مطالعه پارامترهای موثر بر همجوشی پلاسمای دوتریوم هلیوم 3 به روش محصورسازی مغناطیسی مطالعه پارامتره
مطالعه پارامترهای موثر بر همجوشی پلاسمای دوتریوم هلیوم 3 به روش محصورسازی مغناطیسیچکیده 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 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 پلاسمایD-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. کلید واژه: همجوشی مغناطیسی، پایداری پلاسما، سوخت D-3He ، کنترل ناپایداری، توکامک. **فهرست مطالب** عنوان صفحه 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 پلاسما16 1-6-2- قسمتهاي اصلي راکتور توکاماک ITER18 1-6-4- سایر راکتورهای محصورسازی مغناطیسی20 فصل دوم: سینیتیک همجوشی پلاسمای دوتریوم–هلیوم 322 1-2-سوخت‌هاي جديد و خواص آنها22 2-6-پارامترهای بنیادی پلاسما31 2-7-2- گرمایش از طریق فشرده سازی35 2-7-3- گرمایش توسط تاثیر میدان‌های الکترومغناطیسی35 2-7-4- گرمایش توسط تزریق پرتو خنثی36 2-8- گرمای همجوشی ذرات باردار36 2-10- فشار جنبشی و مغناطیسی پلاسما38 2-11- دیواره سیستم راکتورهای همجوشی D-3He از طریق محصورسازی مغناطیسی39 2-12- بارگذاری دیواره راکتور42 2-15- فیزیک واکنشهای همجوشی48 2-17-1- واکنش پذیری واکنشهای هستهای (پارامتر سیگما-وی)50 2-17-3- واکنشپذیری با معادله بوش-هال51 2-17-4- واکنشپذیری با معادله ماکسول52 2-18- فاکتور Q، زمان محصورسازی انرژی، توازن توان54 2-19- معیار لاوسون و زمان حبس انرژی56 2-20- معادلات اساسی دوتریوم و هلیوم 360 2-22-سوختن پلاسمای دوتریوم و هلیوم 361 فصل سوم:کنترل ناپایداری گرمایی در سوخت پلاسمای D-3He66 3-1- مشکل اساسی راکتورهای همجوشی66 3-4- کنترل مگنتو هیدرودینامیکی(MHD)69 3-5- روشهای استفاده از کنترل جنبشی70 3-9-کنترل خطی با استفاده از روش تعدیل تزریق سوخت80 فصل چهارم: پارامترهای موثر بر همجوشی پلاسمای D-3He در سیستم توکامک82 4-1- مقدمه.................................................... . 82 4-2- نتایج برای حالت ناپایدار83 4-3- پایداری پلاسمای دوتریوم و هلیوم 3 با استفاده از روش کنترلی تعدیل میزان تزریق94 ***فهرست جداول*** جدول1-1- برخی از واکنشهای همجوشی........................... 7 جدول1-2- انواع راکتورها برحسب روش محصور کردن پلاسما........ 17 جدول2-1- نسل‌های مختلف سوختهای همجوشی ..................... 27 جدول 2-2- مقادیر عددی پارامترهای معادله باکی.............. 51 جدول2-3- مقادیر ثوابت برای واکنشهای همجوشی مختلف در معادلات بوش-هال 52 جدول2-4- مقادیر عددی C1 و C2 و C3 برای واکنشهای D-T, D-D و D-3He54 جدول 3-1- پارامترهای ITER90-HP............................. 73 جدول 3-2- شرایط اولیه ی پلاسما ............................ 74 جدول 3-3- نقطه تعادل–نقطه احتراق ......................... 79 جدول 3-4- پارامترهای کمیت کنترل .......................... 81 **فهرست اشكال*** شکل 1-1- مراحل زنجیره‌ی پروتون – پروتون که در خورشید اتفاق میافتد6 شکل 1-2- انرژی پتانسیل بر حسب فاصلهی دو هستهی باردار که با انرژی مرکز جرم به هم نزدیک میشوند.10 شکل 1-3- نمایی از کپسول هدف 12 شکل 1-4- مراحل همجوشی به روش محصورسازی لختی13 شکل 1-6- نمایی از دستگاه چنبرهای پلاسما17 شکل 1-7- راکتور توکاماک ايتر19 شکل 1-8- سطح مقطع ایتر با پلاسمای بیضی19 شکل1-9- شماتیک هندسی راکتور استلاتور21 شکل2-1- واکنش پذیری انواع سوخت‌ها26 شکل2-2- روشهای گرم کردن پلاسما36 شکل2‑3: مدارهای لارمور در یک میدان مغناطیسی 44 شکل 2-4: نمایش میدان مغناطیسی توروئیدی و پولوئیدی و تبدیل چرخشی44 شکل 2-5: سوق‌گیری ذره، در میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی متعامد 45 شکل 2-6: حرکت مارپیچی الکترونها و یونها در امتداد خطوط مغناطیسی46 شکل2-7- آهنگ واکنش به صورت تابعی از دما برای واکنشهای مختلف همجوشی با توزیع سرعت ماکسولی50 شکل4-1- مقایسه تغییرات پارامتر واکنشپذیری برای واکنش همجوشی D-T و D-3He براساس روش باکی83 ليست علائم اختصاري
مقدمهیکی 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 هستهاي، به منبعي از انرژي دست یابد كه بتواند مدت زمان بیشتری از آن، نسبت به سوختهای فسیلی استفاده كند. بطور کلی دو شيوه بنيادي،براي آزادسازي انرژي از يک اتم وجود دارد: شکافت هستهای[1] وهمجوشي هستهاي[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 هستهای فصل اول-همجوشی هستهای1-1- واکنشهای هستهای[3]تبدیلات خودبخودی یا مصنوعی بعضی ازهسته‌هابه هسته دیگر که سبب تغییر ساختار هسته یا تغییر تعدادنوکلئونها(ذرات هستهای) میگردد، واکنشهای هستهای نام دارند.همجوشی هستهای و شکافت هستهای، دو روش اصلی انجام واکنشهای هستهای میباشد. 1-2- شکافت هستهای[4]در واكنش شكافت، هستهی سنگین یک عنصر رادیو اکتیو مانند اورانیوم یا پلوتونیوم 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 می‌شود. که ناشی از تبدیل جرم ناپدید شده (با مقایسه میان جرم سوختهای اولیه 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 طولانی 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. موادی که انجام یک واکنش شکافت هستهای را ممکن می‌سازند عبارتند از:239Pu ،235U ،238U ، و ایزوتوپ233U ،235U بطور مصنوعی درراکتورهای هسته‌ایبا تاباندن نوترون به233Th بوجود می‌آید. در اثر برخورد نوترون حرارتی به ایزوتوپ235U ،هسته اتم به235U تحریک شده تبدیل می‌شود. اورانیوم تحریک شده بعد از شکافت، بهباریموکریپتونو سه نوترون تبدیل میگردد [5]. 1n + 235U → 236U → 144Ba+89Kr + 3 1n اما مسئله مهمتر اینکه هر نوترون آزاد شده بر اثر شکافتن هسته235U 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 اتمی235U به دو قسمت شکافته می‌شود تولید عناصر استرتیوم 90، کریپتون 91، ایتریوم 91، زیرکونیوم 95،126I ،137U ، باریم 142، سریم 144 امکان پذیر هستند. 1-3- همجوشی هستهای واکنشهای همجوشی هستهای از نوع واکنشهایی است که در خورشید و ستارگان صورت میگیرد. اين واكنش عبارت است از تركيب (برخورد) هستههاي چهار اتم هيدروژن معمولي (شکل 1-1) که ضمن آزاد سازی مقدار زيادي انرژي ناشياز تبديل جرم به انرژی است(E=mc2)، يك هسته‌ي هليوم در دماهای بسیار بالای مرکز خورشید و ستارگان تولید میگردد [6]. در كره‌ي زمين، اين انرژي را مي‌توان به سه روش محصور سازي مغناطيسي، محصورسازي اينرسي يا لختي و محصور سازی از طریق کاتالیزور میون، توليد كرد؛ كه البته همه در مرحله‌ي آزمايش 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 پلاسمابا دیواره‌های مخزنی که در آن جای دارد، محصورسازی نامیده می‌شود و همچنین زمان تقریبی برای اینکه یون‌هاتوسط میدان احاطه کننده به دام افتاده باقی بمانند، زمان محصورسازینامیده می‌شود. شکل 1-1- مراحل زنجیره‌ی پروتون– پروتون که در خورشید اتفاق میافتد [7] 1-4- 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. دربیشترواکنشهايهمجوشی،دوهستهسبکباهمترکیبوبههستهسنگینترتبدیلمیشوند کهرابطهواکنشهستهايآنهابهصورتزیراست: جدول1-1- برخی از واکنشهای همجوشی [1]
واکنش D-T دارای بیشترین سطح مقطع میباشد، مقدار بیشینه سطح مقطع آن 5 بارن [5] برآورد شده است[8]. (1-1) واکنش همجوشی قابل دسترس دیگر، در برگیرندهی هستهی دوتریم به عنوان سوخت است: (1-2) این نمایش نشان میدهد که واکنش D+Dاز طریق دو کانال واکنش متمایز، همجوشی میکند که تقریبا با احتمالهای برابر صورت میگیرد. سطح مقطع برای هریک از آنها حدود 100 مرتبه کوچکتر از واکنشD-T است از این دو واکنش در مییابیم که خواص واکنش D-T مطلوبتر از خواص واکنش D-D است [9]. همچنین ممکن است دوتریم، با محصولهای واکنش تریتیوم و هلیوم-3 همجوشی کند که افزون بر معادله‌ی (1-1)، داریم: (1-3) واکنش همجوشی یاد شده، در برگیرندهی دوتریم و همچنین هستههای سبک دارای جرم بیشتری هستند. از مزایای این واکنش نسبت به D-D میتوان به سوختی رادیواکتیو نبودن و یک واکنش نوترونیک بودن اشاره کرد. به عبارت دیگر در مسیر واکنش همجوشی هیچ نوترونی تابش نمیکند، در نتیجه تابش نوترون به طور چشمگیری کاهش مییابد که میتواند به معنای یک محافظ خیلی ارزان برای راکتور استفاده شود؛ زیرا تابشهای نوترونی باعث تخریب دیواره راکتور میشوند [10]. قلهی آهنگ واکنش برابر با58 است. اما تولید هلیوم -3 بسیار سخت است، در حال حاضر میتوان آن را محصولی از راکتورهای شکافت[6] دانست، زیرا تریتیوم تولید شده در راکتورهای شکافت به طور طبیعی بعد از مدتی به هلیوم 3 واپاشی میکند. اگر این شکل ادامه یابد، برای واکنش هستهای ، تعداد زیادی کانالهای واکنش مشخص شده است: (1-4) واکنشهای هستهای که درگیر هستههای سبک، مانند پروتون، میباشند ممکن است مطابق فرآیندهای زیر روی دهد [11]: (1-5 ب) (1-5 ج) و همچنین دیگر واکنشهای مبتنی بر و ، عبارتند از: (1-6) (1-7) (1-8) نمایش فیزیکی واکنشهای همجوشی، تنها بررسیهای لازم برای تعیین و گزینش آن، به عنوان سوخت راکتور همجوشی نیست بلکه بررسیهای دیگری در برگیرندهی قابل دسترس بودن سوختهای همجوشی، سختی در نگهداری و دانسیتهی میزان واکنش کافی، نیز لازم میباشد. تاکید بر دیگر نکات واکنشهای همجوشی یاد شده، ضروری است. در هر حالت، کسرهای مختلف از مقدار واکنش، در شکل انرژی جنبشی ذرات باردار و نوترونهای خنثی باقی میماند، در نتیجه ایدهی یک راکتور همجوشی پایه گذاری شده با بازده بالا؛ تبدیل مستقیم انرژی ذرات باردار، به ویژه برای واکنشهایی که کسر بزرگتری از مقدار آنها در شکل انرژی جنبشی باردار باقی میماند، مناسب به نظر میرسد. این نکته به طور ویژهای مورد توجه است؛ چرا که نوترونهایی که به عنوان محصول واکنش همجوشی پدیدار میشوند، به گونهی تغییر ناپذیری به محصولات رادیو اکتیو در مواد مهارکننده قلب همجوشی کمک میکنند. کمیتی مهم در ارتباط با واکنشهای هستهای، سطح مقطع واکنش است که به صورت احتمال برهم‌کنش هر جفت از ذرات، تعریف می‌شود. برايوقوعواکنشهمجوشی،دوهستهیباردارمثبتبایدباغلبهبرنیرويدافعهی کولنی،باهمبرخوردکنند. تابع پتانسیل دافعهی کولنی به صورت زیر است: که Z1 , Z2، عدد اتمی هستههای برهم‌کنش کننده میباشد. نیروی دافعهی کولنی در فاصله بیشتر از مجموع شعاع دو هسته برقرار است. شعاع دو هسته از رابطه زیر بدست می‌آید: که A1,A2 اعداد جرمیِ هستههای برهم‌کنش کننده هستند. شکل1-2 نشاندهنده انرژی پتانسیل برحسب فاصله دو هسته باردار میباشد که با انرژی مرکز جرم به هم نزدیک میشوند و نشاندهنده چاه هستهای، سد کولنی و نقطهی بازگشتی کلاسیکی است. [2]Nuclear fusion [3]Reactions Nuclear [4]Nuclear Fission [5](1Barn=cm) [6]Fusion Reactor جهت کپی مطلب از ctrl+A استفاده نمایید نماید |
