مقدمه

یکی از مهمترین اهداف بشر در جهت­گیری زمینه­های تحقیقاتی و پژوهشی­، دستیابی به منابع جدید انرژی می‌باشد. در این راستا بشر تلاش کرده است تا با ساخت رآکتورهای هسته­ای، به منبعی از انرژی دست یابد که بتواند مدت زمان بیشتری  از آن، نسبت به سوخت‌های فسیلی استفاده کند. بطور کلی دو شیوه بنیادی، برای آزادسازی انرژی از یک اتم وجود دارد: شکافت هسته­ای[1] و همجوشی هسته‌ای[2].مزیت همجوشی هسته‌ای نسبت به شکافت هسته‌ای، فراوانی بسیار زیاد منابع سوختی آن (سوخت اصلی راکتورهای همجوشی دوتریوم می‌باشد که در آب دریاها به وفور وجود دارد. تولید انرژی بالاتر نسبت به روش شکافت هسته‌ای به ازای هر نوکلئون از ماده سوخت (به عنوان مثالی از انرژی تولیدی در یک راکتور همجوشی می‌توان گفت اگر یک گالن از آب دریا را که دارای مقدار کافی دوترون است در واکنش همجوشی استفاده کنیم معادل ۳۰۰ گالن گازوئیل، انرژی بدون آلودگی تولید می‌کند) [1]، عدم وجود معضل پسماندهای هسته‌ای با طول عمر طولانی در روش همجوشی و در نهایت ایمن‌تر بودن راکتورهای همجوشی در هنگام وقوع حوادث احتمالی است که سبب برتری آن بر شکافت هسته­ای گردیده است. سوخت‌های متنوعی در فرایند همجوشی هسته­ای قابل بکارگیری می‌باشد. از آن جمله دوتریوم-تریتیوم(D-T) ، دوتریوم-هلیوم 3 (D-3He)، دوتریوم-دوتریوم (D-D) و تریتیوم-تریتیوم (T-T) می‌باشد. بیشتر تحقیقات انجام شده در فرایندهای همجوشی بر روی سوخت D-T انجام شده است و علت عمده آن نیز بالا بودن سطح مقطع واکنش پذیری این سوخت نسبت به سایر سوخت‌ها در بازه‌ی دمایی عملکردی راکتورها می‌باشد. این سوخت در کنار مزیت ذکر شده و سایر مزیت ها محدودیت­هایی نیز دارد، نظیر پرتوزایی زیاد و گران بودن سوخت تریتیوم که جزو مواد اولیه این واکنش‌ها است. از طرفی دیگر واکنش همجوشی D-3He از میان سایر سوخت‌ها، به دلیل بازدهی بالاتر، تبدیل مستقیم انرژی و کاهش خطرات ناشی از تابش، هزینه تعمیر و نگهداری پایین­تر و… مورد توجه قرار گرفت[2-4]. که این فرایند در راکتورهای متفاوت با شرایط مختلفی قابل انجام است.

لذا با این مقدمه از فرایند همجوشی هسته­ای، در فصل اول به بیان روش­های مختلف همجوشی هسته­ای و سوخت‌های قابل استفاده می‌پردازیم. در فصل دوم سینتیک فرایند همجوشی دوتریوم و هلیوم 3 و پارامترهای موثر بر همجوشی تشریح شده و به بررسی پارامترهای موثر بر همجوشی پلاسمای دوتریوم و هلیوم 3 به روش محصورسازی مغناطیسی پرداخته و فرایند با پارامتر مورد نظر شبیه سازی می­گردد. در فصل چهار برخی از روشهای کنترل ناپایداری در راکتور بیان شده و در ادامه نتایج حاصل از شبیه سازی به کمک پارامترهای ترمودینامیکی مربوط به سوخت دوتریوم و هلیوم 3 با نتایج بدست آمده در سایر مطالعات مقایسه می‌شود.

فهرست مطالب

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

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

فصل اول-همجوشی هسته‌ای.

تبدیلات خودبخودی یا مصنوعی بعضی از هسته‌ها به هسته دیگر که سبب تغییر ساختار هسته یا تغییر تعداد نوکلئون­ها (ذرات هسته‌ای) می‌گردد، واکنش‌های هسته‌ای نام دارند. همجوشی هسته‌ای و شکافت هسته‌ای، دو روش اصلی انجام واکنش‌های هسته‌ای می‌باشد.

1-1- شکافت هسته‌ای[1]

در واکنش شکافت، هسته‌ی سنگین یک عنصر رادیو اکتیو مانند اورانیوم یا پلوتونیوم به دو یا چند هسته با جرم متوسط تجزیه می‌شود. به طور مثال اورانیوم 235 مورد اصابت یک نوترون قرار می‌گیرد و هسته فوق‌العاده ناپایداری تشکیل می‌شود که تقریبا بلافاصله می‌شکافد و کریپتون و باریم و مقدار زیادی انرژی تولید می‌شود. که ناشی از تبدیل جرم ناپدید شده (با مقایسه میان جرم سوخت‌های اولیه و محصولات واکنش) به انرژی است. این انرژی حدود 5 دهه است که مورد استفاده قرار گرفته است اینک این نیرو همان اندازه از برق جهان را تامین می‌کند که 40 سال پیش بوسیله تمام منابع انرژی تأمین می‌شد شکافت هسته‌ای مزایای بسیاری نسبت به سوخت‌های فسیلی دارد اما مسئله‌ی پسماندهای آن که حاوی مواد پرتوزا با طول عمر طولانی هستند از جمله مهم‌ترین مسائل خاص در مورد استفاده از شکافت هسته‌ای می‌باشد. از سوی دیگر ذخایر اورانیوم جهان برای استفاده در راکتورهای شکافت تنها در یک سده کفایت می‌کنند.

موادی که انجام یک واکنش شکافت هسته‌ای را ممکن می‌سازند عبارتند از: 239Pu ، 235U ، 238U ، و ایزوتوپ 233U ، 235U بطور مصنوعی در راکتورهای هسته‌ای با تاباندن نوترون به 233Th بوجود می‌آید.

در اثر برخورد نوترون حرارتی به ایزوتوپ235U ، هسته اتم به 235U تحریک شده تبدیل می‌شود. اورانیوم تحریک شده بعد از شکافت، به باریم و کریپتون و سه نوترون تبدیل می‌گردد [5].

1n + 235U → 236U → 144Ba+89Kr + 3 1n

اما مسئله مهم­تر اینکه هر نوترون‌ آزاد شده بر اثر شکافتن هسته 235U می‌تواند دو هسته دیگر را شکافته و چهار نوترون را بوجود آورد. شکافت هسته‌ای و آزاد شدن نوترون‌ها بصورت زنجیروار به سرعت تکثیر و توسعه می‌یابد. در هر دوره تعداد نوترون‌ها دو برابر می‌شود. در واکنش‌های کنترل شده تعداد شکافت در واحد زمان و نیز مقدار انرژی به تدریج افزایش یافته و پس از رسیدن به مقداری دلخواه ثابت نگه‌داشته می‌شود. برای دستیابی به فرآیند شکافت کنترل شده و یا متوقف کردن یک سیستم شکافت پس از شروع، لازم است که موادی قابل دسترس باشند که بتوانند نوترون‌های اضافی را جذب کنند. مواد جاذب نوترون بر خلاف مواد دیگر مورد استفاده در محیط راکتور باید سطح مقطع جذب بالایی نسبت به نوترون داشته باشند. مواد زیادی وجود دارند که سطح مقطع جذب آنها نسبت به نوترون بالاست. زمانی که هسته اتمی 235U به دو قسمت شکافته می‌شود تولید عناصر استرتیوم 90، کریپتون 91، ایتریوم 91، زیرکونیوم 95، 126I ، 137U ، باریم 142، سریم 144 امکان پذیر هستند.

1-2- همجوشی هسته‌ای

واکنش‌های همجوشی هسته‌ای از نوع واکنش‌هایی است که در خورشید و ستارگان صورت می‌گیرد. این واکنش عبارت است از ترکیب (برخورد) هسته­های چهار اتم هیدروژن معمولی (شکل 1-1) که ضمن آزاد سازی مقدار زیادی انرژی ناشی از تبدیل جرم به انرژی است (E=mc2)، یک هسته‌ی هلیوم در دماهای بسیار بالای مرکز خورشید و ستارگان تولید می‌گردد [6].در کره‌ی زمین، این انرژی را می‌توان به سه روش محصور سازی مغناطیسی، محصورسازی اینرسی یا لختی و محصور سازی از طریق کاتالیزور میون، تولید کرد؛ که البته همه در مرحله‌ی آزمایش قرار دارند. همجوشی هسته‌ای به دلیل پرتوزایی کمتر و ایمنی بیشتر و فراوانی بیشتر سوخت اولیه برای انجام واکنش‌ها نسبت یه شکافت مورد توجه بیشتری قرار گرفته است. برای تولید انرژی در مقیاس بزرگ، به تعداد زیادی از واکنش‌هایی که با هم رخ دهند، نیاز است. دافعه‏ی کولنی، مانع رخ دادن همجوشی هسته‏ای می‏گردد. برای غلبه بر این دافعه، به دما و چگالی بالایی مورد نیاز است. در نتیجه سوخت باید در حالت پلاسما باشد.در دمای به قدر کافی بالا، سرعت‏های حرارتی ذرات خیلی زیاد خواهند شد. در این صورت، ذرات این فرصت را خواهند داشت که به اندازه‏ی کافی به هم نزدیک شده، بر دافعه‏ی کولنی چیره شوند وتوانایی پیوند داشته باشند. در طی این فرایند انرژی بسیار زیادی آزاد می­گردد.اگر چگالی پلاسما بیشتر از ١٠20 یون در هر سانتی‌متر مکعب باشد، آن گاه زمان محصورسازی می‌تواند کوتاه­تر باشد. اگر پلاسما خیلی فشرده شود، زمان محصورسازی، بی نهایت کوتاه و انرژی آزاد شده، فوق­العاده شدید است. در این صورت با یک بمب سر و کار خواهیم داشت نه یک راکتور کنترل شده. به­همین دلیل، با وجود آن که وظیفه محصورسازی مشکل می­گردد، چگالی پلاسما در حداقل نگه داشته می‌شود. بطور عملی هنوز محفظه­ای وجود ندارد که بتواند پلاسما با دمایی در حدود چند صد میلیون درجه را محصور سازد. حتی محفظه­هایی که از فلزات مقاوم در دماهای بالا ساخته شده باشند، تنها در دماهای پایین­تر از چند هزار درجه قابل استفاده خواهند بود. ستارگانی نظیر خورشید کره عظیم پلاسمای خود را از طریق جاذبه حفظ می­کنند. پلاسما از ذرات باردار تشکیل یافته است. این ذرات نمی توانند خطوط میدان مغناطیسی را قطع کنند، اما حول این خطوط می­چرخند. این نکته، خلاصه­ای از مبنای فکری طرح محصورسازی پلاسما توسط خطوط میدان مغناطیسی را تشکیل داده است.در یک تعریف کلی فرایند جلوگیری از برخورد پلاسما با دیواره‌های مخزنی  که در آن جای دارد، محصورسازی نامیده می‌شود و همچنین زمان تقریبی برای اینکه یون‌ها توسط میدان احاطه کننده به دام افتاده باقی بمانند، زمان محصورسازی نامیده می‌شود.

1-3-  انتخاب سوخت مناسب

باتوجه به فرآیند­های طبیعی و نتایج حاصل از آن­ها، مشخص شده است که واکنش­های همجوشی بسیاری وجود دارد. متغیرها برای واکنش­های مختلف، هسته­های سوخت درگیر، محصول­های واکنش که خارج می شوند، مقدار  واکنش و بستگی احتمال انجام واکنش به خواص جنبشی واکنش دهنده­ها، می باشند.برهم کنش ایزوتوپ­های هیدروژنی (دوتریم وهلیوم 3) یکی از واکنش‌های مورد توجه در فرآیند همجوشی می­باشد. به دلیل این‌که ایزوتوپ های­ هیدروژن فقط یک بار الکتریکی دارند و انرژی حرارتی کمتری برای نزدیک شدن به یکدیگر نیاز دارند، به عبارت دیگر در دماهای پایین همجوشی ایزوتوپ­های هیدروژن اتفاق می­افتد. به علت عدد اتمی واحد ایزوتوپ­ها، این برهم کنش هیدروژنی دارای قابلیت نفوذ بسیار بالایی در سد کولنی می­باشد. برای تعیین سوخت‌های همجوشی مناسب، باید در دسترس بودن سوخت مورد نظر، شرایط نگهداری و سطح مقطع واکنش مورد نظر را در نظر گرفت. برخی از واکنش‌های گوناگون همجوشی، شامل واکنش‌های ذکر شده در جدول(1-1) می‌باشد. در بیشتر واکنش‏های همجوشی، دو هسته‏ سبک با هم ترکیب و به هسته‏‏ سنگین‏تر تبدیل می‏شوند که رابطه‏ واکنش هسته‏ای آن‏ها به صورت زیر است:

1-1- واکنش‌های هسته‌ای……………………………………………………………. 3

1-2- شکافت هسته‌ای………………………………………………………………… 3

1-3- همجوشی هسته‌ای…………………………………………………………….. 4

1-4- انتخاب سوخت مناسب…………………………………………………………… 6

1-5- یده‌های راکتور همجوشی………………………………………………………. 10

1-5-1- همجوشی هستهای کنترل شده توسط لختی(ICF)…………………….. 11

1-5-2- همجوشی هستهای توسط کاتالیزور میون(µCF)…………………………. 13

1-5-3-  محصورسازی مغناطیسی (MCF) ……………………………………………14

1-6- طبقه بندی انواع راکتور ها برحسب روش محصور کردن پلاسما……………… 16

1-6-1- راکتور توکامک……………………………………………………………………. 17

1-6-2- قسمتهای اصلی راکتور توکاماک ITER.ا…………………………………….. 18

1-6-3- راکتور  اسفرومک……………………………………………………………….. 20

1-6-4-  سایر راکتورهای محصورسازی مغناطیسی……………………………….. 20

فصل دوم: سینیتیک همجوشی پلاسمای دوتریومهلیوم 3.

مشکلات مربوط به پسمان همجوشی را می‌توان با انتخاب یک سوخت بهتر کاهش داد. کاندیداهای مختلفی برای سوخت‌های همجوشی وجود دارند که سوخت‌های پیشرفته نامیده می‌شوند و تعداد نوترون‌های تولید شده در آن ها نسبت به همجوشی D-T بسیار کمتر است و بنا براین مشکلات مربوط به رادیواکتیویته و ایمنی و زیست محیطی ندارند. به طور کلی، همجوشی غیر نوترونی به هر شکلی از همجوشی اطلاق می‌شود که در آن کمتر از یک در صد از انرژی آزاد شده توسط نوترون‌ها حمل شود، ولی شرایط لازم برای کنترل همجوشی غیر نوترونی بسیار دشوارتر از شرایط لازم برای چرخه سوخت متداول دوتریم-تریتیم است و هنوز به طور تجربی حاصل نشده است.

دلایل اصلی اهمیت مطالعه برای یافتن چرخه‌های سوخت پیشرفته عبارتند از [13, 14]:

  • حذف تریتیوم از چرخه سوخت به منظور ساده سازی چرخه سوخت (عدم نیاز به زایش تریتیوم) و افزایش ذخیره سوخت همجوشی (ذخیره لیتیم زمین مقدار کل تریتیمی را که قابل تولید با پوشش‌های زاینده هست محدود می‌کند.)
  • (حذف و یا کاهش فوق العاده) تولید نوترون در رآکتورهای همجوشی به منظور اجتناب از (یا تا حد ممکن کاهش دادن) فعالسازی اجزای راکتورها و تخریب ناشی از نوترون‌ها.

دو چرخه مهم سوخت پیشرفته p-11B و D-3He می‌باشد، چرخه سوخت  D-3He، تعداد خیلی کمتری نوترون نسبت به چرخه سوخت D-T تولید می‌کند و انرژی این نوترون‌ها نیز خیلی کمتر است، بنابراین، میزان تخریب مواد کاهش خواهد یافت. مطالعات نشان داده‌اند که چرخه سوخت D-3He  به میزان قابل توجهی مساله طول عمر اجزای راکتور را با کاهش تخریب نوترونی حل می‌کند در حالی که مشکل فعال سازی نوترونی و تولید پسماندهای مربوط به آن کماکان باقی می‌ماند. در این چرخه، تریتیم حذف شده است ولی ایزوتوپ نایاب هلیم 3 جایگزین آن شده است. بر روی زمین در حدود 400 کیلوگرم هلیم3 قابل حصول است که در حدود  GW-year 8 انرژی همجوشی بدست می‌دهد و مقادیر بیشتر از این باید یا از طریق واکنش‌هایی که شامل نوترون هستند، تهیه شود (که مزیت بالقوه همجوشی غیر نوترونی را از بین می‌برد) و یا اینکه از منابع ماورای زمین تهیه شود. بر روی سطح ماه در حدود 109 کیلوگرم هلیم3 وجود دارد که معادل هزار سال مصرف انرژی فعلی جهان است. همچنین، در اتمسفر سیارات عظیم گازی در حدود 1023 کیلوگرم هلیوم 3 وجود دارد که قادر است در حدود 1017 سال مصرف فعلی انرژی جهان را تولید کند، یعنی منابع هلیم 3 منظومه شمسی عملا پایان ناپذیرند [26].ولی استخراج هلیم 3 از این منابع و انتقال آن به زمین بسیار دشوار و پرهزینه خواهد بود و تنها در آینده‌های دور می‌توان به آن اندیشید [2].چرخه سوخت D-3He نسبت به D-T برای احتراق، نیازمند شرایط محصورسازی بالاتری nτET=2.4×1023keV.s/m3) ) است و در فشار پلاسمای یکسان، چگالی توان همجوشی کمتری نسبت به همجوشی D-T بدست خواهد داد. همچنین گرچه واکنش اصلی 3He(D,p)αرا می‌توان غیر نوترونی دانست ولی تولید نوترون از طریق واکنش جانبی D(D,n)3He و واکنش ثانویه D(T,n)α اجتناب ناپذیر است.واکنش همجوشی 11B-p ایمن‌ترین و بهترین واکنش هسته‌ای هست که وجود دارد، 11B به فراوانی در آب دریا و منابع دیگر یافت می‌شود و 80 درصد بور موجود بر روی زمین را شامل می‌شود و هیدروژن هم که فراوان ترین عنصر در عالم هستی است. بنابراین، مشکلی از نظر محدودیت منابع سوخت وجود ندارد. حاصل واکنش آن‌ها نیز گاز بی اثر هلیم است و هیچ نوترونی تولید نخواهد شد [27, 28].برای بهره برداری عملی از همجوشی، انرژی حاصل از همجوشی باید بیش از انرژی لازم برای گرمایش پلاسما باشد، بدین منظورشروط متعددی باید برآورده شوند که مهمترین آنها، دستیابی به مقادیر مناسب برای حاصل ضرب nτ و حاصل ضرب nTτ است که مجموع اینها معیار لاوسون نامیده می‌شود. یعنی باید پلاسما را با چگالی مناسب تا دمای مناسبی گرم کرد و این پلاسمای داغ و چگال را به مدت کافی محصور نمود [29].مقدار عدد به دست آمده در معیار لاوسون برای سوخت دوتریم  تریتیم ازسال 1969 تا سال 2000 حدود 500 هزار برابر افزایش یافته است. سوخت‌های جدید مورد نظر هنوز نیاز به یک تا دو مرتبه افزایش در بزرگی دارند. بررسی‌های نظری نشان داده‌اند که این کار شدنی است [30].

1-1- خواص دوتریوم

دوتریوم همان عنصر هیدروژن است که علاوه بر یک پروتون یک نوترون نیز درون هسته آن وجود دارد. اگرمولکول آب توسط دوتریوم تشکیل شود به آن آب سنگین[1] ( ) می‌گویند. در هر لیتر از آب دریا (۳۵) گرم دوتریوم وجود دارد. دوتریوم یکی از پایه‌های لازم برای همجوشی هسته‌ای است. در آب در کنار هر ۷۰۰۰ اتم هیدروژن ۱ اتم دوتریوم موجود است که جدا کردن آن با توجه به نزدیکی خواص آب سنگین و آب سبک بسیار سخت است. این دوتریوم­ها باید تغلیظ و انبار شوند تا ابتدا به آب سنگین ۱۵٪ و سپس به آب ۹۹٪ تبدیل شود، جدا سازی آب سنگین از آب سبک بسیار سنگین ، پیچیده و سخت است. به دلیل آنکه گرمای تبخیر آب سنگین بشتر از آب معمولی می‌باشد، از آن در نیروگاه­های اتمی جهت خنک کردن راکتورها استفاده می­کنند.دوتریوم را می توان به آسانی از آب استخراج کرد. هیدروژن موجود در زمین شامل دوتریوم به نسبت جرمی 1:5000 است. یک تریلی پر از دوتریوم انرژی معادل 2 میلیون تن زغال سنگ یا 1.3میلیون تن نفت (10میلیون بشکه)، یا 30 تن اکسید اورانیوم، آزاد خواهد کرد.دوتریوم در واکنش‌های همجوشی زیر با آهنگ واکنش[2] مساوی شرکت می­کنند:

1-2- خواص هلیوم 3

هلیوم 3 یکی از ایزوتوپ‌های غیر پرتوزای عنصر گازی هلیوم است که دارای ۲ پروتون و یک نوترون است. از این ماده به عنوان سوخت در تحقیقات مربوط به راکتورهای هسته‌ای، استفاده می‌شود. در زمین به ندرت یافت می‌شود و عموما در لایه‌های فوقانی سنگی کره ماه که طی بیش از میلیاردها سال توسط بادهای خورشیدی ایجاد شده است، به فراوانی موجود است. هلیون هسته اتم هلیوم 3 حاوی دو پروتون و تنها یک نوترون می‌باشد. این در حالی است که هلیوم معمولی حاوی دو نوترون می‌باشد. وجود فرضی آن اولین بار در 1934 پیشنهاد شد [31].بخاطر جرم اتمی پایین‌ترش نسبت به هلیوم4 دارای خصوصیات فیزیکی متفاوتی نسبت به آن است. به سبب تعامل ضعیف ناشی از پیوندهای دو قطبی-دو قطبی بین اتم‌های هلیوم، خواص فیزیکی ماکروسکوپی آن عمدتا توسط نقطه صفر انرژی آن (انرژی جنبشی حداقل) تعیین می‌شود. همچنین خواص میکروسکوپی هلیوم 3 سبب می‌شود که نقطه صفر انرژی آن بالاتر از هلیوم 4 باشد. این نشان می‌دهد که هلیوم3 می‌تواند بر تعامل دو قطبی-دو قطبی با انرژی حرارتی کمتری نسبت به هلیوم-4، غلبه کند.

هلیوم 3 می‌تواند توسط یکی از دو واکنش زیر در واکنش‌های همجوشی شرکت کند:

2D + 3He →   4He +  1p + 18.3 MeV(2-3)

3He + 3He → 4He   + 2 1p+ 12.86 MeV(2-4)

که هدف در این مطالعه استفاده از دوتریوم و هلیوم 3 می‌باشد. سرعت‌های واکنش با دما متغیر است اما سرعت واکنش D-3He هرگز بالاتر از 56/3 برابر سرعت واکنش D-D نمی‌باشد. شکل 2-1 بیانگر حالت مقایسه‌ای بین انواع سوخت‌هاست.

مراحل همجوشی به روش محصورسازی لختی

مراحل همجوشی به روش محصورسازی لختی

1-2- سوخت‌های جدید و خواص آنها………………………………………………… 22

2-2- خواص دوتریوم……………………………………………………………………. 24

2-3- خواص هلیوم 3. …………………………………………………………………. 25

2-4- پلاسما حالت چهارم ماده……………………………………………………….. 29

2-5- روشهای تولید پلاسما………………………………………………………….. 30

2-6- پارامترهای بنیادی پلاسما ……………………………………………………….31

2-6-1- فرکانسها در پلاسما…………………………………………………………… 31

2-6-2- سرعتها در پلاسما……………………………………………………………… 32

2-7- گرم کردن پلاسما………………………………………………………………… 33

2-7-1- گرمایش مقاومتی………………………………………………………………. 33

2-7-2- گرمایش از طریق فشرده سازی……………………………………………….. 35

2-7-3- گرمایش توسط تاثیر میدان‌های الکترومغناطیسی…………………………… 35

2-7-4- گرمایش توسط تزریق پرتو خنثی……………………………………………….. 36

2-8- گرمای همجوشی ذرات باردار. ……………………………………………………36

2-9- روشهای بررسی پلاسما………………………………………………………….. 37

2-10- فشار جنبشی و مغناطیسی پلاسما………………………………………….. 38

2-11- دیواره سیستم راکتورهای همجوشی D-3He از طریق محصورسازی مغناطیسی.. 39

2-18-3- توازن توان…………………………………………………………………………. 55

2-19- معیار لاوسون و زمان حبس انرژی………………………………………………… 56

2-20- معادلات اساسی دوتریوم و هلیوم 3……………………………………………… 60

2-21- موازنه انرژی………………………………………………………………………..   60

2-22- سوختن پلاسمای دوتریوم و هلیوم 3…………………………………………….. 61

فصل سوم:کنترل ناپایداری گرمایی در سوخت پلاسمای D-3He.

همانطور که گفته شد، واکنش همجوشی هسته­ای دارای مزیت­های زیادی نسبت به واکنش شکافت هسته­ای می‌باشد. با این حال، مشکل اساسی رسیدن به شرایط احتراق جهت ایجاد همجوشی هسته­ای و ترکیب هسته‌های سبک، غلبه بر نیروی الکترواستاتیکی بین آنها می‌باشد. بهترین روش پیشنهادی در راستای تامین انرژی مورد نیاز برای غلبه بر این دافعه­ الکترواستاتیکی، گرم کردن سوخت تا دمایی است که در آن سرعت گرمایی هسته­ها به میزان لازم برای تولید واکنش‌های همجوشی برسد. همجوشی هسته­ای با این روش، همجوشی گرماهسته­ای نام دارد. چنین دمایی حدود keV10 است که در این دما سوخت کاملا یونیزه می‌شود.کنترل مقدار دانسیته و دمای پلاسما و همچنین تغییرات آنها از اساسی­ترین مشکلات راکتورهای همجوشی است. متاسفانه حالت اقتصادی راکتورهای همجوشی اغلب نیاز به راکتوری برای کار در شرایطی دارد که سرعت واکنش گرما هسته­ای با افزایش دمای پلاسما، افزایش می‌یابد. در این مناطق ناپایدار حرارتی یک سیستم کنترل فعال برای ایجاد ثبات در واکنش گرماهسته‌ای نیاز است. در مطالعات  موجود از روش‌های مختلف کنترل بر مبنای مدل‌های خطی و غیر خطی استفاده شده است. در این فصل یک مدل غیر خطی صفر بعدی شامل معادلات تقریبی بقای انرژی و دانسیته گونه‌ها و یک روش کنترل خطی مورد بررسی قرار گرفته است تا در یک راکتور همجوشی، با ایجاد بازخورد باعث ایجاد پایداری در شرایط سوخت شود.

در حالت رقابت تجاری، راکتور همجوشی نیاز به سوختن طولانی مدت در حالت پایدار سوختن پلاسما در نقاط عملکردی‌ای دارد که توسط مقدار بالای Q تعیین مشخصه می‌شود. (Q نسبت توان همجوشی به توان کمکی است.) کنترل سوختن فعال اغلب نیاز به نگهداری شرایط پلاسما، نزدیک به نقطه احتراق و یا در شرایط احتراق دارد (Paux=0 و در نتیجه Q=∞). اگرچه برای بیشتر روش‌های محصور سازی نقاط عملکردی وجود دارد که ذاتا پایدار هستند، اما این نقاط اغلب در مناطقی با دمای بالا و دانسیته‌ی پایین وجود دارند که متاسفانه، محدودیت‌های تکنولوژیکی و اقتصادی، این نقاط عملکردی را غیر جذاب کرده است و نیاز به این است که راکتور همجوشی در مناطق با دمای پایین و دانسیته بالا کار کند. جایی که واکنش گرما هسته‌ای ذاتا ناپایدار حرارتی است. در این مناطق ناپایدار حرارتی، افزایش کوچکی در دما منجر به افزایش توان و در نتیجه افزایش گردش حرارتی می‌گردد. این گردش حرارتی به نقطه عملکردی غیر اقتصادی پایدار یعنی نقاطی در دمای بالاتر و دانسیته‌ی پایین‌تر می‌رسد، پلاسما می‌تواند قبل از رسیدن به این نقطه پایدار منجر به انحراف مرزهای دانسیته و فاکتور بتا شود. از سوی دیگر کاهش کوچکی در دما منجر به کاهش توان و خنک شدن سریع پلاسما می‌شود. حتی در طول خنک شدن به بی‌ثباتی‌هایی می‌توان رسید که باعث آسیب دیواره شود.در حال حاضر، روش­های تجربی همجوشی به نقطه­ای رسیده است که در آن دستگاه­های آزمایشی قادر به تولید مقدار زیادی انرژی صرف گرم کردن پلاسما، و طرح بلند مدت برای توسعه­ی انرژی همجوشی شده­اند. گام بعدی در این طرح، ساخت و بهره برداری از راکتورهای تجربی گرماهسته­ای ((ITER می­باشد. دستگاه برنامه ریزی شده­ی ITER از کشف توکامک پیشرفته­ی ([1](AT، از حالت عملیاتی مانند فشار بالای پلاسما، زمان محصورسازی طولانی و سطح پایینی از جریان القایی پلاسما که اجازه می­دهد به صورت پایدار عمل کند، مشخص می­شود. این حالت­های پیشرفته به شدت وابسته به فعالیت کنترل برای توسعه و پایداری پلاسما با کارایی بالا همراه با چگالی مناسب، دما و زمان محصورسازی پلاسما برای پایداری واکنش­های همجوشی در مدت زمان طولانی می­باشد. کنترل پلاسما جهت جلوگیری از این ناپایداری­ها، نه تنها برای نگهداری پلاسما در مدت زمان طولانی تحت شرایط مناسب سوخت موثر است بلکه برای جلوگیری از تخریب پلاسما نیز ضروری خواهد بود. مسئله کنترل در توکامک را می­توان به سه بخش مجزا از هم تقسیم بندی کرد.

3-1-    کنترل مغناطیسی

کنترل مغناطیسی به کنترل توسط تغییر در میدان‌های مغناطیسی و الکتریکی گفته می‌شود که با تغییر موقعیت، شکل و جریان پلاسما باعث از بین رفتن ناپایداری و ایجاد پایداری می‌شود. این کار توسط کویل­های پولوئیدی توزیع شده اطراف محفظه­ای که حاوی پلاسماست، انجام می­پذیرد. ولتاژی به این کویل ها اعمال می‌شود، که با راه اندازی جریان، موجب بوجود آوردن میدان مغناطیسی می‌شود. میدان‌های مغناطیسی توسط کنترل بازخورد[2] پیشنهادی تنظیم می‌شود و جریان پلاسمای القایی، شکل پلاسما را تغییر داده و موجب پایداری در پلاسمای ناپایدار می‌شود کنترل بازخورد در واقع اندازه­گیری متغیرهای خروجی و استفاده از این متغیرهای اندازه­گیری شده برای برای اصلاح متغیرهای ورودی سیستم می‌باشد. برای مثال، در یک سیستم سرمایشی، یک سنسور که در واقع یک دماسنج است، دمای اتاق را اندازه می‌گیرد تا سیستم از دما مطلع شود و از کاهش و افزایش بیش از حد دما جلوگیری کند. با استفاده از سیستم دارای بازخورد می­توان بسیاری از فرآیندهای صنعتی را به طور خودکار کنترل کرد [1, 60].

