2-9- روشهاي بررسي پلاسما37
2-10- فشار جنبشي و مغناطيسي پلاسما38
2-11- ديواره سيستم راکتورهاي همجوشي D-3He از طريق محصورسازي مغناطيسي39
2-12- بارگذاري ديواره راکتور42
2-13- اساس روش محصورسازي42
2-14- اتلاف انرژي پلاسما46
2-14-1-تابش ترمزي 46
2-14-2- تابش سيکلوتروني47
2-14-3- افت‌هاي انتقالي48
2-15- فيزيک واکنش‌هاي همجوشي48
2-16- آهنگ انجام واکنش49
2-17- واکنش پذيري50
2-17-1- واکنش پذيري واکنش‌هاي هستهاي (پارامتر سيگما-وي)50
2-17-2- واکنشپذيري باکي51
2-17-3- واکنشپذيري با معادله بوش-هال51
2-17-4- واکنشپذيري با معادله ماکسول52
2-18- فاکتور Q، زمان محصورسازي انرژي، توازن توان54
2-18-1- فاکتور Q54
2-18-2- زمان حبس انرژي55
2-18-3- توازن توان.55

در این سایت فقط تکه هایی از این مطلب 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

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

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

اینجا کلیک کنید

2-19- معيار لاوسون و زمان حبس انرژي56
2-20- معادلات اساسي دوتريوم و هليوم 360
2-21- موازنه انرژي. 60
2-22- سوختن پلاسماي دوتريوم و هليوم 361
فصل سوم:کنترل ناپايداري گرمايي در سوخت پلاسماي D-3He66
3-1- مشکل اساسي راکتورهاي همجوشي66
3-2- کنترل مغناطيسي67
3-3- کنترل جنبشي……………………………………………………………………………………………………………………………………………..68
3-4- کنترل مگنتو هيدروديناميکي(MHD)69
3-5- روشهاي استفاده از کنترل جنبشي70
3-6- اهداف کنترل74
3-7- طراحي کنترلر76
3-8- نتايج شبيه سازي78
3-9-کنترل خطي با استفاده از روش تعديل تزريق سوخت80
فصل چهارم: پارامترهاي موثر بر همجوشي پلاسماي D-3He در سيستم توکامک82
4-1- مقدمه82
4-2- نتايج براي حالت ناپايدار83
4-3- پايداري پلاسماي دوتريوم و هليوم 3 با استفاده از روش کنترلي تعديل ميزان تزريق94
فصل پنجم: نتيجه گيري وبحث101
***فهرست جداول***
جدول1-1- برخي از واکنش‌هاي همجوشي7
جدول1-2- انواع راکتورها برحسب روش محصور کردن پلاسما17
جدول2-1- نسل‌هاي مختلف سوخت‌هاي همجوشي 27
جدول 2-2- مقادير عددي پارامترهاي معادله باکي51
جدول2-3- مقادير ثوابت براي واکنش‌هاي همجوشي مختلف در معادلات بوش-هال52
جدول2-4- مقادير عددي C1 و C2 و C3 براي واکنش‌هاي D-T, D-D و D-3He54
جدول 3-1- پارامترهاي ITER90-HP 73
جدول 3-2- شرايط اوليه ي پلاسما 74
جدول 3-3- نقطه تعادل-نقطه احتراق 79
جدول 3-4- پارامترهاي کميت کنترل 81
***فهرست اشكال***
شکل 1-1- مراحل زنجيره‌ي پروتون – پروتون که در خورشيد اتفاق مي‌افتد6
شکل 1-2- انرژي پتانسيل بر حسب فاصله‏ي دو هسته‏ي باردار که با انرژي مرکز جرم به هم نزديک مي‏شوند.10
شکل 1-3- نمايي از کپسول هدف 12
شکل 1-4- مراحل همجوشي به روش محصورسازي لختي13
شکل1-5- راکتور آينه اي16
شکل 1-6- نمايي از دستگاه چنبرهاي پلاسما17
شکل 1-7- راکتور توکاماک ايتر19
شکل 1-8- سطح مقطع ايتر با پلاسماي بيضي19
شکل1-9- شماتيک هندسي راکتور استلاتور21
شکل2-1- واکنش پذيري انواع سوخت‌ها26
شکل2-2- روش‌هاي گرم کردن پلاسما36
شکل2-3: مدارهاي لارمور در يک ميدان مغناطيسي 44
شکل 2-4: نمايش ميدان مغناطيسي توروئيدي و پولوئيدي و تبديل چرخشي44
شکل 2-5: سوق‌گيري ذره، در ميدان‌هاي الکتريکي و مغناطيسي متعامد 45
شکل 2-6: حرکت مارپيچي الکترون‏ها و يون‏ها در امتداد خطوط مغناطيسي46
شکل2-7- آهنگ واکنش به صورت تابعي از دما براي واکنش‌هاي مختلف همجوشي با توزيع سرعت ماکسولي50
شکل2-8- معيار لاوسون n?E برحسب دما T(keV) براي پلاسماي D-3He و D-T با فرض محصورسازي کامل ذرات باردار محصولات عمل59
شکل4-1- مقايسه تغييرات پارامتر واکنشپذيري براي واکنش همجوشي D-T و D-3He براساس روش باکي83
شکل 4-2- چگالي پلاسماي دوتريوم و هليوم3 در حالت ناپايدار برحسب زمان براي دو نمونه همراه با ناخالصي (آرگون و بريليم) و حالت بدون ناخالصي86
شکل 4-3- دماي پلاسماي دوتريوم و هليوم3 در حالت ناپايدار بر حسب زمان براي دو نمونه همراه با ناخالصي (آرگون و بريليم) و حالت بدون ناخالصي88
شکل 4-4- نسبت چگالي ذرهي آلفا به چگالي الکترون در حالت ناپايدار بر حسب زمان براي دو نمونه همراه با ناخالصي و حالت بدون ناخالصي89
شکل 4-5- پارامتر ? پلاسماي دوتريوم و هليوم 3 برحسب زمان در حالت ناپايدار براي دو نمونه همراه با ناخالصي و حالت بدون ناخالصي90
شکل 4-6- توان تابشي پلاسماي دوتريوم و هليوم 3 در حالت ناپايدار برحسب زمان براي دو نمونه همراه با ناخالصي و بدون ناخالصي91
شکل 4-7- توان ذره آلفا در همجوشي پلاسماي دوتريوم و هليوم 3 در حالت ناپايداربر حسب زمان بدون ناخالصي و با ناخالصي92
شکل 4-8- توان اهمي پلاسماي دوتريوم و هليوم 3 در حالت ناپايدار برحسب زمان براي دو نمونه همراه با ناخالصي و حالت بدون ناخالصي93
شکل 4-9- توان خالص همجوشي پلاسماي دوتريوم و هليوم 3 در حالت ناپايدار برحسب زمان براي دو حالت بدون ناخالصي و با حضور ناخالصي94
شکل4-10- چگالي پلاسماي دوتريوم و هليوم 3 در حالت ناپايدار بر حسب زمان براي دو نمونه همراه با ناخالصي و حالت بدون ناخالصي95
شکل 4-11- دماي پلاسماي دوتريوم و هليوم3 در حالت پايدار بر حسب زمان براي دو نمونه همراه با ناخالصي (آرگون و بريليم) و حالت بدون ناخالصي95
شکل 4-12- نسبت چگالي ذرهي آلفا به چگالي الکترون در حالت پايدار بر حسب زمان براي دو نمونه همراه با ناخالصي و حالت بدون ناخالصي96
شکل 4-13-پارامتر پلاسماي دوتريوم و هليوم 3 در حالت پايدار بر حسب زمان براي دو نمونه همراه با ناخالصي و بدون ناخالصي97
شکل 4-14- توان تابشي پلاسماي دوتريوم و هليوم 3 در حالت پايدار برحسب زمان براي دو نمونه همراه با ناخالصي و بدون ناخالصي97
شکل 4-15- توان ذره آلفا در همجوشي پلاسماي دوتريوم و هليوم 3 در حالت پايداربر حسب زمان بدون ناخالصي و با ناخالصي98
شکل 4-16- توان اهمي پلاسماي دوتريوم هليوم 3 در حالت پايدار برحسب زمان براي دو نمونه همراه با ناخالصي و حالت بدون ناخالصي99
شکل 4-17- توان خالص همجوشي پلاسماي دوتريوم و هليوم 3 در حالت ناپايدار برحسب زمان براي دو حالت بدون ناخالصي و با حضور ناخالصي99
ليست علائم اختصاري
D-T Deuterium-tritiumD-3HeDeuterium-Helium3D-DDeuterium- DeuteriumT-TTritium- tritiumICFInertial confinement fusionH1ProtiumH2DeuteriumH3TritiumRWMResistive-Wall ModeRFPReversed field pinch NTMNeoclassical Tearing-ModeMHDMagnetohydrodynamicTFToroidal Field
مقدمه
مقدمه
يکي از مهمترين اهداف بشر در جهتگيري زمينههاي تحقيقاتي و پژوهشي، دستيابي به منابع جديد انرژي مي‌باشد. در اين راستا بشر تلاش کرده است تا با ساخت رآكتورهاي هستهاي، به منبعي از انرژي دست يابد كه بتواند مدت زمان بيشتري از آن، نسبت به سوخت‌هاي فسيلي استفاده كند. بطور کلي دو شيوه بنيادي، براي آزادسازي انرژي از يک اتم وجود دارد: شکافت هستهاي1 و همجوشي هسته‌اي2.
مزيت همجوشي هسته‌اي نسبت به شکافت هسته‌اي، فراواني بسيار زياد منابع سوختي آن (سوخت اصلي راکتورهاي همجوشي دوتريوم مي‌باشد که در آب درياها به وفور وجود دارد. توليد انرژي بالاتر نسبت به روش شکافت هسته‌اي به ازاي هر نوکلئون از ماده سوخت (به عنوان مثالي از انرژي توليدي در يک راکتور همجوشي مي‌توان گفت اگر يک گالن از آب دريا را که داراي مقدار کافي دوترون است در واکنش همجوشي استفاده کنيم معادل ??? گالن گازوئيل، انرژي بدون آلودگي توليد مي‌کند) [1]، عدم وجود معضل پسماندهاي هسته‌اي با طول عمر طولاني در روش همجوشي و در نهايت ايمن‌تر بودن راکتورهاي همجوشي در هنگام وقوع حوادث احتمالي است که سبب برتري آن بر شکافت هستهاي گرديده است. سوخت‌هاي متنوعي در فرايند همجوشي هستهاي قابل بکارگيري مي‌باشد. از آن جمله دوتريوم-تريتيوم(D-T) ، دوتريوم-هليوم 3 (D-3He)، دوتريوم-دوتريوم (D-D) و تريتيوم-تريتيوم (T-T) مي‌باشد. بيشتر تحقيقات انجام شده در فرايندهاي همجوشي بر روي سوخت D-T انجام شده است و علت عمده آن نيز بالا بودن سطح مقطع واکنش پذيري اين سوخت نسبت به ساير سوخت‌ها در بازه‌ي دمايي عملکردي راکتورها مي‌باشد. اين سوخت در کنار مزيت ذکر شده و ساير مزيت ها محدوديتهايي نيز دارد، نظير پرتوزايي زياد و گران بودن سوخت تريتيوم که جزو مواد اوليه اين واکنش‌ها است. از طرفي ديگر واکنش همجوشي D-3He از ميان ساير سوخت‌ها، به دليل بازدهي بالاتر، تبديل مستقيم انرژي و کاهش خطرات ناشي از تابش، هزينه تعمير و نگهداري پايينتر و… مورد توجه قرار گرفت[2-4]. که اين فرايند در راکتورهاي متفاوت با شرايط مختلفي قابل انجام است.
لذا با اين مقدمه از فرايند همجوشي هستهاي، در فصل اول به بيان روشهاي مختلف همجوشي هستهاي و سوخت‌هاي قابل استفاده مي‌پردازيم. در فصل دوم سينتيک فرايند همجوشي دوتريوم و هليوم 3 و پارامترهاي موثر بر همجوشي تشريح شده و به بررسي پارامترهاي موثر بر همجوشي پلاسماي دوتريوم و هليوم 3 به روش محصورسازي مغناطيسي پرداخته و فرايند با پارامتر مورد نظر شبيه سازي ميگردد. در فصل چهار برخي از روشهاي کنترل ناپايداري در راکتور بيان شده و در ادامه نتايج حاصل از شبيه سازي به کمک پارامترهاي ترموديناميکي مربوط به سوخت دوتريوم و هليوم 3 با نتايج بدست آمده در ساير مطالعات مقايسه مي‌شود.
فصل اول
همجوشي هستهاي
فصل اول-همجوشي هسته‌اي
واکنش‌هاي هسته‌اي 3
تبديلات خودبخودي يا مصنوعي بعضي از هسته‌ها به هسته ديگر که سبب تغيير ساختار هسته يا تغيير تعداد نوکلئونها (ذرات هسته‌اي) مي‌گردد، واکنش‌هاي هسته‌اي نام دارند. همجوشي هسته‌اي و شکافت هسته‌اي، دو روش اصلي انجام واکنش‌هاي هسته‌اي مي‌باشد.

