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

2-12- بارگذاری دیواره راکتور……………………………………. 42

2-13- اساس روش محصورسازی…………………………………….. 42

2-14- اتلاف انرژی پلاسما…………………………………… 46

2-14-1-تابش ترمزی…………………………………… 46

2-14-2- تابش سیکلوترونی…………………………………….. 47

2-14-3- افت‌های انتقالی…………………………………….. 48

2-15- فیزیک واکنش‌های همجوشی…………………………….. 48

2-16- آهنگ انجام واکنش………………………………………. 49

2-17- واکنش پذیری…………………………………….. 50

2-17-1- واکنش پذیری واکنش‌های هستهای (پارامتر سیگما-وی)……… 50

2-17-2- واکنشپذیری باکی…………………………………….. 51

2-17-3- واکنشپذیری با معادله بوش-هال…………………… 51

2-17-4- واکنشپذیری با معادله ماکسول……………………… 52

2-18- فاکتور Q، زمان محصورسازی انرژی، توازن توان……….. 54

2-18-1- فاکتور Q………………………………………

2-18-2- زمان حبس انرژی…………………………………….. 55

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………

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

فصل چهارم: پارامترهای موثر بر همجوشی پلاسمای D-³He در سیستم توکامک….. 82

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

چکیده:

هدف از تحقیقات همجوشی، تولید نیروگاه هسته­ای که از لحاظ اقتصادی و محیطی مناسب باشد. مسئله­ی تولید انرژی همجوشی، دستگاهی است که بتواند سوخت را تا

یک مطلب دیگر :

چرا پیاده روی به شما کمک نمی کند وزن کم کنید؟

 دمای کافی گرم کرده و سپس آن را برای مدت زمان طولانی نگه دارد، به طوری که بتواند انرژی بیشتری از طریق واکنش­های همجوشی برای گرم کردن سوخت تولید کند. اما یکی از مسائل مهم فراروی راکتورهای همجوشی آینده، وجود ناپایداری گرمایی ذاتی در راکتورهای گرما هسته­ای مانند توکامک می­باشد

فراوانی سوخت‌های مورد نیاز در همجوشی هسته‌ای یکی از بزرگترین مزایای این روش تولید انرژی، نسبت به شکافت هسته‌ای می‌باشد. در این کار تحقیقانی، همجوشی مغناطیسی پلاسمای D-³He را در راکتور توکامک ITER- 90HP  مورد بررسی قرار داده و با حل معادلات توازن انرژی حاکم بر همجوشی هسته‌ای به روش خطی، تغییرات برخی از پارامتر های حاکم بر پلاسما را در دو حالت بدون ناخالصی و در حضور ناخالصی بدست می‌آوریم. با توجه به اهمیت کنترل ناپایداری‌های ذاتی ایجاد شده در فرایند تولید انرژی هسته‌ای در راکتورهای همجوشی، از روش کنترل تزریق میزان سوخت، با اختلال در دمای اولیه، استفاده کرده و پلاسمارا به پایداری می‌رسانیم و با حل دوباره‌ی معادلات توازن انرژی، تغییرات زمانی برخی از پارامترهای پلاسما را مورد بررسی قرار می‌دهیم.

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 رآكتورهای هسته­ای، به منبعی از انرژی دست یابد كه بتواند مدت زمان بیشتری  از آن، نسبت به سوخت‌های فسیلی استفاده كند. 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.

فصل اول: همجوشی هسته ای

1-1- واکنش های هسته ای

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.

2-1- شکافت هسته ای

در واكنش شكافت، 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 یك نوترون قرار می‌گیرد و هسته فوق‌العاده ناپایداری تشكیل می‌شود كه تقریبا بلافاصله می‌شكافد و كریپتون 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 كه مورد استفاده قرار گرفته است اینك این نیرو همان اندازه از برق جهان را تامین می‌كند كه 40 سال پیش بوسیله تمام منابع انرژی تأمین می‌شد شكافت هسته‌ای مزایای بسیاری نسبت به سوخت‌های فسیلی دارد اما مسئله‌ی پسماندهای آن كه حاوی مواد پرتوزا با طول عمر طولانی هستند از جمله مهم‌ترین مسائل خاص در مورد استفاده از شكافت هسته‌ای می‌باشد. از سوی دیگر ذخایر اورانیوم جهان برای استفاده در راكتورهای شكافت تنها در یك سده كفایت می‌كنند.

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.

3-1- همجوشی هسته ای

واکنش‌های همجوشی هسته‌ای از نوع واکنش‌هایی است که در خورشید و ستارگان صورت می‌گیرد. این واكنش عبارت است از تركیب (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)، یك هسته‌ی هلیوم در دماهای بسیار بالای مرکز خورشید و ستارگان تولید می‌گردد [6].

در كره‌ی زمین، این انرژی را می‌توان به سه روش محصور سازی مغناطیسی، محصورسازی اینرسی یا لختی و محصور سازی از طریق کاتالیزور میون، تولید كرد؛ كه 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.