مرحلۀ برهمکنش مرحلۀ ابتدائیترین مرحله در ICF است که در آن انرژی به کپسول شامل سوخت D-T منتقل می شود. در اصل دو روش برای انتقال انرژی وجود دارد که شامل تشعشعات لیزر و تشعشع ذرات میباشند. برای پدیدهای که تنها با انرژی ورودی ارتباط دارد، اغلب هیچ تمایزی بین تشعشعات لیزر و ذرات وجود ندارد. بنابراین در ICF کلمۀ مولد برای منبع انرژی بکار میرود.
( اینجا فقط تکه ای از متن پایان نامه 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. )
شکل۱-۶- شکل طرح وار از برهمکنش لیزر با هدف و شکل گیری جرم بحرانی [۱۵].
با وجود این فرایند برهمکنش اولیه زمانیکه از تشعشعات لیزر یا ذرات استفاده می شود به طور چشمگیری باهم فرق دارند. اساساً، نور لیزر با سطح مادهای که با آن مواجه می شود برهمکنش می کند، درحالیکه تشعشعات ذرات تا فاصلۀ مشخصی در ماده نفوذ می کند. بنابراین فرایند مفصل مرحلۀ برهمکنش به نوع مولد مورد استفاده وابسته است. در هر دو حالت هدف انتقال بیشترین مقدار انرژی است.
بعلت اینکه بررسی برای دستیابی به شرایط همجوشی با مولدهای لیزری پیشرفته تر است، بنابراین ما دراینجا مولد را لیزری در نظر میگیریم. در این حالت به محض اینکه شعاع لیزر با خارجیترین سطح کپسول تماس پیدا می کند، پلاسما تشکیل می شود و به سمت خارج پراکنده می شود. همانطور که در شکل(۶-۱) دیده می شود چگالی پلاسما در نزدیکی کپسول بیشترین مقدار را دارد و با دور شدن از آن کمتر می شود. زمانی که پلاسما تولید می شود شعاع لیزر از آن عبور می کند و به کپسول میرسد. حال مشکل اینجاست که در چگالی بیشتر از چگالی بحرانی پلاسما از نفوذ شعاع لیزر جلوگیری می کند. زیرا سطح چگالی بحرانی کمی از سطح جامد کپسول فاصله دارد و انرژی لیزر مستقیماً بر سطح کپسول نمینشیند.
محل سطح چگالی بحرانی به شدت به طول موج و طول شعاع پالس شعاع لیزر بستگی دارد. از این رو انتخاب این پارامتر برای جفت شدگی مؤثر انرژی لیزر و هدف اساسی است. این پارامترها فقط گاف بین سطح هدف و سطح بحرانی را تعیین نمیکنند، اما همچنین میزان پراکندگی و بازده مرحلۀ بعد یعنی تراکم را تعیین می کنند.
مرحلۀ تراکم:
مرحلۀ برهمکنش به میزان زیادی موفقیت مرحلۀ تراکم را از قبل پیشبینی می کند (یعنی اینکه طی چه مقدار زمانی میتوان سراسر کپسول را همزمان نوردهی کرد). نوردهی غیر کامل در دو مقیاس رخ میدهد-میکروسکوپی و ماکروسکوپی. برای مثال نوردهی غیر کامل از نوع ماکروسکوپی می تواند به علت تعداد ناکافی شعاع های نور و یا وجود نا برایری توان شعاع های مختلف باشد. یک دلیل دیگر نیز از غیر متحدالشکل بودن میکروسکوپیک حضور نوسانات فضایی در یک شعاع رخ میدهد. نکته مهمی باید به آن توجه نمود این است که هر دو نوع ناهنجاری می تواند به ناپایداریهایی در مرحلۀ تراکم بیانجامد.
دو روش برای رفع ناپایداری های ماکروسکوپیک وجود دارد.یک روش افزایش تعداد شعاع به مقدار کافی است، که در طرح فرایند همجوشی مستقیم ICF انجام می شود. هرچند، استفاده از تعداد زیاد شعاعهای لیزر چنین سیستمی را گران و دارای چالش تکنیکی میسازد. اما برای عملی شدن این طرح آزمایشات درایو مستقیم در مقیاس کوچکتر و تعداد شعاعهای کمتر انجام شده است.
شکل۱-۷- شکل فرایند همجوشی غیر مستقیم [۱۵].