شکافت هسته‌اي4
در واكنش شكافت، هسته‌ي سنگين يک عنصر راديو اکتيو مانند اورانيوم يا پلوتونيوم به دو يا چند هسته با جرم متوسط تجزيه مي‌شود. به طور مثال اورانيوم 235 مورد اصابت يك نوترون قرار مي‌گيرد و هسته فوق‌العاده ناپايداري تشكيل مي‌شود كه تقريبا بلافاصله مي‌شكافد و كريپتون و باريم و مقدار زيادي انرژي توليد مي‌شود. که ناشي از تبديل جرم ناپديد شده (با مقايسه ميان جرم سوخت‌هاي اوليه و محصولات واکنش) به انرژي است. اين انرژي حدود 5 دهه است كه مورد استفاده قرار گرفته است اينك اين نيرو همان اندازه از برق جهان را تامين مي‌كند كه 40 سال پيش بوسيله تمام منابع انرژي تأمين مي‌شد شكافت هسته‌اي مزاياي بسياري نسبت به سوخت‌هاي فسيلي دارد اما مسئله‌ي پسماندهاي آن كه حاوي مواد پرتوزا با طول عمر طولاني هستند از جمله مهم‌ترين مسائل خاص در مورد استفاده از شكافت هسته‌اي مي‌باشد. از سوي ديگر ذخاير اورانيوم جهان براي استفاده در راكتورهاي شكافت تنها در يك سده كفايت مي‌كنند.
موادي که انجام يک واکنش شکافت هسته‌اي را ممکن مي‌سازند عبارتند از: 239Pu ، 235U ، 238U ، و ايزوتوپ 233U ، 235U بطور مصنوعي در راکتورهاي هسته‌اي با تاباندن نوترون به 233Th بوجود مي‌آيد.

در اثر برخورد نوترون حرارتي به ايزوتوپ235U ، هسته اتم به 235U تحريک شده تبديل مي‌شود. اورانيوم تحريک شده بعد از شکافت، به باريم و کريپتون و سه نوترون تبديل مي‌گردد [5].
1n + 235U ? 236U ? 144Ba+89Kr + 3 1n
اما مسئله مهمتر اينکه هر نوترون‌ آزاد شده بر اثر شکافتن هسته 235U مي‌تواند دو هسته ديگر را شکافته و چهار نوترون را بوجود آورد. شکافت هسته‌اي و آزاد شدن نوترون‌ها بصورت زنجيروار به سرعت تکثير و توسعه مي‌يابد. در هر دوره تعداد نوترون‌ها دو برابر مي‌شود. در واکنش‌هاي کنترل شده تعداد شکافت در واحد زمان و نيز مقدار انرژي به تدريج افزايش يافته و پس از رسيدن به مقداري دلخواه ثابت نگه‌داشته مي‌شود. براي دستيابي به فرآيند شکافت کنترل شده و يا متوقف کردن يک سيستم شکافت پس از شروع، لازم است که موادي قابل دسترس باشند که بتوانند نوترون‌هاي اضافي را جذب کنند. مواد جاذب نوترون بر خلاف مواد ديگر مورد استفاده در محيط راکتور بايد سطح مقطع جذب بالايي نسبت به نوترون داشته باشند. مواد زيادي وجود دارند که سطح مقطع جذب آنها نسبت به نوترون بالاست. زماني که هسته اتمي 235U به دو قسمت شکافته مي‌شود توليد عناصر استرتيوم 90، کريپتون 91، ايتريوم 91، زيرکونيوم 95، 126I ، 137U ، باريم 142، سريم 144 امکان پذير هستند.

همجوشي هسته‌اي
واکنش‌هاي همجوشي هسته‌اي از نوع واکنش‌هايي است که در خورشيد و ستارگان صورت مي‌گيرد. اين واكنش عبارت است از تركيب (برخورد) هستههاي چهار اتم هيدروژن معمولي (شکل 1-1) که ضمن آزاد سازي مقدار زيادي انرژي ناشي از تبديل جرم به انرژي است (E=mc2)، يك هسته‌ي هليوم در دماهاي بسيار بالاي مرکز خورشيد و ستارگان توليد مي‌گردد [6].
در كره‌ي زمين، اين انرژي را مي‌توان به سه روش محصور سازي مغناطيسي، محصورسازي اينرسي يا لختي و محصور سازي از طريق کاتاليزور ميون، توليد كرد؛ كه البته همه در مرحله‌ي آزمايش قرار دارند. همجوشي هسته‌اي به دليل پرتوزايي کمتر و ايمني بيشتر و فراواني بيشتر سوخت اوليه براي انجام واکنش‌ها نسبت يه شکافت مورد توجه بيشتري قرار گرفته است. براي توليد انرژي در مقياس بزرگ، به تعداد زيادي از واکنش‌هايي که با هم رخ دهند، نياز است. دافعه‏ي کولني، مانع رخ دادن همجوشي هسته‏اي مي‏گردد. براي غلبه بر اين دافعه، به دما و چگالي بالايي مورد نياز است. در نتيجه سوخت بايد در حالت پلاسما باشد.در دماي به قدر کافي بالا، سرعت‏هاي حرارتي ذرات خيلي زياد خواهند شد. در اين صورت، ذرات اين فرصت را خواهند داشت که به اندازه‏ي کافي به هم نزديک شده، بر دافعه‏ي کولني چيره شوند وتوانايي پيوند داشته باشند. در طي اين فرايند انرژي بسيار زيادي آزاد ميگردد.
اگر چگالي پلاسما بيشتر از 1020 يون در هر سانتي‌متر مکعب باشد، آن گاه زمان محصورسازي مي‌تواند کوتاهتر باشد. اگر پلاسما خيلي فشرده شود، زمان محصورسازي، بي نهايت کوتاه و انرژي آزاد شده، فوقالعاده شديد است. در اين صورت با يک بمب سر و کار خواهيم داشت نه يک راکتور کنترل شده. بههمين دليل، با وجود آن که وظيفه محصورسازي مشکل ميگردد، چگالي پلاسما در حداقل نگه داشته مي‌شود.
بطور عملي هنوز محفظهاي وجود ندارد که بتواند پلاسما با دمايي در حدود چند صد ميليون درجه را محصور سازد. حتي محفظههايي که از فلزات مقاوم در دماهاي بالا ساخته شده باشند، تنها در دماهاي پايينتر از چند هزار درجه قابل استفاده خواهند بود. ستارگاني نظير خورشيد کره عظيم پلاسماي خود را از طريق جاذبه حفظ ميکنند. پلاسما از ذرات باردار تشکيل يافته است. اين ذرات نمي توانند خطوط ميدان مغناطيسي را قطع کنند، اما حول اين خطوط ميچرخند. اين نکته، خلاصهاي از مبناي فکري طرح محصورسازي پلاسما توسط خطوط ميدان مغناطيسي را تشکيل داده است.
در يک تعريف کلي فرايند جلوگيري از برخورد پلاسما با ديواره‌هاي مخزني که در آن جاي دارد، محصورسازي ناميده مي‌شود و همچنين زمان تقريبي براي اينکه يون‌ها توسط ميدان احاطه کننده به دام افتاده باقي بمانند، زمان محصورسازي ناميده مي‌شود.

شکل 1-1- مراحل زنجيره‌ي پروتون – پروتون که در خورشيد اتفاق مي‌افتد [7]
انتخاب سوخت مناسب
باتوجه به فرآيندهاي طبيعي و نتايج حاصل از آنها، مشخص شده است که واکنشهاي همجوشي بسياري وجود دارد. متغيرها براي واکنشهاي مختلف، هستههاي سوخت درگير، محصولهاي واکنش که خارج مي شوند، مقدار واکنش و بستگي احتمال انجام واکنش به خواص جنبشي واکنش دهندهها، مي باشند.
برهم کنش ايزوتوپهاي هيدروژني (دوتريم وهليوم 3) يکي از واکنش‌هاي مورد توجه در فرآيند همجوشي ميباشد. به دليل اين‌که ايزوتوپ هاي هيدروژن فقط يک بار الکتريکي دارند و انرژي حرارتي کمتري براي نزديک شدن به يکديگر نياز دارند، به عبارت ديگر در دماهاي پايين همجوشي ايزوتوپهاي هيدروژن اتفاق ميافتد. به علت عدد اتمي واحد ايزوتوپها، اين برهم کنش هيدروژني داراي قابليت نفوذ بسيار بالايي در سد کولني ميباشد. براي تعيين سوخت‌هاي همجوشي مناسب، بايد در دسترس بودن سوخت مورد نظر، شرايط نگهداري و سطح مقطع واکنش مورد نظر را در نظر گرفت. برخي از واکنش‌هاي گوناگون همجوشي، شامل واکنش‌هاي ذکر شده در جدول(1-1) مي‌باشد. در بيشتر واکنش‏هاي همجوشي، دو هسته‏ سبک با هم ترکيب و به هسته‏‏ سنگين‏تر تبديل مي‏شوند که رابطه‏ واکنش هسته‏اي آن‏ها به صورت زير است:

