، اندازهگیری مستقیم به علت شرایط نامطلوب آزمایشگاهی امکان پذیر نمیباشد، از این رو، یک رهیافت تئوری، در صورتیکه اثرات دما (T) و فشار(P) بوضوح در فرمالیزم وارد شود، بر اساس تئوری مخلوط بسیار مورد سودمند است. برای تحت شوک قرار دادن مخلوط مورد نظر باید معادله حالت مخلوط معلوم باشد. لذا ما در این کار تحقیقاتی معادلۀ حالت مخلوط مایع D_2-T_2 در دمای پائین و فشار نسبتا بالا را مورد بررسی قرار دادهایم.
سیستم مخلوط D_2-T_2 به علت اهمیت زیاد از دیدگاه تئوری مورد توجه قرار گرفته است [4-2]. اجزاء سازندهای از این نوع بعنوان موادی که در دما و فشار زیاد خصوصیات مشخصی را بروز دهند شناخته شدهاند، زیرا در فشارهای زیاد این مخلوط جداشدگی فازی مایع-مایع را بروز میدهد. هر دوD_2-T_2 دارای برهمکنشهای جاذبه و دافعه پیچیدهای هستند [5]. از این رو نیروهای بین مولکولهای متفاوت در مخلوط نقش قابل توجهی [7و6] در شکل گیری خصوصیات آنها ایفا می کند. همچنین به علت جرم پایین این دو ذره تاثیرات کوانتمی را در دماهای پائین با اهمیت میگردد.
ما در این کار تحقیقاتی نظریه اختلال مکانیک آماری [8] را بر روی یک مخلوط دوتایی کروی سخت3با تصحیحات لازم برای نیروهای جاذبه و اثرات کوانتمی مورد مطالعه قرار دادهایم. شعاع پوسته سخت وابسته به دما است، از این رو، حلالیت مخلوط D_2-T_2 را در بازه وسیعی از دما و فشار میتوان بدست آورد. پتانسیلهای با دافعه ملایم مانند باکینگهام exp-6 حقیقیتر از پتانسیلهای یوکاوا یا چاه مربعی میباشد و خواص ترمودینامیکی دقیقی را ارائه میدهد [8]. از اینرو برای رسم نمودار فاز مخلوط دوتایی مولکولهای کروی سخت از پتانسیل باکینگهام استفاده کردهایم [9]. همچنین برای بررسی اثر کوانتمی، تصحیح مرتبه اول بسط ویگنر-کریکوود4 [11و10] را اعمال خواهیم کرد. با احتساب بخشهای مختلف انرژی آزاد هلمهولتز، ما قادر به ارائه نسخه پیشرفتهتری از معادله حالت برای مطالعه عامل تراکم (Z) و دیگر پارامترهای ترمودینامیکی خواهیم بود. از این فرضیات برای تحقیق اثرات فشار و دما (T , P) روی خواص ترمودینامیکی مخلوط D_2-T_2 در بازه وسیعی از چگالی و نحوه ترکیب اجزای سازنده آن استفاده خواهیم نمود. علارغم ساختار ساده الکترونی هیدروژن و ایزوتوپهای آن، توصیف دقیقی از خصوصیاتشان در چگالیهای بالا تحت تراکم شوک و معادله حالت آنها در مخلوط در دست نیست اما به کمک بعضی مدلهای تقریبی وبا استغاده از تئوری اختلال و وردشی با تصحیح کوانتمی و پتانسیلexp-6 باکینگ هام برای استفاده در معادله شوک هیوگونیت برای مخلوط فوق استفاده نمودهایم. چن5 در سالهای 1999و2006 میلادی با استفاده از روش وردشی معادله حالت مخلوط D_2 و H_2 و He رابدست آورد و با نتایج تجربی چگالی مایع بدست آمده توسط شبیه سازی و آزمایشات نیلز در1980 مقایسه نمود ونشان داد که تئوری مورد استفاده با نتایج تجربی تطبیق خوبی دارد. در چند سال گذشته پیشرفت های چشم گیری به صورت تئوری و عملی در معادله حالت هیوگونیت دوتریم مایع وهلیم توسط ابلینگ و بولو6 در1991 میلادی و انجام گرفت. علی7 در 2004 میلادی بر روی مخلوط He-H_2 با استفاده از روش اختلال مطالعاتی انجام داده و در مقایسه با نتایج تجربی در محدوده خاص این روش را تائید نمود. اما روش های تئوریکی هنوز کاملا قادر به توصیف این عناصر ساده در چگالی های بالا نمیباشند. ما نیز با استفاده از روش های فوق به بررسی معادله حالت مخلوط دو ذره ،D_2-T_2 میپردازیم. لذا ابتدا در فصل یک اصول و مبانی همجوشی هستهای را شرح داده و ارتباط مطالعۀ انجام شده را با همجوشی بیان میکنیم. سپس در فصل دوم به شرح اصولی که نظریه مورد استفادۀ ما بر آن استوار است میپردازیم. در فصل سوم نحوه استفاده از این نظریه در مخلوط مورد نظر را ارائه خواهیم نمود. و در نهایت نتایج خود را با نتایج نظریات دیگر و شبیه سازی مقایسه کرده و پارامترهای ترمودینامیکی دیگر مربوط به مخلوط دوتریوم و تریتیوم را محاسبه میکنیم.
فصل اول
مبانی همجوشی هستهای
فصل اول- مبانی همجوشی هستهای
تولید انرژی به همان روشی که در خورشید انجام میگیرد برای مدت های طولانی رؤیای بشر بوده است. از اوایل قرن بیستم، دانشمندان دریافتند که منبع انرژی خورشید-همانند دیگر ستارگان- فرآیندی موسوم به همجوشی هستهای میباشد. تا سال 1950 هنوز فعالیتهای تحقیقاتی مقدماتی در این زمینه شروع نشده بود. اما امروزه کشورهای زیادی از تحقیق در ارتباط با همجوشی در جستجوی منبعی برای تولید انرژی پشتیبانی میکنند. انجام چنین تحقیقاتی بطور فزایندهای مهم است، زیرا مسئلۀ بحران انرژی روز به روز به موضوعی مهمتر بدل میشود.
امروزه استفاده از همجوشی بعنوان یکی از راه حلهای بحران انرژی مطرح است. بخصوص به این دلیل که مزیت های عدم آلودگی محیط زیست را در مقایسه با سوزاندن زغالسنگ و نفت یا رأکتورهای شکافت هستهای را داراست. همجوشی از این جهت که سوخت همجوشی قابل استخراج از آب دریاست، بسیار جذاب است، به طوریکه برای بیشتر کشورهای در جهان بطور مستقیم قابل دسترسی میباشد.
اگرچه پیشرفت های چشمگیری در علم همجوشی و تکنولوژی صورت گرفته، تا کنون هیچ رآکتور همجوشی در حال کار نیست. به عنوان اولین گام جهت درک همجوشی به روش محصورسازی لختی، ما به این سؤال که چگونه خورشید انرژی تولید میکند رجوع خواهیم نمود. کلید واکنشهای همجوشی هستهای و آزادسازی انرژی، در تعبیرات انرژی بستگی نهفته است. انیشتین نشان داد که جرم و انرژی توسط رابطه زیر با هم ارتباط دارند:
∆E=∆mc^2 (1-1)

بنابراین ما با جرم هسته ها شروع میکنیم. مطابق با درک کنونی ما، جرم یک هسته در یک دیدگاه نیم کلاسیکی توسط فرمول نیمه تجربی زیر توصیف میگردد:
M=Nm_n+Zm_p-a_v A+a_s A^(2⁄3)+a_c Z(Z-1)/A^(1⁄3) +a_a (N-Z)^2/A+(a_p δ)/A^(3⁄4) (2-1)
که m_n و m_p به ترتیب جرم پروتون و نوترون و a_v ، a_s ، a_c ، a_a و a_p ثوابتی هستند که توسط برونیابی با انرژیهای بستگی تجربی بدست میآیند، δ جملۀ ذوجیت است. بنابراین انرژی بستگی B (در واحد c^2=1 ) هسته اختلاف جرم اجزاء تشکیل دهنده هسته زمانیکه بسیار از یکدیگر دورند، بصورت زیر میباشد:
B=Nm_n+Zm_p-M (3-1)
این انرژی جهت جدا کردن نوکلئون ها تا فاصله ای که آنها دیگر برهمکنشی هستهای نداشته باشند مورد نیاز میباشد. با استفاده از معادلات (1.2) و (1.3) برای انرژی بستگی به ازاء هر نوکلئون داریم:
B⁄A=a_v-a_s A^((-1)⁄3)-a_c Z(Z-1)/A^(4⁄3) -a_a (N-Z)^2/A^2 -(a_p δ)/A^(7⁄4) (4-1)
شکل ‏11- نمودار متوسط انرژی بستگی برحسب عدد جرمی[13]
شکل (1-1) انرژی بستگی متوسط تجربی را به بصورت تابعی از A نشان میدهد. این تابع یک بسشینه تخت را در ناحیهای برای هسته هایی نزدیک آهن نشان میدهد، که از پایدارترین هسته ها است. برای هسته های بسیار سبکتر یا سنگینتر از آهن، انرژی بستگی متوسط به طور قابل ملاحظهای کوچکتر است. این اختلاف در میزان انرژی بستگی پایه فرآیند همجوشی و شکافت هستهای است. اساس همجوشی هستهای این است که دو هسته خیلی سبک باهم ترکیب شده و از ترکیب آنها یک هسته با انرژی بستگی بیشتر تشکیل شود (جرم کمتر). بنابراین انرژی مطابق فرمول انیشتین (1-1) آزاد میشود. همچنین هنگامی که یک هسته سنگین به دو پاره شکافته میشود، دو هسته با مجموع جرم کمتر از جرم هسته اولیه تولید میشود که به آزاد شدن انرژی میانجامد.
فرآیندهای همجوشی زیادی بین عناصر سبک امکانپذیر است. هرچند مسئله در شروع چنین واکنشهایی این است که هستههای سبک بار مثبت دارند و با شدت زیادی یکدیگر را دفع میکنند. بنابراین تحت شرایط عادی فاصله بین هستهها برای انجام همجوشی بسیار زیاد است، که در این شرایط برهمکنش هستهای تقریبا غیرممکن است. اما علیرغم این مشکل چگونه این پدیده به تولید چنین انرژی قدرتمندی در خورشید میانجامد؟ در پاسخ به این سؤال میتوان گفت که به علت دما (106K) و فشار بالا در مرکز خورشید، و وجود تعداد زیادی ذره، همچنین زمان به اندازه کافی طولانی، سطح مقطع برخورد برای چنین برهمکنشی به اندازه کافی بزرگ است که تولید انرژی مشخصه خورشید را نسبتاً ثابت نگه دارد. در خورشید انرژی در اصل از یک چرخه برهمکنش پروتون-پروتون (p-p) بدست میآید. که همگی به شکل زیر خلاصه میشوند:
p+p⟶D+e^++2ν_e+0.42 MeV
D+p⟶(_2^3)He+γ+5.5 MeV
(_2^3)He+〖(_2^3)He〗^(++)⟶(_2^4)He+2p+12.8 MeV (5-1)
حاصل برهمکنش زنجیری تولید (_2^4)He پایدار از 4 پروتون به صورت زیر است:
4p⟶(_2^4)He+2e^++2ν_e+24.7 MeV (6-1)
در مراتب پایین تر، دیگر فرآیندهای همجوشی از چرخههای برهمکنش متفاوت منجربه تشکیل هلیوم در همان زمان استفاده میکنند. برای توصیف جزئیات بیشتر منابع [12و 13] را ملاحظه کنید. انرژی بعد از یک سفر طولانی در خورشید و انرژی حمل شده توسط تشعشعات گاما سرانجام این انرژی به نور مرئی تبدیل میشود، که به دنیای محیط خورشید میتابد. این تابش است که حیاط در زمین را ممکن میسازد.
ستاره های با جرم بیشتر یا مسن تر برای تولید انرژی میتوانند از برهمکنشهای همجوشی متفاوتی بهرهمند شوند. فرآیند سوختن هیدروژن، به وضوح زمانی پایان مییابد که بیشتر هیدروژن موجود در ستاره تبدیل شده باشد. اگر جرم ستاره کافی باشد، بوسیلۀ انقباض گرانشی8 ستاره سرد شده و مقابله آن با تبهگنی نوع دیگری از فرآیند همجوشی میتواند شروع میشود9، و در دمای (108K) هلیوم سوزی امکانپذیر میگردد. همجوشی هلیم (_2^4)He موجب تولید (_4^8)Be و نهایتاً محصول همجوشی (_6^12)C را ایجاد میکند. و این پروسه میتواند تا تولیدعناصر سنگین ادامه یابد.
سؤالی که پیش میآید این است که چرا ما تولید انرژی را به همان روش خورشید انجام ندهیم؟ مسئله این است که اینجا روی زمین، زمان و فضایی که در خورشید و دیگر ستارگان موجود است فراهم نیست. تولید انرژی در مقیاس بزرگ نیاز به انجام تعداد زیادی از برهمکنشها باهم دارد و دافعه کولونی از ترکیب هستهها ممانعت میکند. اما میتوان توسط اعمال انرژی جنبشی اولیه به هسته بر این دافعه غلبه کرد، که این عمل با گرم کردن مواد تا دماهای خیلی زیاد امکانپذیر است. این رهیافت در مورد همجوشی با عنوان “همجوشی گرماهستهای” شناخته شده است. انرژی نیز از طریق همجوشی کنترل شده در یک رآکتور همجوشی یا با روش غیر کنترلی در یک بمب گرماهستهای میتواند ظاهر شود. آزمایشات نشان دادهاند که همجوشی گرماهستهای (بمب های هیدروژنی) امکانپذیر است. مسئله این است که آن را توسط یک روش کنترل شده و با معنا انجام دهیم.
به علت دماها و چگالیهای خیلی بالای مورد نیاز برای انجام عمل همجوشی، سوخت در این شرایط باید در حالت پلاسما باشد. منظور از پلاسما یک گاز داغ به شدت یونیزه و رسانای گرماست. اگر دما به اندازه کافی بالا باشد سرعت گرمایی هستهها خیلی زیاد میشود و تنها از این به بعد است که آنها شانس رسیدن به یکدیگر را در فاصلۀ به اندازه کافی نزدیک برای غلبه بر نیروی کولونی بدست میآورند و نیروی جاذبه کوتاه برد هستهای در این فاصله )فاصلۀ مؤثر (10-15m)( عمل میکند. در این شرایط هستهها میتوانند ترکیب شوند و مقدار عظیمی انرژی آزاد میشود. تحت این شرایط ماده بعلت انرژی جنبشی به شدت تمایل به پراکنده شدن به اطراف را دارد، بطوریکه با بعضی از روشها باید آن را محصور کرد. در خورشید این محصور سازی توسط نیروی گرانشی صورت میگیرد. از آنجاییکه بر روی زمین چنین نیروی گرانشی بزرگی وجود ندارد، موضوع اصلی ساخت وسایلی است که محدود سازی را در شرایط چگالی، فشار و دمای بالا بطور همزمان برای مدت زمان به اندازه کافی طولانی میسازد. با بالا رفتن دما و چگالی، محصورسازی پلاسما مشکل تر میشود. اکنون به این سؤال میرسیم که کدامیک از واکنشهای همجوشی ممکن تحت شرایط آسانتر امکانپذیر میگردند؟ حتی اگر انرژی ذرات کمی کمتر از مقدار مورد نیاز برای غلبه بر سد کولنی باشد، فرآیند همجوشی هنوز میتواند توسط پدیده تونل زنی کوانتمی رخ دهد. هرچند، اگر انرژی ذره به انرژی غلبه بر سد کولنی نزدیکتر باشد، احتمال وقوع فرآیندهای تونل زنی بیشتر میشود. برای ترکیب تعداد ذرات به اندازۀ کافی، انرژی گرمایی هستهها نباید خیلی کمتر از سد دافعۀ کولونی، b، باشد، که با استفاده از رابطه زیر به دست میآید:
b~1.44 (q_1 q_2)/(r_1+r_2 ) Mev (7-1)
که q_i و r_i به ترتیب بار و شعاع ذرات و در واحد بار بنیادی و شعاع در واحد فرمی ( fm) هستند.