یکی از روش های مستقیم برای این رهیافت، تآثیر غیر مستقیم اشعۀ x است، که در اصل در ایالات متحده، فرانسه، ژاپن و بریتانیا توسعه یافته است. در طرح اولیه انرژی لیزر ابتدا توسط یک جسم سیاه ایدهآل جذب می شود. که اساساً پوششی در اطراف کپسول ICF است. یک تصویر طرح وار از طرح درایو غیر مستقیم در شکل (۷-۱) نشان داده شده است. در اینجا تشعشعات لیزر به طور مستقیم به کپسول اصابت نمیکند، بلکه به داخل پوشش برخورد می کند. این پوشش شامل موادی با عدد اتمی بالا است و هنگامی که توسط تشعشعات لیزر گرم می شود اشعه ایکس گسیل می کنند. که این اشعه ثانویه میباشد که منجربه انفجار کپسول ICF می شود. طراحی چنین هدفی به تبدیل ۷۰-۸۰ درصدی انرژی به اشعه x میانجامد. بنابرین در این طرح به تزریق انرژی بیشتری نیاز مندیم اما ناپایداریهای هیدرودینامیکی در این طرح نامحسوستر است و نیازهایی که به علت ناموزونی اشعههای لیزر بوجود می آید کمتر می شود. هنوز مشخص نیست که کدام رهیافت –مستقیم و غیر مستقیم- برای دستیابی به انرژی همجوشی اینرسی (IFE) مناسبتر است و آزمایشگاههای تجربی زیادی در زمینه هر دو طرح وجود دارد.
در گذشته قدرتمندترین سیستمهای لیزری برای درایو مستقیم، GEKKO XII، در اوزاکای ژاپن و، Omega ،در آزمایشگاه دانشگاه روچستر در ایالات متحده بود. در، ,GEKKO XII سیستم شامل ۱۲ شعاع بود که انرژی، ۱۰ kJ، را در یک نانوثانیه و طول موج،۰٫۵ µm، یا، ۰٫۳۵ µm، حمل میکرد. که، GEKKO XII، برای تحقیقات راجع به شعله کشی سریع دوباره طراحی شد. اما امروز فقط امگا وجود دارد که دارای ۶۰ شعاع میباشد و برای هرپالس به مقدار انرژی، ۴۰ kJ ، رسیده است. گرچه طرحهایی برای تشکیلات شعله کشی بین المللی وجود دارد (NIF)، که در دست ساختاند و برای طرح درایو غیر مستقیم بهینه میشوند البته بوسیله آزمایشات درایو غیر مستقیم را نیز میتوان انجام داد.
شکل ۱-۸- طرح روند زمانی ناپایداری رایلی- تیلور [۱۴].
طرح درایو غیر مستقیم از طرف ایالات متحد و فرانسه بسیار مورد توجه قرار گرفته. بطوریکه کاربردهای نظامی نقش اصلی را در برنامۀ، ICF، بازی می کنند و سیستمهای لیزری جدید در دست ساختند (NIF and Laser Mega joule [LMJ]). برای یک مولد نیرو کلیه فرایند های شعله کشیدن باید با آهنگ ثانیه تکرار شود(مانند آزمایشات آتی) که ممکن است طرح درایو مستقیم را قابل قبولتر بسازند.
شکل۱-۹- پارامترهای R و ΔR[14].
با هیچ طرحی ناپایداریها را کاملاً نمی توان از بین برد. بویژه که باید با کلاس معروفی از ناپایداریها تحت عنوان ریلی- تیلور نیز کنار بیاییم. این ناپایداریها زمانی رخ می دهند که یک ماده با چگالی بیشتر را به سمت مادهای با چگالی کمتر بفشاریم. یک مثال کلاسیک از این ناپایداری آب بر روی روغن است. اگر این حالت شبه پایدار مختل شود، مخلوطی از دو ناحیه تشکیل می شود که در شکل (۸-۱) نشان داده شده است. اگر هم فرض کنیم که در، ICF، هیچ ماده سبک یا سنگینی وجود نداشته باشد، پس برای چه ناپایداریهای ریلی تیلور اتفاق میافتد؟ زمانی که هدف متراکم می شود، پلاسمای داغ به سمت پلاسمای سردتر هل داده میشودکه این معادل با فشار مایع سنگین تر بر سبک تر است، ناپایداریهای رایلی-تیلور در این شرایط نیز می تواند اتفاق بیافتد. مخلوطی از پلاسمای داغ و سرد بوجود می آید، که به سردشدن نامطلوب پلاسمای داغ میانجامد.