جدول1-1- برخي از واکنش‌هاي همجوشي [1]
سوختواکنش همجوشيشکل اختصاريبهره انرژي بر حسب ژولDTD+T?42He+10nT(d,n)4He2.8×10-12DDnD+D?32He+10nD(d,n)3He5.24×10-13TTT+T?42He+10n+10nT(t,2n)4He1.81×10-12DDpD+D?T+PD(d,P)T6.46×10-13D-3HeD+32He?42He+P3He(d,P)4He2.93×10-12P_6LiP+63Li?42He+32He6Li(p,x)3He6.44×10-13P_11BP+115B?3(42He)11B(p,2x)4He1.39×10-12
واکنش D-T داراي بيشترين سطح مقطع ميباشد، مقدار بيشينه سطح مقطع آن 5 بارن 5 برآورد شده است[8].
(1-1)
واکنش همجوشي قابل دسترس ديگر، در برگيرندهي هستهي دوتريم به عنوان سوخت است:
(1-2)
اين نمايش نشان ميدهد که واکنش D+Dاز طريق دو کانال واکنش متمايز، همجوشي ميکند که تقريبا با احتمالهاي برابر صورت ميگيرد. سطح مقطع براي هريک از آنها حدود 100 مرتبه کوچکتر از واکنشD-T است از اين دو واکنش در مييابيم که خواص واکنش D-T مطلوبتر از خواص واکنش D-D است [9].
همچنين ممکن است دوتريم، با محصولهاي واکنش تريتيوم و هليوم-3 همجوشي کند که افزون بر معادله‌ي (1-1)، داريم:
(1-3)
واکنش همجوشي ياد شده، در برگيرندهي دوتريم و همچنين هستههاي سبک داراي جرم بيشتري هستند. از مزاياي اين واکنش نسبت به D-D ميتوان به سوختي راديواکتيو نبودن و يک واکنش نوترونيک بودن اشاره کرد. به عبارت ديگر در مسير واکنش همجوشي هيچ نوتروني تابش نميکند، در نتيجه تابش نوترون به طور چشمگيري کاهش مييابد که ميتواند به معناي يک محافظ خيلي ارزان براي راکتور استفاده شود؛ زيرا تابشهاي نوتروني باعث تخريب ديواره راکتور ميشوند [10]. قلهي آهنگ واکنش برابر با58 است. اما توليد هليوم -3 بسيار سخت است، در حال حاضر ميتوان آن را محصولي از راکتورهاي شکافت6 دانست، زيرا تريتيوم توليد شده در راکتورهاي شکافت به طور طبيعي بعد از مدتي به هليوم 3 واپاشي ميکند.
اگر اين شکل ادامه يابد، براي واکنش هستهاي ، تعداد زيادي کانالهاي واکنش مشخص شده است:
(1-4)
واکنشهاي هستهاي که درگير هستههاي سبک، مانند پروتون، ميباشند ممکن است مطابق فرآيندهاي زير روي دهد [11]:
(1-5 الف)
(1-5 ب)
(1-5 ج)
و همچنين ديگر واکنشهاي مبتني بر و ، عبارتند از:
(1-6)
(1-7)
(1-8)
نمايش فيزيکي واکنشهاي همجوشي، تنها بررسيهاي لازم براي تعيين و گزينش آن، به عنوان سوخت راکتور همجوشي نيست بلکه بررسيهاي ديگري در برگيرندهي قابل دسترس بودن سوختهاي همجوشي، سختي در نگهداري و دانسيتهي ميزان واکنش کافي، نيز لازم ميباشد.
تاکيد بر ديگر نکات واکنشهاي همجوشي ياد شده، ضروري است. در هر حالت، کسرهاي مختلف از مقدار واکنش، در شکل انرژي جنبشي ذرات باردار و نوترونهاي خنثي باقي ميماند، در نتيجه ايدهي يک راکتور همجوشي پايه گذاري شده با بازده بالا؛ تبديل مستقيم انرژي ذرات باردار، به ويژه براي واکنشهايي که کسر بزرگتري از مقدار آنها در شکل انرژي جنبشي باردار باقي ميماند، مناسب به نظر ميرسد. اين نکته به طور ويژهاي مورد توجه است؛ چرا که نوترونهايي که به عنوان محصول واکنش همجوشي پديدار ميشوند، به گونهي تغيير ناپذيري به محصولات راديو اکتيو در مواد مهارکننده قلب همجوشي کمک ميکنند.
کميتي مهم در ارتباط با واکنش‌هاي هسته‌اي، سطح مقطع واکنش است که به صورت احتمال برهم‌کنش هر جفت از ذرات، تعريف مي‌شود. براي وقوع واکنش همجوشي، دو هسته‏ي باردار مثبت بايد با غلبه بر نيروي دافعه‏ي کولني، با هم برخورد کنند. تابع پتانسيل دافعه‏ي کولني به صورت زير است:
که Z1 , Z2، عدد اتمي هسته‌هاي برهم‌کنش کننده مي‌باشد.
نيروي دافعه‏ي کولني در فاصله‏ بيشتر از مجموع شعاع دو هسته برقرار است. شعاع دو هسته از رابطه‏ زير بدست مي‏آيد:

که A1,A2 اعداد جرميِ هسته‌هاي برهم‌کنش‏ کننده هستند.
شکل1-2 نشاندهنده انرژي پتانسيل برحسب فاصله‏ دو هسته‏ باردار مي‌باشد که با انرژي مرکز جرم به هم نزديک مي‏شوند و نشان‏دهنده‏ چاه هسته‏اي، سد کولني و نقطه‏ي بازگشتي کلاسيکي است.
شکل 1-2- انرژي پتانسيل بر حسب فاصله‏ي دو هسته‏ي باردار که با انرژي مرکز جرم به هم نزديک مي‏شوند [11].

در فاصله‏ي r <rn، دو هسته تحت تأثير نيروي جاذبه‏ي هسته‏اي قرار مي‏گيرند که با چاه پتانسيل به عمق، مشخص مي‌شود. با استفاده از معادلات مي‏توان ارتفاع سد پتانسيل را پيدا کرد:

بر طبق مکانيک کلاسيک، فقط هسته‌هايي با انرژي بيشتر از اين مقدار مي‏توانند بر سد کولني غلبه کرده و با هم برخورد کنند و هسته‌هايي با انرژي نسبي () کمتر از، مي‏‏توانند تا نقطه‏ي بازگشت کلاسيکي به هم نزديک شوند. ولي در مکانيک کوانتومي، واکنش همجوشي بين دو هسته با انرژي کمتر از سد کولني، نيز ممکن است؛ چون تونل‏زني از سد کولني مجاز است. پارامترهاي دخيل در برهم‌کنش بين پرتابه و هدف، سطح مقطع واکنش و واکنش‏پذيري هستند.

