فروشگاه اینترنتی فایل ها این وبلاگ در زمینه فروش انواع مختلف فایل های آموزشی تحصیلی و دانشگاهی فعالیت می نماید

محاسبه تحلیلی میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی ایجاد شده در گرمایش سوخت توسط الکترونهای سریع تولید شده با استفاده از باریکه‌های لیزری در قلب راکتورهای هم

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 لیزریHAPL. 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 انرژي و برد دوترونها در سوخت های و D³He 62

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

4-3- طرح دوترون ها. 89

4-4- نتيجه گيري. 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

جدول2-3-:بازده گرمایی بیشینه و r_c بهینه به ازای چند مقدار از پارامتر هایTTD و . 38

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

جدول 4-1:مقادیر عددی محاسبه شده مربوط به سهم توان توقف الکترونها و یونها در انرژی های متفاوت دوترونی و دماهای مربوط به سوخت های DT و D³He. 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

جدول 4-3- مقادیر عددی محاسبه شده مربوط به برد کل بر حسب انرژی دوترونی و دما برای سوخت های DT و D³He به ازای . 89

جدول 4-4- مقادیر عددی سه پارامتر ثابت براي سوخت­هايD-D، D-T وHe³ D-96

جدول 5-1 مقادیر عددی L , τ_d(s) برحسب تغییرات T(Kev) و Z_eff122

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

شکل4-1:تغییرات دو بعدی سهم توان توقف الکترونها بر حسب انرژی دوترون به ازای دماهای متفاوت الکترونی برای سوخت DT ویا D³He در و تابع پله ای 0. 67

شکل4-2-تغییرات دو بعدی سهم توان توقف دوترونها بر حسب انرژی دوترون به ازای دماهای متفاوت دوترونی برای سوخت DT ویا D³He 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

شکل4-4- تغییرات دو بعدی سهم توان توقف هلیوم ها بر حسب انرژی دوترون به ازای دماهای متفاوت هلیومی برای سوخت D³He در . 68

شکل 4-5-شکل تغییرات سه بعدی سهم توان توقف الکترونها بر حسب انرژی دوترونی و دماهای الکترونی مختلف برای سوخت DT و یا D³He به ازای و تابع پله ای0.. 69

شکل 4-6-شکل تغییرات سه بعدی سهم توان توقف دوترونها بر حسب انرژی دوترونی و دماهای دوترونی مختلف برای سوخت DT و یا D³He 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

شکل 4-8- شکل تغییرات سه بعدی سهم توان توقف هلیوم ها بر حسب انرژی دوترونی و دماهای هلیومی مختلف برای سوخت D-³He به ازای . 70

شکل4-9- تغییرات سه بعدی سهم توان توقف الکترونها بر حسب تغییرات انرژی دوترونی و دمای الکترونی برای سوخت D-T و یا D³He با ازای سه چگالی سوخت متفاوت و تابع پله ای 0.. 71

شکل4-10- تغییرات سه بعدی سهم توان توقف دوترونها بر حسب تغییرات انرژی دوترونی و دمای دوترونی برای سوخت D-T و یا D³He 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

شکل4-12-تغییرات سه بعدی سهم توان توقف هلیوم ها بر حسب تغییرات انرژی دوترونی و دمای هلیومی برای سوخت D³He 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

شکل 4-15- تغییرات دو بعدی لگاریتم کولنی الکترونها بر حسب انرژی دوترون در دماهای مختلف مربوط به سوختDT یا D³He 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

شکل 4-18-تغییرات دو بعدی لگاریتم کولنی هلیوم ها بر حسب انرژی دوترون در دماهای مختلف مربوط به سوخت D³He به ازای . 84

شکل 4-19-تغییرات سه بعدی لگاریتم کولنی مربوط به الکترونها بر حسب انرژی دوترون و دمای الکترونی برای سوخت DT یا D-³He 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

شکل 4-22-تغییرات سه بعدی لگاریتم کولنی مربوط به هلیوم ها بر حسب انرژی دوترون و دمای هلیومی برای سوخت D-³He به ازای . 86

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

شکل 4-24 :تغییرات برد کل بر حسب انرژی دوترونی در دماهای متفاوت مربوط به سوخت D³He 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

شکل 4-34- احتمال واکنش های حرارتی برحسب انرژی دوترون در دماهای مختلف سوخت D³He. 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

