محصولات باردار همجوشی: Ech
عدد اتمی ذرات درگیر در واکنش: Z
میزان انرژی حمل شده توسط نوترون ها
اتلاف انرژی از طریق تابش ترمزی و….
در رابطه با همجوشی D-D و D-T اتلاف انرژی از طریق تابش ترمزی مشکل جدی و مهمی است که باید حل شود، برای سوختهای سنگینتر D-3He و p-11 B و ۳He-3He میزان این اتلاف به قدری است که کار یک راکتور همجوشی بر اساس طرحهای توکامک و همجوشی لیزری را ناممکن میسازد.
(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))
تابش سینکروترونی نیز نکته دیگری است که باید مورد توجه قرار گیرد. بررسیها نشان دادهاند که درمورد همجوشی D-T تابش سینکروترونی نقش چندانی در بالانس انرژی ندارد، در حالی که در مورد همجوشی ۳He-D این اثر قابل توجه است. و این مشکل باید در طراحی رآکتورهای احتمالی۳ He -D حل شود [۳۸].
درصدی از انرژی کل واکنش که توسط نوترونها حمل میشود، در مورد D-T حدود ۸۰ درصد، در مورد D-D حدود ۶۶ درصد و در مورد ۳ He –D و p-11B بسیار ناچیز و نزدیک به صفر است که این امر مشکلات مختلف مربوط به نوترونها از جمله تخریب تابشی، حفاظگذاری بیولوژیکی، کنترل از دور، ایمنی و اتلاف توان همجوشی توسط آنها را کاهش میدهد [۳۹].
پلاسما حالت چهارم ماده
پلاسما گازی یونیزه و داغ میباشد که حاوی تعداد تقریبا برابری از یونهای مثبت باردارشده و الکترونهای با بار منفی میباشد. مشخصات پلاسما کاملا با گازهای خنثی طبیعی متفاوت است (گازهای معمولی به سبب خنثی بودنشان از لحاظ بار الکتریکی توانایی عکس العمل در مقابل مغناطیس و میدان وابسته به آن را ندارند.) از این روست که پلاسما به عنوان حالت چهارم ماده معرفی شده است. برای مثال، به این علت که پلاسماها ذرات باردار الکتریکی تولید می کنند، تا زمانی که گاز بطور خنثی نباشد، به شدت تحت تاثیر میدانهای مغناطیسی و الکتریکی قرار میگیرد. مثالی از چنین تاثیری، به دام اندازی ذرات باردار پر انرژی در عرض خطوط میدان مغناطیسی زمین، به فرم کمربندهای تشعشی ون آلن[۳۰] است.
علاوه بر میدانهای خارجی اعمال شده، مانند میدان مغناطیسی زمین و یا میدان مغناطیسی بین سیارهها، پلاسما براساس میدانهای الکتریکی و مغناطیسی ایجاد شده توسط خود پلاسما و از طریق تغییر غلظت بار محلی و جریان الکتریکی ایجاد شده عمل می کند، که در نتیجه حرکتهای متفاوت یونها و الکترونها ایجاد میشود. نیروهای اعمال شده توسط این میدان روی ذرات بارداری که عمل پلاسما را در طول فواصل طولانی ایجاد می کند، تاثیر گذاشته و سبب یکنواختی رفتار انتقالی ذرات و کیفیت بالایی میگردد که در گازهای خنثی دیده نمیشود. به رغم وجود غلظت بارهای محلی و پتانسیل های الکتریکی، پلاسما از نظر الکتریکی “شبه خنثی” است، زیرا بطور کل، تعداد تقریبا برابری از ذرات باردار مثبت و منفی طوری پراکنده شده اند که تاثیر بارهای یکدیگر را از بین میبرند.
روشهای تولید پلاسما
الف) تخلیه الکتریکی:
اگر میدان الکتریکی نیرومندی بر گازی معمولی اعمال کنیم ممکن است تعدادی از الکترونها، اتمهای خود را ترک کنند. هر اتم که به این ترتیب تحت تاثیر قرار بگیرد به طور مثبت باردار میشود و در این حالت میگوییم اتم به یون تبدیل شده است. الکترونهای جدا شده که بار منفی دارند آزادانه در دستگاه حرکت میکنند و از میدان الکتریکی انرژی میگیرند، با افزایش سرعت، به اتمهای دیگر برخورد می کنند و سبب آزاد شدن الکترونهای بیشتری میشوند. این کار به طور پیدرپی صورت میگیرد و تعداد الکترونهای آزاد شده مدام افزایش مییابد. این فرایند به فرایند آبشاری معروف است. در این میان تخلیه الکتریکی گسترش مییابد و جریان الکتریکی برقرار میشود. گاز قبل از تخلیه الکتریکی، نارسانا بود. در مواقعی که تخلیه الکتریکی بسیار قدرتمندی انجام میگیرد، ممکن است تمام اتمهای گاز به سبب فرایند آبشاری یونیزه شوند و گاز به پلاسما تبدیل شود.
مخلوط همجوشی با فشار کم را در محفظه چنبرهاى شکل داخل کرده، به کمک یک سیستم اولیه متشکل از چند بوبین، یک میدان مغناطیسى معروف به چنبرهاى، پدید می آید. سپس، به کمک هایپِرفرکانسها (فوق بسامدها)، محتوى محفظه چنبرهای، یونیزه گشته و در نهایت از طریق القا با افزایش تدریجى میدان مغناطیسى پدیدآمده بوسیلهی یک سیم لوله (سولونوئید( که در جهت محور سامانه قرار داده شده است، یک جریان پلاسما بوجود می آید.
