همجوشی

 

 

 

 

فهرست مطالب

چکیده. 1

فصل اول: معرفی همجوشی هسته ای. 2

1-1- مقدمه. 3

1-2-  اصول فیزیکی حاکم بر همجوشی. 5

1-3-  محصور سازی. 10

1-3-1- محصور سازی  گرانشی. 10

1-3-2-  محصور سازی اینرسی. 10

1-3-3- محصور سازی مغناطیسی. 13

1-3-4- راکتورهای کلاس تجاری. 19

1-4- نتیجه گیری. 24

فصل دوم: طراحی و تحلیل چرخه های توانی برایتون هلیومی برای رآکتور HiPER.. 27

2-1- چکیده. 28

2-2- چرخه توانی برایتون هلیومی. 30

2-2-1- توصیف مدل:. 32

2-2-2- نتایج. 34

2-3- فرایند درون خنکسازی. 36

2-4- فرایند بازگرمایش:. 37

2-5- تحلیل حساسیت. 40

2-6- نتیجه گیری. 42

فصل سوم: ارزیابی نوترونی گزینه های بلانکت مربوط به محفظه انرژی همجوشی اینرسی لیزری HAPL. 43

چکیده:. 44

3-1-مقدمه:. 44

3-2-پوشش لیتیومی خود خنک کننده. 46

3-3- پوشش تولید کننده جامد هلیوم خنک شده :. 51

3-4- پوشش لیتیوم سرب دو برابر خنک کننده. 53

3-5- مقایسه ویژگی های هسته ای بلانکت و نتایج:. 56

فصل چهارم: احتراق سریع به وسیله باریکه دوترون. 58

4-1- مقدمه. 59

4-2- از دست دادن انرژی و برد دوترونها در سوخت های  و D3He  62

4-2-1- از دست دادن انرژی دوترون ها در سوخت های  و D3He. 62

4-3- طرح  دوترون ها. 89

4-4- نتیجه گیری. 112

فصل پنجم: ایجاد میدان الکتریکی و میدان مغناطیسی و گرمایش هدف توسط الکترون های سریع تولید شده با لیزر. 113

چکیده. 114

5-1-مقدمه. 114

5-2- نتایج. 130

5-3- بحث. 134

5-4- نتایج. 151

5-5- نتیجه گیری:. 152

پیشنهادات. 159

فهرست منابع. 160

چکیده انگلیسی. 165

 

 

 

 

 

فهرست جدول ها

 

جدول2-1-داده های منبع انرژی مربوط به SCLL. 30

جدول 2-2- نتایج مر بوط به بازده گرمایی بیشینه. 35

  بهینه به ازای چند مقدار از پارامتر هایTTD و . 38

جدول 3-1- ویژگی های هسته ای پوشش های کاندید. 57

He. 80

جدول 4-2-  Coulomb logarithm of D-e, D-d, D-t and D-3He  for DT and  D3He fuels  in different  energy of deuteron and fuel temperatures. 86

He  به ازای . 89

جدول 4-4- مقادیر عددی سه پارامتر ثابت  برای سوخت­هایD-D،  D-T وHe3 D- 96

122

جدول5-2-نتایج جذاب بر اساس دانش امروزی. 155

 

 

 

 

 

 

 

فهرست شکل ها

شکل 1-1- منحنی انرژی بستگی بر نوکلئون برحسب تابعی از جرم هسته ای.  6

شکل 1-2-  روش محصور سازی لختی محرک غیر مستقیم  در NIF. 12

شکل 1-3- سیم پیچ مارپیچی. 14

شکل 1-4- سیم پیچ های  پیچیده شده در اطراف قسمتهای سوار نشده    15

شکل1-5-نمونه ای از هندسه استلاتور. 16

شکل 1-6- هندسه توکامک معمولی را نشان می دهد. منبع: موسسه ماکس پلانک در فیزیک پلاسما. 18

 

شکل 1-7- پیشرفت به سوی راکتورهای همجوشی. 20

شکل 1-8- سه منبع گرمایش پلاسما در ITER. 22

شکل 1-9- واکنش دوتریم، تریتیوم. منبع: پروژه آموزش فیزیک معاصر  24

شکل 2-1- چرخه توانی برایتونی هلیومی برای طرحSFWB.. 31

شکل2-2- تاثیر مراحل خنک سازی  داخلی بر روی بازده چرخه. 36

شکل2-3- طرح چرخه توانی برایتون هلیومی به همراه باز گرمایش  37

شکل2-4- اثر TTD و   بر روی بیشینه بازده چرخه. 39

شکل2-5- حساسیت بازده چرخه به پارامتر های چرخش. 41

شکل3-1- سطح مقطع اتاقک HAPL.. 48

شکل 3-2- طرحی از زیر نمونه پوشش لیتیوم خود- خنک کننده. 50

شکل 3-3- تغییر شعاعی گرمایش هسته ای در مولفه های پوشش لیتیومی  50

شکل 3-4- طرحی از پوشش زایش  جامد. 52

شکل 3-5- تغییر شعاعی گرمایش هسته ای در اجزای پوشش SB.. 54

شکل 3-6- طرح کلی از مفهوم پوشش DCLL. 54

شکل 3-7- تغییر شعاعی گرمایش هسته ای در پوشش DCLL. 55

He در  و تابع پله ای 0. 67

He در  .. 67

شکل4-3- تغییرات دو بعدی سهم توان توقف تریتونها بر حسب انرژی دوترون به ازای دماهای متفاوت تریتونی برای سوخت DT  در  .  68

He در . 68

He به ازای  و تابع پله ای0.. 69

He به ازای .. 69

شکل 4-7- شکل تغییرات سه بعدی سهم توان توقف تریتونها  بر حسب  انرژی دوترونی  و دماهای تریتونی مختلف برای سوخت DT به ازای . 70

He  به ازای . 70

He  با ازای  سه چگالی سوخت متفاوت و تابع پله ای 0.. 71

He  با ازای  سه چگالی سوخت.. 71

شکل4-11- تغییرات سه بعدی سهم توان توقف تریتونها  بر حسب تغییرات  انرژی دوترونی و دمای تریتونی برای سوخت  D-T با ازای  سه چگالی سوخت.. 72

He با ازای  سه چگالی سوخت.. 72

شکل 4-13 سیم پیچ های  پیچیده شده در اطراف قسمتهای سوار نشده    75

شکل 4-14 تغییرات دو بعدی سهم توان توقف الکترونها و یونها. 79

He  به ازای .. 82

شکل 4-16- تغییرات دو بعدی لگاریتم کولنی دوترونها بر حسب انرژی دوترون در دماهای مختلف مربوط به سوختDT  به ازای .  83

شکل 4-17-تغییرات دو بعدی لگاریتم کولنی تریتونها بر حسب انرژی دوترون در دماهای مختلف مربوط به سوختDT  به ازای .. 83

He  به ازای .  84

He به ازای . 84

شکل 4-20-تغییرات سه بعدی لگاریتم کولنی مربوط به دوترونها بر حسب انرژی دوترون و دمای دوترونی برای سوخت  DT یا D-3He به ازای . 85

شکل 4-21- تغییرات سه بعدی لگاریتم کولنی مربوط به تریتونها بر حسب انرژی دوترون و دمای تریتونی برای سوخت  DT به ازای . 85

He   به ازای . 86

شکل 4-23- تغییرات برد کل بر حسب انرژی دوترونی در دماهای متفاوت مربوط به سوخت  DT به ازای . 88

He به ازای . 88

شکل 4-25-. 90

شکل 4-26. 91

شکل4-27  تغییرات دو بعدی  بر حسب .. 91

شکل4-28-شکل دو بعدی تغییرات  بر حسب زمان (s) 92

شکل4-29- شکل دو بعدی تغییرات  بر حسب . 92

شکل4-30- شکل دو بعدی تغییرات  بر حسب . 94

شکل 4-31- شکل سه بعدی تغییرات توان  بجا گذاشته شده باریکه دوترون بر حسب دمای توزیع دوترون و زمان در سوخت. 94

شکل 4-32-. 98

شکل 4-33-  احتمال وقوع واکنش های حرارتی برحسب انرژی  دوترون  در دماهای مختلف سوخت . 99

He. 100

شکل 4-35- تغییرات لگاریتم کولنی بر هم کنش  بر حسب انرژی ذره آلفا و دمای الکترون. 101

شکل 4-36- انرژی بجاگذاری ذرات آلفا (خط بنفش ) ، توان باریکه دوترون (سبز نقطه چین -خط) و  تعداد دوترونها رسیده به سوخت بر واحد زمان ( قرمز خط چین). 102

شکل 4-37- توان بر واحد حجم ( آهنگ حجمی انرژی)  ایجاد شده  ناشی از گرمایش ذرات آلفا در سوخت D-T .. 105

He  .. 106

شکل 4-39- برد ذره آلفا در مرکز لکه داغ  در چگالی های مختلف سوخت  107

شکل 4-40- توان بر واحد حجم (آهنگ حجمی)  افزایش انرژی ناشی  از جاگذاری  انرژی ذرات آلفا در سوخت D-T ( بر اساس رابطه 5 زیر )  108

He. 108

شکل 4-42- آهنگ حجمی پراکندگی انرژی ناشی از هدایت الکترون ( ). 109

شکل5-1  تغییرات سه بعدی  شدت میدان الکتریکی برحسب عدد اتمی بار موثر و دما. 115

شکل 5-2- تغییرات دو بعدی  شدت میدان الکتریکی  برحسب دما به ازای مقادیر مختلف بار موثر. 116

شکل5-3- تغییرات دو بعدی  مقاومت ویژه  اسپیتزر  برحسب دما و  مقادیر مختلف بار موثر. 116

شکل5-4-  تغییرات سه بعدی  مقاومت ویژه اسپیتزر  برحسب بار موثر و دما. 117

شکل5-5- تغییرات دو بعدی میانگین عمق نفوذ برحسب تغییرات دما به ازای مقادیر مختلف بار موثر. 118

شکل5-6-تغییرات دو بعدی نیمه لگاریتمی  زمان خنثی سازی (s) برحسب دما(KeV) و  مقادیر مختلف بار موثر. 120

شکل5-7-  تغییرات سه بعدی  زمان خنثی سازی  برحسب بار موثر و دما  120

شکل5-8- تغییرات دو بعدی زمان پخش  برحسب دما و  مقادیر مختلف بار موثر. 121

شکل 5-9- تغییرات سه بعدی  زمان پخش  مغناطیسی برحسب  تغییرات بار موثر و دما. 122

شکل5-10-تغییرات سه بعدی نسبت زمان پخش به زمان خنثی سازی (Q) برحسب بار موثر و دما. 123

شکل5-11-. 126

شکل5-12-تغییرات دو بعدی      بر حسب   الف). به ازای وب) به ازای . 127

شکل5-13- تغییرات دو بعدی  برحسب . 128

شکل5-14-. 129

شکل 5-15-  تغییرات سه بعدی دما برحسب فاصله و ظرفیت گرمایی به ازای . 131

شکل5-16تغییرات سه بعدی ،  بر حسب  و  به ازای   و . 132

شکل 5-17-  تغییرات سه بعدی میدان الکتریکی بر حسب تغییرات شعاع r و  به ازای (معادله 13). 133

شکل5-18-  تغییرات چگالی جریان  بر حسب فاصله r 134

شکل5-19-تغییرات سه بعدی شدت میدان الکتریکی بر حسب تغییرات شعاع r و  به ازای (معادله 18).. 135

شکل5-20تغییرات سه بعدی شدت میدان مغناطیسی بر حسب تغییرات شعاع r و  به ازای (معادله 19). 136

شکل5-21-تغییرات سه بعدی میدان الکتریکی برحسب تغییرات C و  برای گرمایش قوی  به ازای j=61^10. 138

شکل5-22-  تغییرات سه بعدی میدان مغناطیسی برحسب تغییرات فاصله r و  برای گرمایش قوی. 139

 

محاسبه تحلیلی میدان های الکتریکی و مغناطیسی ایجاد شده در گرمایش سوخت توسط الکترون های سریع تولید شده با بهره گرفتن از باریکه های لیزری در قلب راکتور های همجوشی

 

به‌وسیله‌ی: ابوذر شاکری

 

چکیده

همجوشی هسته ای شکلی از انرژی هسته ای تولید شده توسط عناصر سبک همجوشی کننده که عمدتاً ایزوتوپ های هیدروژن  ، دوتریوم (D) و تریتیوم (T)می باشند که انرژی همجوشی دارای مزایایی نسبت به منابع انرژی فسیلی و انرژی شکافت هسته ای است و ایمن است و گسیل گازهای گلخانه ای نمیکند ونیاز به نگهداری واکنش های زنجیره ای ندارد و دارای مواد رادیو اکتیو کمتری نسبت به انرژی شکافت است . که این پایان نامه شامل دو قسمت اصلی می باشد که به ترتیب در زیر می آیند:

قسمت اول :احتراق سریع با بهره گرفتن از مجموعه مخروط هدایت شده  توسط باریکه دوترونی (لیزر شتاب داده شده) پیشنهاد شده است . سوخت از پیش فشرده شده یکنواخت    توسط باریکه دوترونی با توزیع انرژی ماکسولی تا دمای   3 گرم می­ شود. این طرح استفاده کامل از انرژی بجا گذاشته شده ذرات آلفای تولید شده توسط واکنش­های گرما هسته­ای را میسر می­سازد و می ­تواند در حدود 5/4% انرژی باریکه یونی را در مقایسه با باریکه­های یونی از جنس پروتون یا کربن را ذخیره نماید . انرژی احتراق آزاد شده  توسط باریکه خارجی می ­تواند به طور قابل ملاحظه­ای کاهش یابد.

قسمت دوم :میدان های الکتریکی و مغناطیسی ایجاد شده توسط باریکه سریعی از الکترون ها در یک رسانا از نظر تحلیلی محاسبه می شوند، که شامل تغییر در مقاومت ویژه بخاطر گرمایش اهمی می باشد.  فرض می شود که مقاومت ویژه دارای یک قانون توانی دلخواه وابسته به دما باشد، چگالی جریان الکترونی سریع ثابت فرض می شود( بیم صلب) ، خنثی سازی بار فوری می باشد و اینکه پخش و پخش مغناطیسی ناچیز می باشد.

 

کلمات کلیدی: احتراق سریع، الکترون سریع، همجوشی هسته ای، انرژی همجوشی

 

 

 

فصل اول

معرفی

همجوشی هسته ای

 

1-1- مقدمه

پلاسما که اغلب به عنوان حالت چهارم ماده اشاره شده است، در پشت سر جامدات، مایعات و گازها قرار دارد.گازی داغ است که الکترون های آن به دور هسته اتمی از طریق یک فرایند شناخته شده به عنوان یونیزاسیون متلاشی می شوند، پلاسما به نظر می رسد مثل یک ماده واقعا عجیب و غریب است. اما در آن چه چیزی هست؟ پلاسما نقش اساسی در شکل گیری جهان ما ایفا کرده است. در پی انفجار بزرگ، کل جهان شامل پلاسما بوده و حتی امروزه دانشمندان بر این باورند که که 99٪ از جهان قابل مشاهده در حالت پلاسما است.   لذا پلاسما، در واقع حالت اول ماده است. آن حالتی از ماده است که به طوری اساسی منبع اصلی انرژی برای جهان باقی مانده است:

همجوشی ستارگان تعادل پیچیده ای بین نیروی رو به خارج ناشی از گرمای واکنش همجوشی  است که در قلب ستاره وجود دارد و نیروی رو به داخل ناشی از گرانش است. در واقع، این جرم ستاره است که آن را از رفتن  به ابرنواختر حفظ می نماید.

ایجاد و حفظ یک واکنش همجوشی هسته ای پایدار بر روی زمین به منظور تولید توان برای دانشمندان برای تحقیق در چند دهه شده است. ثابت شده که همجوشی یک کار بسیار مشکل ،  در مقابل شکافت است. پس از  آنکه نوترون در سال 1932 توسط جیمز چادویک کشف شد، پیشرفت سریع به سوی دستیابی به شکافت هسته ای انجام شد. در  سال1942 دانشمندان نشان دادند که چگونه تولید واکنش های زنجیره ای شکافت کنترل می شود. در 26 ژوئن سال 1954، اولین نیروگاه هسته ای در جهان در شهر اوبنینسک (Obninsk)، در نزدیکی مسکو در اتحاد جماهیر شوروی سابق بنا شد. این  نیروگاه 5 مگا وات برق تولید می کرد که کافی برای تولید  برق  مورد نیاز حدود 2000 خانه  بود که مطابق با  استانداردهای امروز که در آن یک نیروگاه هسته ای معمولی می تواند حدود mW2 1000برق تولید کند، بسیار ناچیز بود. با این حال، شاهکار ی باور نکردنی حاصل از کشف علمی برای پیاده سازی تجاری در بیش از دو دهه باقی ماند.