شکل 4-38 توان بر واحد حجم ( آهنگ حجمی انرژی) ایجاد شده ناشی از گرمایش ذرات آلفا در سوخت D-³He .. 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

شکل 4-41- توان بر واحد حجم (آهنگ حجمی) افزایش انرژی ناشی از جاگذاری انرژی ذرات آلفا در سوخت D-³He. 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 r134

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 استفاده از باریکه های لیزری در قلب راکتور های همجوشی

  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 سريع با استفاده از مجموعهمخروط هدايت شده توسط باريکه دوترونی (ليزر شتاب داده شده) پيشنهاد شده است . سوخت از پيش فشرده شده يکنواخت توسط باريکه دوترونی با توزيع انرژي ماکسولي تا دماي 3 گرم مي­شود. اين طرح استفاده کامل از انرژي بجا گذاشته شده ذرات آلفای توليد شده توسط واکنش­هاي گرما هسته­اي را ميسر مي­سازد و مي­تواند در حدود 5/4% انرژي باريکه يوني را در مقايسه با باريکه­هاي يوني از جنس پروتون يا کربن را ذخيره نماید . انرژي احتراق آزاد شده توسط باريکه خارجي مي­تواند به طور قابل ملاحظه­اي کاهش يابد.

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، انرژي همجوشی

   فصل اول

معرفی

همجوشی هسته ای

-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.

اما چرا شکافت نیاز به استفاده از هسته های سنگین، اغلب شامل مواد رادیواکتیو دارد که خطرات ایمنی و بهداشتی را در برخواهد داشت. ایمنی راکتورهای شکافت بعد از حادثه تری مایل آیلند در سال 1979 و بحران چرنوبیل در سال 1986 تحت نظارت شدید بود. واکنش های همجوشی، از سوی دیگر، معمولا شامل هسته های سبک می باشند و در نتیجه مواد غیر رادیو اکتیو ایجاد می کنند.

با اعتقاد به اینکه مسئله همجوشی را نمی توان به سادگی شکافت حل کرد دولت ها در اواسط قرن بیستم اینکا را آغاز کردند، بودجه طرح های پژوهشی طبقه بندی شده در همجوشی. به زودی درک شد، با این حال تلفیقی از یک کار بسیار مشکل تر مطرح شد و همکاری بین المللی نیاز بود تا این مشکل را حل کند. در سال 1958 دولت ایالات متحده موضوع محرمانه تحقیقات همجوشی مغناطیسی را به منظور باز کردن یک گفت و گوی بین المللی مطرح کرد..

همکاری بین المللی عملکردی شبیه به عملکرد DNA در تحقیقات همجوشی است. به نظر می رسد که حل مشکل همجوشی تنها توسط یک کشور کاری بیش از حد دشوار است. و با این حال، حتی امروزه بیش از پنجاه سال پس از تحقیقات همجوشی محرمانه ، راکتور همجوشی تجاری هنوز هم وجود ندارد. اما ممکن است در این مورد با کمک یک همکاری جدید بین المللی برای ساخت اولین راکتور همجوشی جهان در جنوب فرانسه تغییر کند که تحت عنوان .ITER معروف است و ممکن است بهترین امید در این زمینه برای حل مشکل باشد.

این فصل قصد دارد به تجزیه و تحلیل مسائل مرتبط با دستیابی به واکنش های همجوشی پایدار بپردازد و همچنین یک نمای کلی از طرح های مختلف راکتور را ارائه نماید.

1-2- اصول فیزیکی حاکم بر همجوشی

در سال 1909 آزمایش معروف ورقه طلا ارنست رادرفورد مدل سیاره ای اتم را ایجاد کرد که بر طبق آن اتم از یک بار مثبت،( هسته چگال) با الکترون های بار دار منفی در حال چرخش در اطراف آن تشکیل شده است. شتاب مرکز گرای الکترون ها برهم کنش کولنیرا فراهم می نماید که برهمکنش کولنی با نیروی گرانشی تشابهاتی دارد:

 اما این شباهت ممکن است ناشی از مدل های سیاره ای باشد و آن ها به طور همزمان گیج کننده هستند. همانطور که نیروی کولنی نشان می دهد، اگر دو ذره باردار هم علامت به یکدیگر نزدیک شوند نیروی دافعه بزرگتری بین آنها وجود می آید. پس چرا چندین پروتون با بار مثبت می توانند درون هسته اتم های مختلف در کنار هم قرار گیرند بدون اینکه هسته متلاشی گردد؟ چه نیروی نامرئی بین آنها وجود دارد؟ هنگامی که دانشمندان جرم ذرات تشکیل دهنده هسته (پروتونها، الکترونها و نوترونها) و جرم هسته را دقیق اندازه گیری کردند با یک مشکل دیگر مواجه شدند.