ب) تولید پلاسما در درجه حرارت های بالا:
با رساندن دمای گاز به درجه حرارتهای بالا نیز میتوان پلاسما بوجود آورد. دمای لازم برای تولید این نوع پلاسما به روش یونیزاسیون حرارتی بسیار زیاد و از مرتبه دهها هزار درجه است و واقعیت این است که دانشمندان در مواقع بسیار نادر و ویژه از این روش برای تولید پلاسما استفاده می کنند.
پارامترهای بنیادی پلاسما
همه مقادیر در واحد گاووسی[۳۱] (cgs) بیان شده است. غیر از دما که در واحد الکترون ولت آورده شده است و جرم یون که بر حسب واحد جرم پروتون و بصورت میباشد. Z مقدار بار، k ثابت بولتزمن[۳۲]، K عدد موج، لگاریتم کولن است [۴۰].
که برای الکترون: lnᴧ≈۱۳.۶
و برای یک یون: lnᴧ≈۶.۸
۲-۶-۱- فرکانسها در پلاسما
فرکانس زاویهای حرکت چرخشی الکترون در جهت عمود بر میدان مغناطیسی[۳۳]:
ωce=eB/mec=1.76×۱۰۷ Brad/s
فرکانس زاویهای حرکت چرخشی یون در جهت عمود بر میدان مغناطیسی[۳۴]:
ωci=ZeB/mic=9.58×۱۰۳ Zμ-۱ Brad/s
فرکانس الکترونهایی که نوسان می کنند[۳۵](نوسان پلاسما):
ωpe=(4πnee2/me)1/2=5.64×۱۰۴ ne1/2 rad/s
فرکانس پلاسمای یونی:
ωpi=(4πniZ2 e2/mi)1/2=1.32×۱۰۳ Zμ-۱/۲ ni1/2 rad/s
سرعت به دام اندازی الکترون:
?Te=(eKE/me)1/2=7.26×۱۰۸ K1/2 E1/2 s-1
سرعت به دام اندازی یون:
?Ti=(ZeKE/mi)1/2=1.69×۱۰۷ Z1/2 K1/2 E1/2μ-۱/۲ s-1
سرعت برخورد الکترون در پلاسمای کاملا یونیزه شده:
?e=2.91×۱۰-۶ ne lnᴧ Te-3/2 s-1
سرعت برخورد یون در پلاسمای کاملا یونیزه شده:
?i=4.80×۱۰-۸ Z4 μ-۱/۲ ni lnᴧ Ti-3/2 s-1
سرعت برخورد الکترون (یون) در پلاسمای کمی یونیزه شده:
که <σν>e,i سطح مقطع برخورد الکترون (یون) در اتمهای (مولکولهای) گاز عامل، f(ν) تابع توزیع الکترون (یون) در پلاسما و N غلظت گاز عامل میباشد [۴۰].
۲-۶-۲- سرعتها در پلاسما
سرعت حرارتی الکترون: سرعت معمول یک الکترون در توزیع ماکسول-بولتزمن
?Te= (kTe/me)1/2=4.19×۱۰۷ Te1/2 cm/s
سرعت حرارتی یون: سرعت معمول یک یون در توزیع ماکسول-بولتزمن
?Ti= (kTi/mi)1/2=9.79×۱۰۵ μ-۱/۲ Ti1/2 cm/s
گرم کردن پلاسما
یکی از مهمترین مسائل در طراحی راکتورها گرم کردن پلاسما برای ایجاد شرایط مورد نیاز همجوشی خوبخودی میباشد. حتی برای سادهترین واکنشهای همجوشی که بطور معمول برای تولید الکتریسیته با صرفه اقتصادی، معمولا به حدود ۱۰۰ میلیون درجه سانتی گراد دما نیاز است. این نیاز به دمای بالا به ۴ روش تامین میگردد [۴۱]:
گرم کردن مقاومتی[۳۶]
گرم کردن از طریق فشردن
گرم کردن توسط تاثیر میدانهای الکترومغناطیسی
تزریق پرتو خنثی
۲-۷-۱- گرمایش مقاومتی
گرم کردن از طریق سیم فلزی حامل جریان صورت میگیرد. ولتاژ مناسب برای لوازم خانگیV220 میباشد و اگر جریان بیش از حد بالا برای این ولتاژ خالص V220 اعمال شود جعبه فیوز خانگی از ذوب شدن سیمها جلوگیری می کند. وارد کردن مقدار ایمن و مناسبی از جریان نیز از تاثیرات دمایی بالا برای سیمها و شروع آتش سوزی جلوگیری می کند [۴۱].
به استثنای مواد ابر رسانا، هیچ محیط رسانایی، مانند سیمهای فلزی، وجود ندارد که در آن، الکترونها بتوانند از یک اتم به آسانی به اتم دیگر بپرند مگر اینکه بخشی از انرژی خود را بصورت گرما از دست بدهند که علت آن از دست دادن بخشی از اندازه حرکت الکترونها در برخورد با سایر ذرات طبق اصل پایستگی تکانه و تبدیل آن به گرما میباشد. پلاسما بسیار خوب است اما یک هادی ایدهآل نیست و مقاومت آن از مرتبه یک میلیونیوم اهم است. این مقدار مقاومت جزیی باعث گرم شدن پلاسماهایی با چگالی کم (مانند پلاسماهایی که در توکامک استفاده میشود) تا دماهایی از مرتبه میلیون درجه سانتیگراد میگردد و تا دماهای ۱۰ میلیون درجه سانتیگرادموثر میباشد. در مقادیر دمایی فراتر، مقاومت پلاسما بیش از حد ضعیف شده و اثر بخشی روش را کاهش میدهد. گرمایش مقاومتی سبب ذخیره توانی در واحد حجم پلاسما، با معادله (۲-۵) داده میشود: