مطالعه پارامترهای موثر بر همجوشی پلاسمای دوتریوم هلیوم 3 به روش محصورسازی مغناطیسی

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 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

مقدمه1

فصل اول-همجوشی هسته‌ای3

1-1-واکنش‌های هسته‌ای3

1-2-شکافت هسته‌ای3

1-3- همجوشی هسته‌ای4

1-4- انتخاب سوخت مناسب6

1-5- یده‌های راکتور همجوشی10

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

1-6-1- راکتور توکامک17

1-6-2- قسمتهاي اصلي راکتور توکاماک ITER18

1-6-3- راکتور اسفرومک20

1-6-4- سایر راکتورهای محصورسازی مغناطیسی20

فصل دوم: سینیتیک همجوشی پلاسمای دوتریوم–هلیوم 322

1-2-سوخت‌هاي جديد و خواص آنها22

2-2- خواص دوتریوم24

2-3- خواص هلیوم 3. 25

2-4- پلاسما حالت چهارم ماده29

2-5- روشهای تولید پلاسما30

2-6-پارامترهای بنیادی پلاسما31

2-6-1- فرکانسها در پلاسما31

2-6-2- سرعتها در پلاسما32

2-7- گرم کردن پلاسما33

2-7-1- گرمایش مقاومتی33

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

2-9- روشهای بررسی پلاسما37

2-10- فشار جنبشی و مغناطیسی پلاسما38

2-11- دیواره سیستم راکتورهای همجوشی D-³He از طریق محصورسازی مغناطیسی39

2-12- بارگذاری دیواره راکتور42

2-13- اساس روش محصورسازی42

2-14- اتلاف انرژی پلاسما46

2-14-1-تابش ترمزی 46

2-14-2- تابش سیکلوترونی47

2-14-3- افت‌های انتقالی48

2-15- فیزیک واکنش‌های همجوشی48

2-16- آهنگ انجام واکنش49

2-17-واکنش پذیری50

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

2-17-2- واکنشپذیری باکی51

2-17-3- واکنشپذیری با معادله بوش-هال51

2-17-4- واکنشپذیری با معادله ماکسول52

2-18- فاکتور Q، زمان محصورسازی انرژی، توازن توان54

2-18-1- فاکتور Q54

2-18-2-زمان حبس انرژی55

2-18-3- توازن توان.55

2-19- معیار لاوسون و زمان حبس انرژی56

2-20- معادلات اساسی دوتریوم و هلیوم 360

2-21- موازنه انرژی. 60

2-22-سوختن پلاسمای دوتریوم و هلیوم 361

فصل سوم:کنترل ناپایداری گرمایی در سوخت پلاسمای D-³He66

3-1- مشکل اساسی راکتورهای همجوشی66

3-2-کنترل مغناطیسی67

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

3-4- کنترل مگنتو هیدرودینامیکی(MHD)69

3-5- روشهای استفاده از کنترل جنبشی70

3-6- اهداف کنترل74

3-7- طراحی کنترلر76

3-8- نتایج شبیه سازی78

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

فصل پنجم: نتیجه گیری وبحث101

 ***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

شکل1-5- راکتور آینه ای16

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

شکل2-8- معیار لاوسون nτE برحسب دما T(keV) برای پلاسمای D-3He و D-T با فرض محصورسازی کامل ذرات باردار محصولات عمل59

شکل4-1- مقایسه تغییرات پارامتر واکنشپذیری برای واکنش همجوشی D-T و D-³He براساس روش باکی83

شکل 4-2- چگالی پلاسمای دوتریوم و هلیوم3 در حالت ناپایدار برحسب زمان برای دو نمونه همراه با ناخالصی (آرگون و بریلیم) و حالت بدون ناخالصی86

شکل 4-3- دمای پلاسمای دوتریوم و هلیوم3 در حالت ناپایدار بر حسب زمان برای دو نمونه همراه با ناخالصی (آرگون و بریلیم) و حالت بدون ناخالصی88

شکل 4-4- نسبت چگالی ذرهی آلفا به چگالی الکترون در حالت ناپایدار بر حسب زمان برای دو نمونه همراه با ناخالصی و حالت بدون ناخالصی89

شکل 4-5- پارامتر β پلاسمای دوتریوم و هلیوم 3 برحسب زمان در حالت ناپایدار برای دو نمونه همراه با ناخالصی و حالت بدون ناخالصی90

شکل 4-6- توان تابشی پلاسمای دوتریوم و هلیوم 3 در حالت ناپایدار برحسب زمان برای دو نمونه همراه با ناخالصی و بدون ناخالصی91

شکل 4-7- توان ذره آلفا در همجوشی پلاسمای دوتریوم و هلیوم 3 در حالت ناپایداربر حسب زمان بدون ناخالصی و با ناخالصی92

شکل 4-8- توان اهمی پلاسمای دوتریوم و هلیوم 3 در حالت ناپایدار برحسب زمان برای دو نمونه همراه با ناخالصی و حالت بدون ناخالصی93

شکل 4-9- توان خالص همجوشی پلاسمای دوتریوم و هلیوم 3 در حالت ناپایدار برحسب زمان برای دو حالت بدون ناخالصی و با حضور ناخالصی94

شکل4-10- چگالی پلاسمای دوتریوم و هلیوم 3 در حالت ناپایدار بر حسب زمان برای دو نمونه همراه با ناخالصی و حالت بدون ناخالصی95

شکل 4-11- دمای پلاسمای دوتریوم و هلیوم3 در حالت پایدار بر حسب زمان برای دو نمونه همراه با ناخالصی (آرگون و بریلیم) و حالت بدون ناخالصی95

شکل 4-12- نسبت چگالی ذرهی آلفا به چگالی الکترون در حالت پایدار بر حسب زمان برای دو نمونه همراه با ناخالصی و حالت بدون ناخالصی96

شکل 4-13-پارامتر پلاسمای دوتریوم و هلیوم 3 در حالت پایدار بر حسب زمان برای دو نمونه همراه با ناخالصی و بدون ناخالصی97

شکل 4-14- توان تابشی پلاسمای دوتریوم و هلیوم 3 در حالت پایدار برحسب زمان برای دو نمونه همراه با ناخالصی و بدون ناخالصی97

شکل 4-15- توان ذره آلفا در همجوشی پلاسمای دوتریوم و هلیوم 3 در حالت پایداربر حسب زمان بدون ناخالصی و با ناخالصی98

شکل 4-16- توان اهمی پلاسمای دوتریوم هلیوم 3 در حالت پایدار برحسب زمان برای دو نمونه همراه با ناخالصی و حالت بدون ناخالصی99

شکل 4-17- توان خالص همجوشی پلاسمای دوتریوم و هلیوم 3 در حالت ناپایدار برحسب زمان برای دو حالت بدون ناخالصی و با حضور ناخالصی99

 ليست علائم اختصاري

D-T	Deuterium-tritium
D-3He	Deuterium-Helium3
D-D	Deuterium- Deuterium
T-T	Tritium- tritium
ICF	Inertial confinement fusion
H1	Protium
H2	Deuterium
H3	Tritium
RWM	Resistive-Wall Mode
RFP	Reversed field pinch
NTM	Neoclassical Tearing-Mode
MHD	Magnetohydrodynamic
TF	Toroidal Field

 

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 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 هسته‌ای

 1-1- 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]

سوخت	واکنش همجوشی	شکل اختصاری	بهره انرژی بر حسب ژول
DT	D+T→42He+10n	T(d,n)4He	2.8×10-12
DDn	D+D→32He+10n	D(d,n)3He	5.24×10-13
TT	T+T→42He+10n+10n	T(t,2n)4He	1.81×10-12
DDp	D+D→T+P	D(d,P)T	6.46×10-13
D-3He	D+32He→42He+P	3He(d,P)4He	2.93×10-12
P_6Li	P+63Li→42He+32He	6Li(p,x)3He	6.44×10-13
P_11B	P+115B→3(42He)	11B(p,2x)4He	1.39×10-12

 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 الف)

(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.

[1]nuclear fission

[2]Nuclear fusion

[3]Reactions Nuclear

[4]Nuclear Fission

[5](1Barn=cm)

[6]Fusion Reactor