فهرست مطالب

مقدمه:………………………………………………………………………………….. 1

فصل اول- مبانی همجوشی هسته­اي

   تولید انرژی به همان روشی که در خورشید انجام مي­گيرد برای مدت های طولانی رؤیای بشر بوده است. از اوایل قرن بیستم، دانشمندان دريافتند 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 پشتيباني 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 يكي از راه حل­هاي بحران انرژي مطرح است. بخصوص به این دليل که مزیت های عدم آلودگي محیط زيست را در مقایسه با سوزاندن زغالسنگ و نفت یا رأكتورهاي شكافت هسته­اي را داراست.  همجوشی از این جهت که سوخت همجوشی قابل استخراج از آب دریاست، بسیار جذاب است، به طوريكه برای بیشتر کشورهاي در جهان بطور مستقیم قابل دسترسی می­باشد.  اگرچه پیشرفت های چشمگیری در علم همجوشی و تکنولوژی صورت گرفته، تا كنون 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 تعبيرات انرژي بستگی نهفته است. انیشتین نشان داد که جرم و انرژی توسط رابطه زیر با هم ارتباط دارند:

که  و  به ترتيب جرم پروتون و نوترون و  ،  ،  ،  و  ثوابتی هستند که توسط برون­يابي با انرژی­های بستگی تجربی بدست می­آیند،  جملۀ ذوجیت است. بنابراین انرژی بستگی   (در واحد  ) هسته­ اختلاف جرم اجزاء تشكيل دهندة هسته زمانيكه بسيار از يكديگر دورند، بصورت زير مي­باشد:

  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 داريم:

   شکل (1-1) انرژی بستگی متوسط تجربي را به بصورت تابعي از  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 توليد می­شود که به آزاد شدن انرژی می­انجامد.     فرآیندهای همجوشی زیادی بین عناصر سبك 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 تقريبا غيرممکن است. اما علي­رغم اين مشكل چگونه اين پديده به تولید چنین انرژی قدرتمندی در خورشید مي­انجامد؟ در پاسخ به اين سؤال مي­توان گفت كه به علت دما  (106K) و فشار بالا در مرکز خورشید، و وجود تعداد زیادي ذره، همچنین زمان به اندازه كافي 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  بدست می­آید. که همگی به شکل زیر خلاصه می­شوند:

     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 تبديل شده  باشد. اگر جرم ستاره کافی باشد، بوسیلۀ انقباض گرانشی[1] ستاره سرد شده و مقابله آن با تبهگني نوع ديگري از فرآيند همجوشي مي­تواند شروع می­شود[2]، و در دماي (108K) هليوم سوزي امكانپذير مي­گردد. همجوشی هلیم   موجب تولید  و نهایتاً محصول همجوشی  را ايجاد مي­كند. و اين پروسه مي­تواند تا توليدعناصر سنگين ادامه يابد. سؤالي كه پيش مي­آيد اين است كه چرا ما تولید انرژی را به همان روش خورشيد 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 اين عمل با گرم کردن مواد تا دماهای خیلی زیاد امكان­پذير است. این رهیافت در مورد همجوشی با عنوان “همجوشی گرماهسته­ای” شناخته شده است. انرژی نيز از طریق همجوشی کنترل شده در یک رآکتور همجوشی یا با روش غیر کنترلی در یک بمب گرماهسته­ای مي­تواند ظاهر شود. آزمايشات 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 خيلي بالای مورد نیاز براي انجام عمل همجوشی، سوخت در اين شرايط 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 مي­آورند و نیروی جاذبه کوتاه برد هسته­ای در این فاصله )فاصلۀ مؤثر (10-15m)( عمل مي­كند. در این شرايط هسته­ها می­توانند ترکیب شوند و مقدار عظیمي انرژی آزاد مي­شود. تحت این شرایط ماده بعلت انرژي جنبشي به شدت تمایل به پراکنده شدن به اطراف را دارد، بطوريكه با بعضی از روشها بايد 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 وسايلي است كه محدود سازی را در شرایط چگالی، فشار و دمای بالا بطور همزمان برای مدت زمان به اندازه کافی طولاني مي­سازد. با بالا رفتن دما و چگالی، محصورسازی پلاسما مشکل تر می­شود. اكنون به اين سؤال مي­رسيم كه كداميك از واكنشهاي همجوشي ممكن تحت شرايط آسانتر امكانپذير مي­گردند؟ حتی اگر انرژی ذرات کمی کمتر از مقدار مورد نیاز برای غلبه بر سد کولنی باشد، فرآیند همجوشی هنوز می­تواند توسط پديده تونل زنی كوانتمي رخ دهد. هرچند، اگر انرژی ذره به انرژي 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، ، باشد، که با استفاده از رابطه زير به دست مي­آيد:

شکل طرح وار ساختار میدان مغناطیسی در یک توکاماک

شکل طرح وار ساختار میدان مغناطیسی در یک توکاماک

1-2-همجوشي مغناطيسي……………………………………………………….. 15

-2-2-1 مراحل همجوشی به روش محصورسازی اينرسي…………………….. 22

-3-2-1وضعیت……………………………………………………………………….. 29

-3-1 شیوههای توصیف پلاسما…………………………………………………… 30

-1-3-1توصیف پلاسما به صورت مایع……………………………………………… 32

-2-3-1 معادلۀ حالت در تصویر شیمیای…………………………………………… 32

برای دانلود رایگان قسمت های بیشتراز فایل به انتهای مطلب مراجعه کنید

فصل دوم- نظرية اختلال.

نظريه اختلال شامل روشهاي رياضي است كه براي پيدا كردن راه حل تقريبي مسائل است، كه توسط راه حل­هاي دقيق حل نمي­شوند. در اين روش از راه حل دقيق نيز استفاده مي­كنيم. در ترموديناميك هنگاميكه بخواهيم برهمكنشهاي واقعي بين ذره­اي را بررسي كنيم، مسئلة استخراج خصوصيات ترموديناميكي سيستم مشكل مي­شود. به همين دليل در اواسط قرن بيستم نظريه­هاي اختلال مايعات ارائه شدند. در حالت مخلوط مايع استفاده از نظرية اختلال امكان بدست آوردن طرح نظري براي تعيين خصوصيات ترموديناميكي و ساختار واقعي­تري را ميسر مي­سازد.

-1-2نظریه اختلال مکانیک آماری

یک تابع پتانسیل اختیاری  را در نظر گرفته و پتانسل تغییر شکل یافتة  را به صورت  را توسط رابطه زیر معرفی می­کنیم:فرض می­کنیم که  به طور مؤثری برای  های کوچک به سمت بینهایت میل کند و مقدار  صفر شود (انتخاب  برای روند کار ما ضروری نیست اما در محاسبات به کار می­رود). پارامتر  ، تندی شیب پتانسیل تغییر شکل یافته را در ناحیة دافعه مشخص می­­کند، که به آن، پارامتر شیب معکوس[1] می­گویند و پارامتر  عمق چاه پتانسیل را در ناحیه جاذبه­ مشخص می­کند. هنگامي­ که  پتانسیل تعریف شده توسط معادله (1) تبدیل به پتانسیل كروي سخت (HS) با شعاع کروی سخت  می­شود. و به ازاء    پتانسیل اصلی اختیاری بکار برده شده مانند باكينگهام يا لنارد جونز بدست می­آید.    روش ما بر پایه بسط دوگانه سری تیلور انتگرال ساختاری[2] با متغیر   در نقاط   می­باشد، که به پتانسیل کروی سخت بكار رفته وابسته است. این بسط در موقعی که پتانسیل اولیه در  دارای شیب تند و در ناحیه   دارای شیب کم باشد، همگرایی مناسبی دارد. به طور دقیق­تر، مقدار  پتانسیل در    حتما نباید طوری باشد كه کوچک شود (البته در مقایسه با )، اما اثر آن در ساختار مایع در این نواحی بايد کم باشد. شرط اخیر بطور واضح حتی برای زمانی که پتانسیل در مقایسه با  بزرگ باشد برقرار می­ماند زیرا مایع کروی سخت (HS) ، حداقل در چگالی­های بالا در برابر تغییر در ساختار مقاومت زیادی از خود نشان می­دهد. این شرايط توسط نتایج دینامیک مولکولی آدلر[3] بر روی مایعات چگال با چاه پتانسیل مربعی نشان داده شده است، بطوريكه متوسط تابع توزیع شعاعی(RDF) برای نقاط داخل و خارج از چاه جاذبه از مقادیر کروی سخت آن به مقدار کمی تغییر می­کند، حتی در دماهای خیلی پایین این تغییرات محسوس نیست.    جهت تسهیل در دستیابی به مشتقات لازم از انتگرال ساختار،  ( پارامترهای   برای اختصار حذف شده­اند ) را به طور دقیق­تری با رابطه زیر معرفی می­کنیم:جواب انتگرال معادلة (PY[1]) برای مخلوط مایعات کروی سخت توسط لبویچ[2][40]  با استفاده از دو روش ویریال و تراکم­پذیری محاسبه شده است. کمی بعد، همین دانشمند [41] بیانی را برای مقادیر تماسی توابع توزیع یا توابع همبستگی جفتی[3]  ، برای ذرات  در مخلوط و معادلة حالت در زمینه SPT ارائه کرد. برای مایع خالص،  معادلة حالت بدست آمده از روش SPT با معادله­ای که از روش تراکم­پذیریPY  بدست آمد مطابقت داشت.چند سال بعد معادله حالت پیشرفته­تري تحت عنوان BMCSL، به طور مستقل توسط توماس بابلیک[4] [42] و غلامعلی منصوری [43]  ارائه شد. این دانشمندان از معادله SPT شروع کرده و تبدیلات ابتکاری را معرفی کردند که، برای مایع خالص، این رهیافت معادله SPT را به معادلات کاراناهان-اشتارلینگ[5] [44] بدل می­کرد. منصوری هم  توسط ترکیب معادلات ویریال PY و تراکم­پذیری به همان معادله برای مخلوط دست یافت. و هنگاميکه اين معادله برای مایع کروی سخت بکار برده شد، به معادلة CS تبدیل شد.شاید بعد از آن، علاقه به این نوع مخلوط ها کاهش یافته باشد، اما در سالهای اخیر میزان  تحقیقات اختصاص یافته به این موضوع  به طور قابل ملاحظه­ای افزایش یافته است. بخشی از تحقیقات اخیر به این قضیه اختصاص یافته است که آیا در سیستم به علت اختلاف زیاد در شعاع ذرات موجود جداشدن فازها یا ذرات اتفاق می­افتد یا نه، یا اینکه این افزایش به علت مطالعه حالت تعادل جامد-مایع می­باشد [45-47]. بقیه تلاشها بر روی راهی مطمئن جهت ارتقاء بیان معادلة BMCSL  برای مقادیر نقطه تماس توابع توزیع شعاعی متمرکز شده است [49 و48]. معادلات جدید حالت نیز برای مخلوط مایعات افزایشی کروی سخت ارائه شده­اند.

علت ادامه این تمایلات در این سالها به شرایط توافق برای خصوصیات ترمودینامیکی از این نوع مخلوطها، مربوط است. منظور ما از شرایط توافق هم شامل بیانهای مجانبی خصوصیات ترمودینامیکی یا ارتباطات دقیق بین خصوصیات مختلف ترمودینامیکی می­باشد. بعضی از این شرایط به مقادیر نقطه تماس تابع توزیع [41 و50]، یا به مشتقات تابع توزیع نسبت به شعاع یکی از ذرات برمی­گردد [51]. سایر شرایط مربوط به پتانسیل شیمیایی یا مشتقات آن نسبت به شعاع یکی از ذرات می­باشد [52].در این بخش روی شرایط توافق از نوع اول متمرکز می­شویم، یعنی آنهایی که مربوط به مقادیر نقطه تماس تابع توزیع شعاعی هستند.