همه چیز به معنای واقعی کلمه درک نشد تا اینکه آنها دریافتند که جرم هسته کمتر از مجموع جرم نوکلئون های آن تشکیل دهنده است هنگامی که به تنهایی خارج از هسته و جدا از هم میباشند. به عنوان مثال، جرم یک هسته هلیم تشکیل شده از دو نوترون و دو پروتون برابرu031882.4 است درصورتیکه جرم تشکیل دهنده اجزای هسته هلیم در خارج از آن برابر باu01506.4 است که بدین معنی است که کا ستی جرم آن(mass defect) برابر با u030376.0 است. واضح است که جرم کل این هسته کمتر از مجموع جرمهای اجزا تشکیل دهنده آن ا ست. پس برای این جرم از دست رفته چه اتفاقی افتاده است؟ به نظر می رسد که کا ستی جرم این هسته برای نگه داشتن تمام ذرات در کنار هم درون هسته به انرژی طبق رابطه معروف E = mc² انیشتین، تبدیل شده است.

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

دانشمندان این انرژی از دست رفته را انرژی بستگی هسته ای نامیدند. اگر ما انرژی بستگی هسته را ، B، به عدد جرمی A آن تقسیم کنیم ، انرژی بستگی بر نوکلئون آن را بدست می آوریم.

با رسم این نتایج، ما منحنی شکل 1 را به دست می آوریم. نقطه ماکزیمم منحنی بالاترین انرژی بستگی بر نوکلئون را نشان می دهد و در نتیجه نشان دهنده یک هسته بسیار پایدار است. از این رو همه هسته ها تمایل به رسیدن به بیشترین پایداری را دارند ، بنابراین، برای هسته های با جرم اتمی کمتر از حدود 62u، واکنش های همجوشی انرژی آزاد میکند، و برای هسته های با جرم اتمی بیشتر از 62u، واکنشهای شکافت هسته ای انرژی آزاد میکند.

لذا آن چه باقی می ماند، این است که دانشمندان ناگزیر به پرتاب چند پروتون به طرف یکدیگر یک دیگر را می شوند تا زمانی که به اندازه کافی به یکدیگر نزدیک شده و نیروی هسته ای قوی میان آنها برقرار شود و جرم اضافی بصورت انرژی آزاد شود. از این رو به دلیل شکل نیروی کولنی، دانشمندان به وضوح مایل به استفاده از هیدروژن شدند زیرا و هسته آن تنها متشکل از یک ذره باردار است. اما از آنجا که نیروی هسته ای قوی تنها در محدوده چندین فرمی عمل می کند، برای دانشمندان پرتاب اتم های هیدرژنی به سمت یکدیگر بسیار سخت خواهد بود. به عبارت دیگر، آنها مجبور هستند مقدار زیادی انرژی جنبشی مصرف کنند .در زیرمحاسبه انرژی مورد نیاز برای رسیدن به یک فاصله جدایی 3fmآورده شده است:

 برای تبدیل آن به درجه حرارت، توجه داشته باشید که eV = 11605K1، پس لازم است که هیدروژن تا 5.57x10⁹k حرارت داده شود که معادل با 10 میلیارد درجه فارنهایت است.خوشبختانه، این چنین درجه حرارت فوق العاده بالایی در عمل مورد نیاز نیست. دانشمندان به جای آن به برخورد های الکترونی با اتم ها روی آوردند که به طور موثری در انرژیهای الکترونی در حدود 100 الکترون ولت تکیه دارند که در اثر پدیده تونل زنی در مکانیک کوانتومی ذرات با انرژی کمتر از انرژی سد کولنی نیز می توانند از سد عبور کرده و در محدوده فواصل هسته ای قرار گرفته و همجوشی هسته ای میان آنها صورت گیرد.

با وجود این اثرات ، درجه حرارت بالایی معمولا در حدود 100 میلیون درجه، هنوز هم برای اینکه همجوشی امکان پذیر باشد مورد نیاز است. در مورد هیدروژن، انرژی یونیزاسیون 1312 کیلوژول/مول که متناظر با درجه حرارت حدود 158000 کلوین است و به این معنی است که هیدروژن در موقع رسیدن به این درجه حرارت به طور کامل یونیزه می شود.

پلاسماها دارای چندین ویژگی تعریف شدهمی باشند. پلاسما ها در کل از لحاظ الکتریکی خنثی در نظر گرفته می شوندکه چگالی الکترون های بار دار منفی با چگالی یون های با بار مثبت برابر است. در پلاسما، ذرات باید انرژیهای جنبشی بیشتر از انرژی الکترواستاتیکی متوسط داشته باشند، به این معنی که آنها می توانند به طریقی نسبتا آزاد حرکت کنند. در نتیجه، نیروهای الکتریکی بلند برد نقش قابل توجهی بیشتر از نیروهای الکتریکی کوتاه برد ایفا می کنند به این معنی که پلاسما حرکت های دسته جمعی دارند.

به منظور دستیابی به یک واکنش همجوشی که در آن توان تولید شده توسط واکنش بزرگتر از توان ورودی جهت گرم کردن و نگهداری واکنش است، پلاسما باید آستانه خاصی داشته باشد که بایستی به معیار لاوسون رجوع گردد . این پلاسما به طور مداوم انرژی تابش از راه دور، در شکل تابش ترمزی(bremsstrahlung ) دارد که آهنگ تابشی آن متناسب با ریشه دوم T درجه حرارت آن است. پدیده تابش ترمزی پدیده ای است که در آن انرژی ذرات باردار زمانیکه شتاب می گیرند تابش می نمایند. که این توان تابشی طبق فرمول (غیر نسبیتی) لارمور عبارتست از:

می بینیم که تابش ترمزی نیز به بستگی دارد به این معنی که انتخاب اتم های با Z> 1 تا حد زیادی نامطلوب است. معیار لاوسون مستلزم آن است که انرژی همجوشی خروجی بیش از انرژی مورد نیاز برای ایجاد پلاسما باشد. یک راه برای رسیدن به این هدف محصور کردن پلاسمای گرم و متراکم برای مدت زمان قابل توجهی به نام زمان محصور سازی τ می باشد. هنگامیکه چگالی N افزایش می یابد برخوردهای بیشتری صورت خواهد گرفت. یک رابطه تقریبی اما تا حد زیادی مفید وجود دارد که از حاصل ضرب زمان محصور سازی در چگالی و دما بوجود می آید که چنین است:

که در آن E_ch انرژی محصولات باردار تولیدی حاصل از همجوشی است و مقدار متوسط ​​σv حاصل ضرب سرعت متوسط در سطح مقطع می باشدکه کمک به تعیین آهنگ همجوشی می کند. از مباحث گذشته روشن است که بهترین انتخاب مربوط به واکنش همجوشی هیدروژن است به دلیل آن که عدد اتمی آن Z = 1 می باشد. ایزوتوپ های مختلف هیدروژن عبارتند از: دوتریوم (D) و تریتیوم (T) و هر دو آنها تحت تاثیر دمای پلاسما متفاوت هستند. برای چگالی یونی ثابت 10^-21 m^-3KT برای پلاسمای DD باید از 40 کیلو الکترون ولت تجاوز نکند در حالیکه برای پلاسمای D-T تنها باید بیش از 4 KeV باشد. به همین دلیل بسیاری از محققان همجوشی آزمایش ها را با استفاده از مخلوط پلاسما یDT انجام می دهند.

   1-3- محصور سازی

شاید بزرگترین چالش مربوط به همجوشی برای دانشمندان موضوع محصور سازی است. بهترین راه برای پلاسما و زنده نگه داشتن آن برای مدت طولانی چیست؟ سه روش اصلی برای محصور سازی وجود دارد: گرانش ، اینرسی یا لختی و مغناطیسی.