راکتور توکاماک ایتر

راکتور توکاماک ایتر

 

3-1- مشکل اساسی راکتورهای همجوشی…………………………………………….. 66

3-2- کنترل مغناطیسی……………………………………………………………………… 67

3-3- کنترل جنبشی…………………………………………………………………………..68

3-4- کنترل مگنتو هیدرودینامیکی(MHD)…………………………………………………. 69

3-5- روشهای استفاده از کنترل جنبشی………………………………………………… 70

3-6- اهداف کنترل……………………………………………………………………………. 74

3-7- طراحی کنترلر……………………………………………………………………………. 76

3-8- نتایج شبیه سازی………………………………………………………………………. 78

3-9-کنترل خطی با استفاده از روش تعدیل تزریق سوخت………………………………. 80

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

فصل چهارم: پارامترهای موثر بر همجوشی پلاسمای D-3He در سیستم توکامک.

شرایطی که پلاسما بتواند انرژی مورد نیاز همجوشی را تامین کند، شرایط احتراق پلاسما نام دارد. به منظور آنکه راکتور همجوشی از لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه باشد، باید سوخت پلاسما، در مدت طولانی در حالت پایدار و در نقاط عملی که توسطQ  مشخص می‌شود، باقی بماند؛ که Q نسبت توان همجوشی به توان کمکی می‌باشد. اگر این نقاط عملی در دمای پایین طراحی شده باشند دارای ویژگی ناپایداری ذاتی خواهند بود، به این معنا که هر اختلال کوچک وارد شده به سیستم، آن را از نقاط عمل دور کرده و به نقاط تعادل جدیدی می­برد. در نتیجه­ی آن، در این نقاط، با افزایش دما، انرژی تولید شده توسط همجوشی بر انرژی از دست داده غلبه خواهد کرد و راکتور در مناطقی با دمای بالا و چگالی پایین قرار می گیرد، که این ویژگی، آن­ها را از لحاظ اقتصادی و تکنولوژیکی نامطلوب می­سازد. کاهش ناچیز در دمای پلاسما، سیستم را به نقطه­ی تعادلی جدید برده و موجب از دست دادن توان گرمایش پلاسما و در نتیجه منجر به خاموشی و یا سرد شدن راکتور می‌شود. در هر صورت ناپایداری راکتورهای همجوشی موجب تخریب پلاسما و توقف عملیاتی آن و نیز تخریب دیواره می­گردد.

یکی از مسائل مهم در راکتورهای همجوشی تجربی آینده، وجود ناپایداری گرمایی ذاتی در راکتورهای گرما هسته­ای مانند توکامک می‌باشد. درفصل، سعی بر آن است همجوشی مغناطیسی پلاسمای دوتریوم و هلیوم3 را در راکتور ITER-90HP مورد برسی قرار داده و با حل معادلات توازن انرژی حاکم بر همجوشی این دو ماده به روش خطی و در حضور ناخالصی­های آرگون و برلیوم و حالت بدون ناخالصی، تغییرات برخی از پارامتر های حاکم بر پلاسما را نسبت به زمان بدست آورده و ناپایداری ذاتی مشاهده شده در پلاسما را با استفاده از روش کنترل تزریق میزان سوخت، با اختلال 20 در دمای اولیه، پلاسمارا به پایداری رسانده و نمودارهای مربوط به تغییرات برخی از پارامترهای پلاسما از قبیل توان همجوشی ، زمان حبس انرژی ، چگالی ne و دمای پلاسما  Tو غیره را برحسب زمان، مورد بررسی قرار می‌دهیم.

4-2- نتایج برای حالت ناپایدار

با توجه به اهمیت پارامتر سیگماوی که فاکتور اصلی در تعیین میزان واکنش‌پذیری می‌باشد و با توجه به وابستگی این پارامتر به دما، پیش از برسی تغییرات زمانی پارامترهای ذکر شده، براساس مطالعات انجام شده به بررسی تغییرات دمایی برخی از این پارامترها می‌پردازیم البته در حالتی که با تزریق میزان سوخت، پلاسما در حالت پایدار باقی بماند. در ادامه براساس تغییر پارامتر دما با زمان به بررسی تغییرات زمانی این پارامترها می‌پردازیم. با توجه به معادلات ارائه شده در فصل دوم برای پارامتر واکنش­پذیری (سیگما-وی) بر اساس روش باکی (2-54) و با استفاده از ثوابت ارائه شده جدول 2-2، تغییرات آن بر حسب دما (keV) برای واکنش همجوشی D-T و D-3He بصورت شکل 4-1 بدست آمده است.

نمایی از دستگاه چنبره¬ای پلاسما

نمایی از دستگاه چنبره ای پلاسما

4-1- مقدمه  ……………………………………………………………………………………… 82

4-2- نتایج برای حالت ناپایدار……………………………………………………………………. 83

4-3-  پایداری پلاسمای دوتریوم و هلیوم 3 با استفاده از روش کنترلی تعدیل میزان تزریق.. 94

فصل پنجم: نتیجه گیری وبحث……………………………………………………………… 101



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


فایل pdf غیر قابل ویرایش

قیمت25000تومان

خرید فایل word

قیمت35000تومان