ايده‌هاي راکتور همجوشي
انواع روشهاي محصورسازي مورد استفاده در راکتورهاي همجوشي هسته‌اي، همجوشي از طريق محصورسازي اينرسي، همجوشي از طريق کاتاليزور ميون و محصورسازي از طريق محبوس کردن مغناطيسي مي‏باشند که هدف هر سه روش، برآورده ساختن معيار لاوسون مي‌باشد. محصورسازي لختي، فرايند نگهداري پلاسما را در چگالي‏هاي بالا و در زمان کوتاه انجام مي‏دهد و محصورسازي مغناطيسي، پلاسما را در چگالي‏هاي پايين، در زمان نسبتاً طولاني محصور مي‏سازد و روش کاتاليز ميون در دماهاي معمولي رخ مي‌دهد [12].
1-5-1- همجوشي هستهاي کنترل شده توسط لختي(ICF)7
زمان محصورسازي در محصورسازي لختي خيلي کوتاه است. در نتيجه براي داشتن نرخ واکنش همجوشي بيشتر، نيازمند چگالي بالاي پلاسما هستيم. در اين روش، سوخت با استفاده از نيروهاي قوي بيروني، بايد تا 1000 برابر چگال‌تر از حالت جامد فشرده شود.
کپسول با استفاده از پرتوهاي محرک که از اطراف سطح خارجي آن تابيده مي‌شود، متراکم مي‌گردد. در محصورسازي به روش لختي، از روش‌هاي مختلفي براي تراکم کپسول استفاده مي‌شود. در هر کدام از اين روش‌ها سعي بر آن است که نسبت انرژي خروجي به انرژي ورودي را بالا ببرند. نوع پرتوهاي محرک که براي تراکم کپسول استفاده مي‌شود، عامل اصلي بالا و پايين بردن بهره انرژي در ICF مي‌باشد. از پرتوهاي ليزرهاي پر توان پالسي، باريکه‌هايي از ذرات باردار نظير يون‌هاي سنگين، يون‌هاي سبک و باريکه‌هاي الکتروني براي متراکم نمودن کپسول‌ها مي‌توان استفاده کرد. اين پرتوهاي محرک که بصورت پالس‌هايي با توانW‌ 1014 تهيه مي‌شود، داراي بهره انتقال انرژي متفاوتي به کپسول هستند. پرتوهاي ليزري و باريکه‌هاي يون سنگين نسبت به ساير پرتوهاي محرک به علت بهره بالاتر جذب انرژي در کپسول‌ها مورد توجه بيشتري قرار گرفتند. در طراحي کپسول‌هاي سوخت هر دو روش پرتوهاي محرک ليزري و باريکه‌هاي يون سنگين مورد بررسي قرار گرفته است [13, 14].
انتخاب پرتوهاي يون سنگين به علت قابليت بالاي انتقال انرژي به کپسول، بالاي 25 درصد در مقايسه با باريکه‌هاي ليزري با بهره‌ي انرژي کمتر از 10 درصد روشي موثر به ‌شمار مي‌رود که به خاطر ناپايداري‌هايي که در اثر نايکنواختي و ناهمزماني باريکههاي يوني اتفاق مي‌افتد، اخيرا بصورت غير مستقيم مورد استفاده قرار مي‌گيرد. نور ليزر، ساده‌ترين و کم هزينه‌ترين روشي است که طراحان از آن براي تراکم کپسول استفاده مي کنند [13, 14].
شکل 1-3- نمايي از کپسول هدف [1]
کپسول هدف در اين روش، قرص کوچکي با شعاع کمتر از ، حاوي يک لايه‏ي کروي است که بطور مثال با گاز دوتريوم- تريتيوم بصورت متقارن و يکنواخت بصورت شکل 1-3 پر شده است. اين لايه، حاوي يک ماده با Z بالا در ناحيه‏ي خارج و DT در داخل است که توده‏ي سوخت را تشکيل مي‏دهد.
براي رسيدن به شرايط دما و چگالي بالاي مورد نياز براي همجوشي، بايد اين کپسول تا جايي که ممکن است به طور متقارن و با انرژي انفجاري خيلي زيادي تابش ببيند. انرژي مورد نياز، براي راه‏اندازي اين فرايند بسيار زياد است. براي گرمايش يک کپسول سوخت با قطر ، تا دماي، به اندازه‏ي انرژي مورد نياز است که اين انرژي مي‌تواند با نور شديد ليزر يا توسط پرتوهاي يوني تامين شود. اين مقدار انرژي بايد در چند پيکوثانيه به قسمت خارجي لايه‏ي هدف منتقل شود. به دليل انفجار انرژي روي قسمت خارجي لايه‏ي هدف، اين لايه‏ گرم شده بلافاصله يونيزه و تبخير مي‌شود. اين فرايند کندگي8 نام دارد. وقتي اين قسمت کنده مي‌شود، قسمت داخلي و سوخت به دليل بقاي اندازه‏ حرکت، به سمت داخل رانده مي‌شود (شکل1-4). در حين اين رانش، چگالي سوخت تا چند صد گرم بر سانتيمتر مکعب و دماي سوخت تا حد دماي احتراق براي همجوشي افزايش مي‌يابند. در نتيجه، احتراق رخ مي‏دهد و فشاري به سمت خارج ايجاد مي‌شود که بر موج انفجار به داخل غلبه کرده و منجر به انفجاري به خارج مي‌شود. بدين ترتيب چگالي و دماي مورد نظر بدست مي‏آيند [14].