1-3-1- محصور سازی گرانشی

محصور سازی گرانشی به وفور در ستاره گان رخ می دهد. محصور سازی گرانشی به جرم عظیم ستاره به منظور فراهم کردن چگالیها و فشارهای بالا مورد نیاز برای همجوشی متکی است. این واکنش ها خود سازگار هستند به طوری که آنها به اندازه کافی تولید انرژی برای نگه داشتن واکنش می کنند. البته آنها همچنین مقدار زیادی انرژی گرمایی تابش می کنند. نیروی گرانشی در بین چهار نیروی اصلی ضعیف ترین است. برای یک مولکول H₂، نیروی گرانشی بین دو پروتون 10³⁶ بار ضعیف تر از نیروی الکتریکی بین آنهاست. کلید اصلی برای محصور سازی گرانشی ،جرم مطلق ستاره است. در نتیجه ، تقریبا غیر ممکن است واکنش همجوشی از طریق محصور سازی گرانشی کنترل شده بر روی زمین ایجاد کرد.

1-3-2- محصور سازی اینرسی

یکی از بهترین نمونه های مدرن و روز پژوهش بر روی محصور سازی اینرسی است که در سیستم احتراق ملی (NIF) واقع در آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور در لیورمور کالیفرنیا اتفاق افتاد. NIF از 192 باریکه لیزری شدید برای ایجاد دماهای شدیدا بالا و فشارهای مورد نیاز برای رسیدن به همجوشی استفاده می شود. یکی از راه های استفاده از این لیزرها با استفاده از روش محرک مستقیم است که در آن باریکه های لیزری بر روی یک قرص سوخت کروی کوچک که حاوی تنها چند میکروگرم از دوتریوم و تریتیوم متمرکز شده است می تابند. قسمت بیرونی قرص سوخت را فشرده می کند تا اینکه سریعا به حالت انفجار برسد. با استفاده از قانون سوم نیوتن، نیرو به سمت داخل برابر و در خلاف جهت به قرص سوخت وارد می شود که باعث بروز انفجار می شود. این سوخت D-T را در داخل فشرده میکند و موج شوکی فراهم می کند که حرارت بیشتری فراهم میکند و ایجاد یک واکنش خود سازگار می کند. همجوشی در حال سوختن به سمت خارج از مرکز قرص سوخت با آهنگی سریعتر از سوخت انتشار می یابد و می تواند منبسط شود در این روش پلاسما توسط اینرسی جرم متعلق به قرص سوخت محصور می شود که به آن عبارت همجوشی از طریق محصور سازی اینرسی نسبت می دهند.

محققان در NIF، آزمایش هایی را هم با استفاده از روش محرک مستقیم و هم غیر مستقیم انجام دادند؛. در روش محرک غیر مستقیم، قرص سوخت را در یک ظرف طلا ی خالی کوچک قرار می دهند. سپس باریکه های لیزری بر روی هالورام به جای خود قرص سوخت متمرکز می شوند. دیواره های داخلی هالورام ها به طور چشمگیری گرم می شوند و یک پلاسما ایجاد می شود که تابش حمامی از اشعه های ایکس نرم ایجاد می کند. این روش همان شیوه ای است که در روش محرک مستقیم بکار می رود. اشعه های X به سرعت سطح خارجی قرص سوخت را گرم می کند و در خارج از لایه بیرونی، دوباره باعث انفجار و احتراق قبل از متلاشی شدن قرص سوخت می شود.

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

برای محاسبه فشار تقریبی به دست آمده با سیستم لیزری NIF با استفاده از روش محرک مستقیم توجه داشته باشید که لیزر قادر به انتقال یک مگا ژول انرژی در طی یک دوره 2 نانو ثانیه ای به یک قرص سوخت است که در حدود 1mm شعاع دارد. توان متوسط ​​در واحد سطح <S> که توسط موج الکترومغناطیسی انتقال می یابد از مرتبه W / M² 10²³ می باشد و بنابر اینفشار تابشی عبارت است از:

این تقریبا ده میلیارد برابر فشار جو زمین است. ضریب 2 به این علت وارد شده است که کپسول قرص سوخت کاملا بازتابنده است زیرا تکانه خطی فوتون تغییر جهت می دهد به جای اینکه فقط جذب صورت گیرد. به منظور دریافت بهره خالص انرژی از سیستم لیزر، NIF ادعا می کند که نیروگاه انرژی همجوشی به طریق محصور شدگی لختی در هر نقطه نیازبه ده تا بیست انفجار قرص سوخت در هر ثانیه دارد. اگر به این شرایط بتوان دست یافت ، چنین نیروگاهی می تواند بیش از 1000 مگا وات برق تولید کند.