طرحی از کپسول ICF در حالات مختلف

طرحی از کپسول ICF در حالات مختلف

-1-2نظریه اختلال مکانیک آماری………………………………………………….. 35

-2-2 مبنای مکانیک آماری تابع توزیع شعاعی………………………………….. 40

-3-2نظریه های تابع توزیع شعاعی (RDF) ………………………………………44

-4-2 آمارهای کوانتمی از مجموعه های تقریباً کلاسیک………………………. 45

-1-4-2 تبدیل مجموع حالات………………………………………………………. 47

-5-2 معادلة حالت برای مخلوط مایع افزایشی………………………………….. 53

1-5-2 – شرایط توافق مربوط به مقادیر نقطه تماس تابع توزیع شعاعی برای یک مخلوط دوتایی کروی سخت……………………………………………………………………………….. 54

-2-5-2 بیان تحلیلی برای مقادیر تماس تابع توزیع مربوط به مخلوط مایع کروی سخت…………………………………………………………………………………. 57

-3-5-2 بهبود تابع توزیع تماس و معادلة حالت با استفاده از شرایط توافق……. 59

فصل سوم- كاربرد معادله حالت و روشهاي محاسباتي

   اجزاء مخلوط   هر دو مولكول دو اتمي [1] می باشند. پیچیدگی­های برهمکنش ها و اشکال هندسی دیمرها، استفاده از مدلهای نظری برای تحقیق راجع به خصوصیات مخلوط دوتایی  را مشکل می­سازد. سیستمهای واقعی از مخلوط این دو دیمر دارای کاربردهای عملی بسیاری  هستند. در سالهای اخیر پیشرفت­های خوبی برای ترقی معادله حالت واقعی مایعات مخلوط جسم سخت مانند مایعات جسم سخت محدب [2]HB [58 و 57] انجام پذیرفته است.محدودیت اعمال شده بر معادله حالت، HB این است که آن سهم ناشی از برهمکنش­های بلند برد و اثرات کوانتمی که برای سیستمی مانند   مهم می­باشد را دخالت نمی­دهد. با احتساب جمله کوانتمی و سهم ناشی از برهمکنش بلند برد، عامل تراکم[3]   Z که به صورت زیر تعریف می­شود:

 چگالی و      ثابت بولتزمن توسط نظریه اختلال مرتبه اول مکانیک آماری به صورت زیر می­توانند نوشته شوند

که  عامل تراکم  HB مخلوط مایع است،  ناشی از برهمکنش بلند برد، و  تصحیح مرتبه اول کونتمی را شامل مي­شود،که در ناحیه دماهای پائین تغيیر قابل توجهی دارد. بیانی برای  بر مبنای نظریه SPT[4] توسعه یافته [58 و 57]. این را می­­توان در قالب معادله حالت مخلوط HS[5] از طریق پارامتر غیر کروی بصورت زير بیان كرد.

 عامل تراکم سیستم جمع پذیرHS   می­باشد. جمله تصحیحی،  ، در [59] به علت جمع ناپذیری سیستم است. با استفاده از  BMCSL[6] [37 و 36] تفسیر پیشرفته­ای از معادله حالت برای HS جمع پذیر پیشنهاد گرديد باریو و سولانا [60] از شرط توافق برای ترقی مقادیر تماسی PCF[7] استفاده کردند و یک جمله تصحیحی   به معادله حالت BMCSL اضافه نمودند.   با اين تصحیح به صورت زیر در می­آید:

 شكل (17-3)  سطحي سه بعدي از فشار بر حسب چگالي كاهش يافته و كسر مولي مي­باشد كه ما آن را با استفاده از پتانسيل باكينگهام و تابع توزيع ورتيم رسم نموديم. در اين شكل نيز متقارن بودن نمودار فشار بر حسب غلظت تريتيوم نشان داده شده است، كه تأكيدي بر شكل (13-3) مي­باشد. همچنين اين شكل افزايش فشار با افزايش چگالي را مشخص مي­كند. در نمودار شكل (18-3) فشار را با استفاده از پتانسيل باكينگهام و تابع توزيع ورتيم  و نظريه اختلال بر حسب تابعي از دما و چگالي كاهش يافته رسم نموديم. همانطور كه ملاحظه مي­شود با افزايش چگالي فشار افزايش مي­يابد اما محاسبات نشان مي­دهد كه تغييرات دما نسبت به چگالي بر روي فشار كمتر مي­باشد. در ادامه نمودار فشار كل برحسب كسر مولي تريتيوم در دماهاي مختلف و چگالي كاهش يافتة ثابت 1.1 محاسبه و در شكل  (19-3) نشان داده­ايم. شكل (20-3)  نمودار دوبعدي فشار كل برحسب كسر مولي تريتيوم در چگاليهاي كاهش يافته مختلف و دماي ثابت 300 درجة كلوين مي­باشد. شكلهاي  (19-3) و (20-3) در واقع به ترتيب صورت كانتوري شكلهاي (18-3) و  (17-3) مي­باشند. اين شكلهاي دو بعدي تأثير بيشتر چگالي بر فشار مخلوط را نمايان مي­سازد. شكلهاي فشار بر حسب غلظت مولي تريتيوم نشان مي­دهد كه در كسر مولي 0.5  فشار به مينيمم مقدار خود مي­رسد. افزيش غلظت تريتيوم قبل از اين مقدار منجربه كاهش فشار مي­شود اما با ادامه افزايش فشار نيز به شكلي متقارن افزايش مي­يابد.

- تعبير هندسي بعضي از پارامترهاي معرفي شده مربوط به شكل ذرات در مخلوط

– تعبير هندسي بعضي از پارامترهاي معرفي شده مربوط به شكل ذرات در مخلوط

3-1- معادله حالت  (EOS)……………………………………………………….. 62

3-2-انرژی آزاد هلمولتز مخلوط…………………………………………………… 66

3-3-پتانسیل برای سیستم برهمکنشی ……………………………………… 69

3-4-تابع توزیعHS.ا………………………………………………………………… 72

3-4-1-شعاع مؤثر  کروی  سخت………………………………………………. 75

3-5-محاسبات عددی…………………………………………………………….. 77

3-6-نتایج…………………………………………………………………………… 82

برای دانلود رایگان قسمت های بیشتراز فایل به انتهای مطلب مراجعه کنید

فصل چهارم-بحث و نتيجه گيري………………………………………………… 95

Abstract

 The fluid perturbation theory is a good choice for calculating the equation of state (EOS) of binary mixture at wide range of temperature and density. The constituent spices of mixture are considered to be interacting via a pair potential consisting of short range repulsion and a long rang attraction which has been included through a Buckingham exp-6. Deuterium and tritium are light elements. Therefore, the quantum effect is included via first order quantum correction in the frame work of Wigner-Kirkwood expansion. In this study we have used a radial distribution function wich leads to better results in high temperature and density. We have studied the effects of different values of density, temprature and tritium mole fraction on the properties of  –  fluid mixture based on statistical mechanical perturbation theory. Finally, the EOS of  –  fluid mixtures has been predicted over a wide range of temperature and density.



بلافاصله بعد از پرداخت به ایمیلی که در مرحله بعد وارد میکنید ارسال میشود.


فایل pdf غیر قابل ویرایش

قیمت25000تومان

خرید فایل word

قیمت35000تومان