همانگونه که در بخش قبل متذکر شدیم، بیشترین انرژی زمانی آزاد میشود که دو هستۀ بسیار سبک باهم ترکیب شوند، برای مثال ایزوتوپهای هیدروژن. سد کولونی هیدروژن در حدود 700 کیلو الکترون ولت است و گرم کردن گاز هیدروژن برای رسیدن به انرژیهای معادل 2/(3k_B ) b≈3.6×〖10〗^9 K ، را ایجاد میکندکه جنبه واقعی ندارد. خوشبختانه هسته ایزوتوپهای سنگین تر هیدروژن سد کولونی کوچکتری برای غلبه دارند، اگرچه انرژی آزاد شده از فرآیند همجوشی آنها کمتر است. واکنش همجوشی دوتریوم تریتیوم به علت سطح مقطع برخورد بزرگتر و اختلاف جرمی خیلی زیاد [14] آسانتر است. زمانیکه این دوهسته(ایزوتوپهای هیدروژن) ترکیب میشوند، یک هسته واسط شامل دو پروتون و سه نوترون تشکیل میشود، که این هسته فوراً به یک نوترون با انرژی14.1MeV و یک ذره α با انرژی3.5MeV شکافته میشود، یعنی:
(_1^2)D+(_1^3)T⟶(_1^4)He+(_0^1)n+17.6MeV
این واکنش همجوشی این مزیت را دارد که منابع سوخت آن تقریبا نا محدوداست. دوتریم میتواند توسط آب دریا تولید شود، درحالی که تریتیم میتواند با برهمکنش مستقیم لیتیم با نوترون در یک رآکتور تولید شود. لیتیم در روی کره زمین دارای فراوانی نسبس خوبی است و منابع موجود برای چند ده هزار سال کافی به نظر میرسد. هرچند، انجام این واکنش در رآکتور دارای دو ضرر است: تریتیوم یک گاز رادیواکتیو است و لیتیم نیز یک ماده بسیار سمی است. این به معنی بروز یک مشکل بزرگ در طراحی رآکتورسالم است. با وجود این در مقایسه با رآکتورهای شکافت، این مشکل نسبتاً کوچک است. نیمه عمر تریتیوم حدوداً 12.5 سال است در حالیکه نیمه عمر اورانیم 236 که حدود 2.4×107 سال ، اورانیم 235 که حدود *1087.13× سال ، اورانیم 238 حدود 4.5×109 سال ، نیمه عمر پلوتونیم 238، 24000 سال و پلوتونیم 240 حدود 6600، سال است. از این عناصر سنگین بعنوان سوخت رآکتورهای شکافت هستهای استفاده میشود.
جدول1-1- واکنشهای متناوب همجوشی [15].
Reaction D+T ⟶(_2^4)He (3.52 MeV)+n (14.06 MeV)
D+D ⟶T^4 (1.01 MeV)+p (3.03 MeV)
⟶(_2^3)He (0.82MeV)+n (2.45 MeV)
D+〖He〗^3 ⟶(_2^4)He (3.67MeV)+p (14.67 MeV)
T+T ⟶(_2^4)He+n +n (11.32 MeV)
〖He〗^3+T ⟶(_2^4)He+p+n (12.1 MeV)
⟶(_2^4)He (4.8 MeV)+D (9.5 Mev)
⟶(_2^5)He (2.4 MeV)+p (11.9 MeV)
p+〖Li〗^6 ⟶ (_2^4)He (1.7MeV)+〖He〗^3 (2.3 MeV)
p+〖Li〗^7 ⟶2(_2^4)He (22.4MeV)
D+〖Li〗^6 ⟶2(_2^4)He (22.4MeV)
p+B^11 ⟶3(_2^4)He (8.682MeV)
n+〖Li〗^6 ⟶(_2^4)He (2.1 MeV)+T (2.7 MeV)
برای دستیابی به یک رآکتور کاملاً پاک و اجتناب از وجود لیتیم و تریتیم در چرخه سوخت، یکی دیگر از واکنشهای همجوشی ذکر شده در جدول (1-1) را میتوان مورد استفاده قرار داد. هرچند قبل از آنکه رآکتورهای بر اساس واکنشهای دیگر را مورد مطالعه قرار دهیم باید اصول کارکرد رآکتور همجوشی که از چرخه دوتریم تریتیم استفاده میکند را شرح دهیم. برای مطالعه بیشتر به منابع [16و17] مراجعه کنید. توجه داشته باشید که انرژی کل آزاد شده در این واکنشهای همجوشی انرژِی خروجی رآکتور را تعیین میکند. هرچند برای شروع کار رآکتور فقط انرژی ذرات باردا را باید مدنظر قرار داد. حال که متوجه شدیم چه واکنشهایی را باید در نظر بگیریم، مسئلۀ دیگر این است که روی زمین، باید به محصورسازی بسیار کوچکتر هم از لحاظ فضا هم زمان دست بیابیم. همانگونه که در بالا اشاره شد، استفاده از واکنشهای همجوشی برای یک سیستم تولید انرژی نیاز به تعداد زیادی از این واکنشهای همجوشی در واحد زمان دارد. این به این معنا میباشد که باید با محصورسازی پلاسما به هسته ها را تا حد ممکن به یکدیگر نزدیک نگاه داشت و از پراکنده شدن پلاسما جلوگیری کرد تا تعداد کافی از واکنشهای همجوشی امکان پذیر باشد.
با فرض اینکه پلاسما شامل دوتریوم و تریتیوم هایی با چگالی یکسان n⁄2 باشد، آهنگ فرآیند همجوشی w در چنین پلاسمای داغ و چگال با فرمول زیر داده میشود:
W=n^2/4 〈νσ〉 (8-1)
که ν سرعت نسبی دو هسته و σ سطح مقطع همجوشی است برای راحتی توزیع سرعت ذرات در پلاسما را به صورت ماکسول-بولتزمن با انرژی متوسط E_k=3/2 k_B T در نظر میگیریم. سطح مقطع همجوشی σبه شدت به سرعت نسبی هسته های ترکیب شونده وابسته است و میانگین گیری از νσ بر روی همۀ سرعت های نسبی ممکن بدست میآید. شکل (2.1) آهنگ واکنشهای مختلف را بعنوان تابعی از دما نشان میدهد. توجه کنید که دما در واحد کلوین با ضرب در ثابت بولتزمن در واحد انرژی بیان شده است، که یک عمل عادی در این حوزه از فیزیک میباشد. شکل (2.1) نشان میدهد که واکنش دوتریوم-تریتیوم (DT) در تمام دماها بیشترین سهم را در انرژی حاصل دارد و بنابراین آسانترین شاخه واکنش است.
شکل 1-2- آهنگ واکنش برحسب تابعی از دما برای واکنشهای مختلف همجوشی با توزیع سرعت ماکسولی [15].
در چنین پلاسمای محدودی چه مقدار انرژی تولید میشود؟ انرژی تولید شده در واحد زمان به انرژی جنبشی، Q، محصولات واکنش بستگی داردبا آهنگ همجوشی، W ، که عبارت است از:
E=WτQ=n^2/4 〈νσ〉τQ (9-1)
که Q با واحد MeV داده میشود. هدف نهایی تحقیقات محصورسازی اینرسی (ICF) رآکتور مولد انرژی است. از این رو انرژی بدست آمده از فرآیند همجوشی باید بزرگتر از انرژی لازم برای گرم کردن پلاسما تا دمای لازم باشد. یا به عبارت دیگر، تنها انرژی زمانی بدست میآید که انرژی حاصل از شعله کشیدن پلاسمای D-T بزرگتر از انرژی جنبشی کل ذرات باشد. از آنجاییکه انرژی جنبشی هستهها و الکترونها E_kin=3nk_B T است، فقط زمانی که:
3nk_B T<n^2/4 〈νσ〉τQ (10-1)
باشد واکنش همجوشی واقعاً بیشتر از انرژی مورد نیاز برای تولید چنین پلاسمایی با دما و چگالی بالا آزاد میکند، این رابطه را به شکل زیر میتوان باز نویسی کرد:
nτ>(12k_B T)/〈νσ〉Q (11-1)
به این رابطه معیار لاوسن10 (1957) گفته میشود، که یکی از رابطههای بنیادی همجوشی محصور شده است. بعلاوه یکی از موضوعات محصورسازی این است که، ذرات باید انرژی جنبشی کافی برای وقوع تعداد کافی از واکنشهای همجوشی داشته باشند. این مقدار برای سوخت D-T دمایی در حدود 5 keV نیاز دارد. در واکنش D-T با انرژی Q=17.6 MeV و با دمای عملکرد رآکتور در حدود5-10 keV ، معیار لاوسن دارای مقدار:

شما می توانید تکه های دیگری از این مطلب را با جستجو در همین سایت بخوانید

nτ≈〖10〗^14 s.〖cm〗^3 (12-1)
است که n تعداد ذرات به ازاء هر cm^3 و τ زمان محصورسازی است.
همانطور که در بخش قبل متذکر شدیم، برای وقوع واکنشهای همجوشی به تعداد کافی. پلاسما باید مدت زمان کافی در کنار هم نگهداری شود. در اصل دو روش برای یک رآکتور پایدار همجوشی دنبال میشود_محصورسازی مغناطیسی (MCF) محصورسازی لختی (ICF) که هدف اجرای معیار لاوسن در این دو روش است. در MCF سعی بر محصورسازی پلاسما در چگالی پایین برای مدت زمان نسبتاً طولانی چندین ثانیه است. در حالی که در ICF دستیابی به چگالی خیلی بالا در زمان بسیار کوتاه مد نظر است. مقایسهای از این دو رهیافت را در زمانهای مختلف محصور سازی و چگالی های متفاوت در جدول (1-2) را می دهد.
جدول 1-2- پارامترهای محصورسازی در MCF و ICF [15].
ICFMCF〖10〗^26
〖10〗^(-11)
〖10〗^15〖10〗^14
10
〖10〗^15
Particle density (n_e⁄〖cm〗^(-3) )
Confinement time (τ⁄s)
Lawson criterion ((n_e τ)⁄(s〖cm〗^(-3) ))در اینجا توصیف کوتاهی از MCF ارائه میدهیم خوانندگان علاقه مند میتوانند به کتابهای تخصصی مربوطه مانند [18 و 19] مراجعه کنند.
1-2-همجوشی مغناطیسی
بعلت دمای زیاد مورد نیاز پلاسما، و از آنجاییکه تماس پلاسما با دیوارهها منجربه سرد شدن سریع آن میشود به سادگی نمیتوان آن را محصور نمود. همانطور که از اسمش پیداست MCF بر این حقیقت استوار است که پلاسما میتواند با بکارگیری میدان مغناطیسی مناسب محصور شود. این محصورسازی به این علت ممکن میشود که تمامی ذرات موجود در پلاسمای با دمای بالا بار دارند. میدان مغناطیسی ذرات باردار پلاسما را در یک مدار بسته در امتداد خطوط میدان به دام میاندازد. شکل (3-1) حرکت عمودی ذرات نسبت به خطوط میدان بسیار محدود است در حالی که در جهت طولی ذرات آزادانه حرکت میکنند. در این روش از تماس با دیوارهها به طور گستردهای جلوگیری میشود. چون ذرات باردار مسیرهای منحنی را طی میکنند. بنابراین یک شکل مناسب میدان مغناطیسی را میتوان یافت که ذرات را در مدار بسته وادار به حرکت کند و فرار آنها غیرممکن شود.
شکل1-3- حرکت حلزونی الکترون ها و یون ها در امتداد خطوط میدان [15].
عملی شدن یک مدار بسته با آسانترین روش توسط میدانهای مغناطیسی حلقهای شکل اجرا میشود. هرچند در چنین شکلی، قدرت میدان با شعاع کاهش مییابد، که به مؤلفۀ سرعت شعاعی و کشیده شدن ذره به بیرون میانجامد. برای نگه داشتن پلاسما برای مدت طولانی، خطوط میدان را باید به شیوهای چید که از ایجاد مؤلفۀ شعاعی میدان جلوگیری کند.
دستگاه مغناطیسی شامل یک فضای خلاء میباشد که مخلوطی از دوتریوم و تریتیوم به آن تزریق میشود. میدان مغناطیسی توسط عبور یک جریان الکتریکی از پیچههایی که دور یک چنبره بسته شدهاند تولید میشود. جریان پلاسما یک میدان مغناطیسی قطبی تولید میکند، دو میدان ترکیب میشوند تا میدانی مانند شکل (4-1) را ایجاد کند. این دستگاه توکاماک خوانده میشود که عملی ترین ساختار همجوشی به روش محصورسازی مغناطیسی میباشد. امکانات اصلی این نوع همجوشی در جدول (3-1) لیست شده است.
شکل1-4- شکل طرح وار ساختار میدان مغناطیسی در یک توکاماک [15].
دمای 108K ، برای فراهم نمودن شرایط همجوشی لازم است که پلاسمایی با فشار (5-10 bar) تولید شود که باید توسط میدان مغناطیسی بالانس شود. نسبت فشار پلاسما به فشار مغناطیسی، β_MCF=P_plasma/P_magnetic ، نباید زیاد کوچک باشد، زیرا تولید میدان مغناطیسی کافی یکی از چالشهای تکنیکی و به شدت هزینه بر است. هدف پژوهشهای اخیر یافتن شکلی است که β_MCF چند درصد شود.
جدول 3-1- مراکز تحقیقاتی مهمMCF [15].
MachineCountryMajor
Radius [m]Plasma
currentToroidal
FieldInput
powerStart
dateITERInternat.6.2155.373+2016JETEU2.967.03.5421983JT-60UJapan3.24.54.4401991TFTR USA2.52.75.6401982TORESFrance2.42.04.2221988T15Russia1.42.04.0–1989DIII-DUSA1.673.02.1221986ASDEX-UGermany1.671.43.5161991TEXTORGermany1.750.82.681994FT-UItaly0.921.27.5–1988TC-VCHINA0.671.21.434.51992
تا زمانیکه شعله کشی آغاز شود پلاسما باید به شدت از خارج گرم شود. سه مکانیزم برای گرم کردن استفاده میشود، گرم کردن اهمی، گرم کردن توسط امواج با فرکانس بالا، و به وسیله تزریق اشعه های ذرات خنثی.
طرح گرم کردن اهمی: برخورد ذرهها در پلاسما یک مقاومت پلاسما را بوجود میآورد، گرم کردن مطلوب از طریق این مقاومت وقتی که جریان از پلاسما عبور میکند بوجود میآید. اگرچه مقاومت پلاسما با افزایش دما کاهش مییابد و فقط میتوان از آن در مراحل ابتدائی گرم کردن از آن استفاده نمود. بعد از آن مکانیزم های دیگر گرم کردن باید بکار رود.

دسته بندی : پایان نامه

پاسخ دهید