به هر حال امروزه یک مرکز مانند NIF تنها قادر است چندین شوت(پرتاب) در هر روز انجام دهد به دلیل نیاز به دقت پیکربندی مجدد این آزمایش و امکان این که قطعات نوری سرد باقی می مانند، چالش مهندسی تنظیم دقیق مجدد قرص سوخت در هالورام ده تا بیست بار در هر ثانیه همچنان در آنجا باقی است.

1-3-3- محصور سازی مغناطیسی

محصور سازی مغناطیسی به خوبی مورد مطالعه قرار گرفته و محصور سازی پلاسما را تشکیل می دهد. به دلیل نیروی لورنتس:

حرکت ذرات باردار را می توان با استفاده از میدانهای الکتریکی و مغناطیسی کنترل کرد. از آنجا که طبق تعریف پلاسما ها متشکل از ، ذرات بارداری هستند که می توانند آزادانه حرکت نمایند پلاسما باید واکنش جمعی به یک میدان اعمالی نشان دهد.

دو تا از طرح های پیشرو مربوط به راکتورهای مغناطیسی محصور سازی شده Stellarator (اسلاراتورها) و tokamaks (توکاماکها) می باشند.

شکل 1-3- سیم پیچ مارپیچی

a .استلاراتورها

استلاتورها توسط لیمن اسپیتزر، مدیر موسس آزمایشگاه فیزیک پلاسما پرینستون (pppl)، در اوایل دهه 1950اختراع شد و همچنان کار بر روی این وسایل ادامه دارد. یکی از ساده ترین راه ­ها برای محصور سازی مغناطیسی یک پلاسما قرار دادن یک سیم در اطراف استوانه وقرار دادن پلاسما در درون آن است. ذرات باردار حرکت دایره­ای در صفحه عمود بر میدان مغناطیسی تجربه می کنند، اما در صورتی که آنها دارای مقداری سرعت اولیه­ موازي با میدان مغناطیسی اعمالی باشند آنها در آن جهت به آرامي سوق می یابند و تحت تاثیر میدان اعمال شده قرار نمی گیرند. در نتیجه در این حالت ، پلاسما، حرکتی به شکل مارپیچ دارد، حرکت سوقی از انتهاهای استوانه صورت می گیرد و دیگر محصور سازی طولانی وجود نخواهد داشت. گام منطقی بعدی به سادگی خم شدن انتهاها و به شکل چنبره ای در آوردن، و یا شکل دونات خواهد بود. مشکل سیم پیچ یک سیملوله چنبره ای(شکل 3) این است که میدان مغناطیسی دیگر یکنواخت نیست.ميدان به سمت مرکز قوی تر است، جايي که سیم ها به هم نزدیک تر و متراکم ترهستند. این عدم تقارن در نهایت باعث خراب کردن محصور سازی می شود.برای حل این مشکل، استلاتورها شکل هندسي ميدان مغناطيسي را به وسيله­ي زوج چنبره مارپيچی شکل براي حذف اثر مذکور تغييرمي­دهند. نتیجه آن یک ماشین واقعا عجیب و غریب است. (شکل 5)

شکل 4 عکسی از قسمت های اتاقک خلاء آزمایش ناتماماستلاتور(NCSX) در PPPL را نشان می دهد. توکاماک ها(به طور کامل در بخش بعدی مورد بحث قرار می گیرند) برای از بین بردن نیاز به این هندسه میدان مغناطیسی با اعمال جریانی از طریق خود پلاسما عمل می کنند. حلقه جریان یک میدان مغناطیسی تولید می کند که کمک می کند تا پلاسما محصور گردد. به طور معمول، استلاتورها تنها از میدان های مغناطیسی خارجی برای محصور کردن پلاسما استفاده می کنند.

شکل 1-4- سیم پیچ های پیچیده شده در اطراف قسمتهای سوار نشده و چیدمان نیافته محفظه خلاء NCSX در PPPL. عکس در سال 2010 گرفته شده است.

شکل1-5-نمونه ای از هندسه استلاتور

NCSX یک کلاس جدیدی ازاستلاتورها است که به عنوان استلاتورهايفشرده شناخته می شود، که استفاده از جریان پلاسما و میدان های خارجی برای به انجام رساندن و شکل دادن را تسهیل می کند و اجازه می دهد در یک ماشین خیلی فشرده تر به کار رود. متاسفانه، این پروژه NCSX به طور چشمگیری هزینه بر بوده و در نتیجه در سال 2008 لغو شد. قطعات سوار نشده و چیدمان نیافته NCSX هنوز در PPPL باقی مانده است.

از آنجا که نوعا استلاتورها جریان ی را درون پلاسما انتقال نمی دهند، فاقد تقارن محوری موجود در توکاماک ها­ هستند. اما این بدان معنی است که آنها به یک ترانسفورماتور برای القاء جریان پلاسما نياز ندارند. در نتیجه،استلاتورها دارای مزیت منحصر به فردی است نسبت به توکامک ها هستند و بیشتر مناسب برای عملیات مستمرمی باشندتوکاماک ها­ بدون امکانات کمکی معمولا باید در حالت پالسی کار کنند. سال های متمادی، اعتقاد بر این بود که هندسهاستلاتورهابیش از حد پیچیده است، به ویژه هنگامی که مهندسی ماشین ساخته شده مطرح شد، و در نتیجه، بسیاری از تحقیقات محصورسازی های مغناطیسی بر رویتوکاماک ها­متمرکز شد. اما در سال های اخیر، به عنوان فن آوری های تولید بهبود یافته است و دانشمندان موفق به درک عمیق تر از علم هیدرودینامیک مغناطیسی شده اند، تا اینکه علاقمندی بهاستلاتورها معطوف شده است. در حال حاضر در Grefswald، آلمان در موسسه ماکس پلانک فیزیک پلاسمااستلاتورهايجدیدی به نام Wendelstein 7-X در حال ساخت است. ایناستلاتوربا سیم پیچ ابررسانای مدولاری مجهز شده است که قادر است به عملکرد پلاسما در حالت پایا کمک کند. سیم پیچ های مدولار اجازه خواهند داد که دانشمندان به تنظیم دقیق میدان مغناطیسی بپردازند که می توان آن را بهینه کرد. دانشمندان انتظار دارند، که این محصور سازی پلاسما تعادلی برابر با یک توکامک داشته باشد، بدون اینکه مشکل اضافه جریان پلاسما فراهم آید.

b. توکاماک­ها

توکامک همتایی در مقابلاستلاتور آمریکایی است. مانند استلاتورها، توکاماک ها از میدانهای مغناطیسی برای محصور کردن پلاسما و نگه داشتن آن دور از دیواره های محفظه خلاء استفاده می کنند که در غیر این صورت پلاسما سرد و از هم پاشیده می شود.اما به جای استفاده از یک میدان مغناطیسی مارپیچ چرخان، یک میدان مغناطیسی پولوئیدی کمک می کند توکامک تقارن محوری خود را با ایجاد یک جریان در پلاسما حفظ کند.

همانطور که در شکل 6 دیده می شود، توکامک شامل یک محفظه خلاءچنبره ای است که در آن پلاسما توسط یک سری آهن ربا هایی احاطه شده است. توکامک ها از هر دو میدان های مغناطیسیتوروئیدی و پولوئیدی برای محصور کردن پلاسما استفاده می کنند.سیم های مسی در اطراف و در داخل میدان توروئیدی (TF) سیم پیچی می شوند و یک جریان از میان آنها عبور می کند. طبق قانون دست راست این کار جریانی را در جهت توروئیدی که در راستای چنبره است القا می کند. جالب توجه است که سیم پیچ هایTF در اطراف محفظه خلاء در جهت توروئیدی سیم پیچی می شوند ، اما میدان مغناطیسی که آنها القا می کنند در جهت توروئیدی است،. میدان پولوئیدی از جریان درون پلاسما ناشی می شود که توسط سیم پیچ ترانسفورماتور پالسی واقع در مرکز توکامک ایجاد می شود . برهمنهی این دو میدان مغناطیسی، باعث می شود ذرات باردار در پلاسما به صورت مارپیچی در راستای جهت توروئیدی حرکت کنند، که توسط فلش ​​در شکل 6 نشان داده شده است. میدان مغناطیسی نهایی از میدان عمودی (VF) سیم پیچ ها ناشی می شود که به ثابت ماندن موقعیت جریان در پلاسما کمک خواهد کرد. ترانسفور ماتور در مرکز توکامک در واقع دو وظیفه دارد: نه تنها القای یک جریان در پلاسما را به عهده دارد بلکه ، با گسترش، همچنين باعث گرم شدن پلاسما می شود.این جریان الکترون ها و یون های پلاسما را تحریک کرده و باعث حرکت سریع تر و برخورد با یکدیگر می شوند.