شکل 1-4- مراحل همجوشي به روش محصورسازي لختي[14]
1-5-2- همجوشي هستهاي توسط کاتاليزور ميون(µCF) 9
روش ديگري براي رسيدن به انرژي همجوشي هسته‌اي در سال 1957 مطرح شد، که تحت عنوان همجوشي از طريق کاتاليزر ميون معروف است و يک فرآيند همجوشي گسترده و تجديد پذير است که در دماهاي معمولي رخ مي‌دهد. همانطور که گفته شد يکي از مهم‌ترين مسايل در فرآيند همجوشي، غلبه بر نيروي دافعه‌ي کلوني و ايجاد شرايطي که يون‌ها در محدوده‌ي نيروهاي جاذبه‌ي نيرومند هسته‌اي قرار گيرند، مي‌باشد. پيدايش ميون در مدار اتم هيدروژن، اثر کاهش دافعه‌ي نيروي کلوني دارد. ميون ذره‌اي بنيادي است که خواص آن مانند الکترون است، با اين تفاوت که جرم ميون تقريبا 207 برابر جرم الکترون است و ذره‌اي ناپايدار با زمان عمر µS2/2 مي‌باشد. پس از گذشت اين زمان ميون به يک الکترون e- و يک نوترينوي ميوني و به يک پادنوترينوي الکتروني واپاشي مي‌کند. بصورت دقيق در اوايل 1980مورد مطالعه قرار گرفت [12].
جرم زياد ميون نسبت به الکترون، به آن اجازه مي‌دهد که وارد مدار اتم هيدروژن با شعاع بوهر، 207 مرتبه کوچکتر از شعاع الکترون شود و اين باعث مي‌شود که اين اتم هيدروژن نسبت به ديگر اتم‌ها يا يون‌هاي هيدروژن، سنگين‌تر است. بنابر اين، اين هسته‌ي سنگين به دليل کاهش نيروي دافعه‌ي کلوني مي‌تواند با صرف انرژي کمتري به اتم‌ها و يون‌هاي ديگر هيدروژن، بسيار نزديک شود و هنگاميکه هيدروژن ميون‌دار و هيدروژن معمولي به اندازه‌اي به هم نزديک شوند که تغييرات توزيع بار را احساس کنند، به حدي رسيده‌اند که نيروهاي جاذبه‌ي هسته‌اي بين آن‌ها ايجاد شده است و پديده همجوشي را بوجود مي‌آورد بنابر اين يکي از روش‌هاي ايجاد همجوشي در دماي پايين استفاده از کاتاليزور ميون است.
ميون اولين بار توسط اندرسون10 وندرميير11 در سال 1937 كشف شد. از طرف ديگر هنگامي كه پاول12 ذره پايون را در سال 1947 كشف كرد، فرانك پيشنهاد كرد كه پايون‌هاي منفي مي‌توانند به كمك محصور سازي شيميايي، واكنشهاي همجوشي را كاتاليز نمايند [15]:
p? + d ? pd??3He + ?(1-9)
با وجود اينكه، احتمال جذب پايون توسط هسته بسيار بزرگ است، اما پايون زمان كافي براي تشكيل pd? را نخواهد داشت. يك سال بعد، ساخارف پيشنهاد همجوشي كاتاليزور ميوني را مطرح كرد [16].
به دليل اينكه تشكيل مولكول‌هاي ميون‌دار در اثر فرايندهاي برخوردي چند مرحله‌اي صورت مي‌گيرد، بازده همجوشي كاتاليزور ميوني، به شرايط ماكروسكوپي از قبيل دما، چگالي محيط و كسر غلظت‌هاي هيدروژن مايع و ضريب چسبندگي ميوني وابسته است و مي‌تواند به كمك تئوري سينتيكي كه اساس آن آهنگ‌هاي برخوردي ميكروسكوپي و سطح مقطع‌ها مي‌باشد بهينه گردد. در سال‌هاي اخير براي افزايش چرخه ميوني، مخلوط سه تايي H/D/T پيشنهاد شده، كه گزارشات و مقالات متناقضي در مورد افزايش يا كاهش ضريب تكثير ميوني گزارش شده است [17-19].

1-5-3- محصورسازي مغناطيسي (MCF) 13
در محصورسازي مغناطيسي از ميدان‌هاي مغناطيسي و الکترونيکي براي گرما دادن و فشردن پلاسماي هيدروژن در راکتور ITER استفاده ميشود [20].


پاسخی بگذارید