چون این عمل برای ترکم بد است، بنابراین اهداف باید طوری طراحی شوند که ناپایداریهای رایلی-تیلر تا حد ممکن کمینه شوند. که دراینجا نسبت شعاع پوسته، ، به ضخامت آن، ، پارامتر تعیین کننده ای می شود. محاسبات نشان داه است که کسر نسبی جهش به داخل[۱۴]() باید از مرتبۀ ۲۵-۴۰ باشد، این شرط نه تنها در ابتدا بلکه در تمام مراحل انفجار به سمت داخل باید ارضاء شود. بنابراین ازبین بردن ناپایداریهای رایلی-تیلور، به طور مستقیم بر طراحی کپسول ICF شامل دوتریوم تریتیوم تأثیر گذار است.
پارامتر های مهم در پیشرفت ناپایداریهای رایلی-تیلور در طول انفجار به داخل شامل، عدد موج ناپایداریها، شتاب پلاسما و گرادیان چگالی در داخل پلاسما میباشند. طول موج های هارمونیک این نقصها، به میزان زیادی توسط رسانایی گرمایی میرا می شود. مخرب ترین نقصها در طول موج میانه قرار دارد.
اجازه دهید فرض کنیم که هدف به طوری ایدهآل طراحی شده که ناپایداریهای رایلی-تیلور بوجود نمیآید. حال چه چیزهای دیگری برای مرحلۀ تراکم وجود دارد؟ شتاب گرفتن باید طوری انجام شود که تا حد امکان از خلق الکترونهای داغ اجتناب شود. این الکترونهای داغ میتوانند موجب پیش گرمایش سوخت شده و جبهۀ شوک ناخواستهای را تولید کنند. پیش گرمایش سوخت نامطلوب است، زیرا همان طور که ذکر شد متراکم کردن را سختتر میسازد.
مخصوصاً اگر از انتقال دهندۀ انرژی مانند لیزر استفاده شود پیش گرمایش اجتناب ناپذیر می شود. هرچند که برای جلوگیری از پیشگرمایش شکل پالسها را طوری میتوان انتخاب نمود که از بوجود آمدن شوکهای نامطلوب اضافی تا اندازهای اجتناب شود. با وجود این اگر بخواهیم فشاری را در مدت زمان معقولی برقرار کنیم، استفاده از اموج شوکی را نمی توان به طور کامل کنار گذاشت. از این رو ابتدا از یک پیش پالس کم توان استفاده می کنند بعد از آن توان پالسها را به تدریج زیاد می کنند که با این روش میتوان سوخت را به طور بی دررو شتاب داد.
مرحلۀ شتاب منفی[۱۵]
هنگامی که بخش داخلی سوخت به مرکز کپسول میرسد مرحلۀ شتاب منفی شروع می شود. انرژی جنبشی بخش داخلی سوخت به انرژی درونی تبدیل می شود. نتیجۀ آن این است که دما و انرژی در مرکز افزایش مییابد، در حالی که بخش اصلی سوخت نسبتاً دست نخورده باقی میماند.
در مفهوم لکه داغ سرعت سوختی که به سمت داخل میرود حداقل باید به ۱۰۷×۲ برسد تا بتوان به چگالی و دمای مناسب شروع همجوشی در پلاسمای ناحیه لکۀ داغ رسید.
برای دستیابی به چنین چگالی و دمای بالایی در ناحیۀ لکۀ داغ توالیی از پالسهایی که شدت آنها افزایش مییابد نیاز است، تا به تراکم بیدرروی مناسب دست یابیم. در مرحلۀ شتاب منفی آخرین پالس شوک باید زمانی عمل کند، که اولین شوک در داخل سوخت متراکم در مرکز قرار داشته باشد. بنابراین زمانبندی شوکها در این مرحله ضروری میباشد.
مرحلۀ شعله کشی و سوختن[۱۶]
زمانی که شرایط دما و فشار در ناحیۀ لکه داغ مناسب باشد، شعله کشی و شروع همجوشی رخ میدهد. ذرات تولید شده در ابتدا انرژی خود را به مرکز انتقال می دهند، و دمای آن را به سرعت بالا میبرند. تشعشعات، نوترونهای همجوشی و رسانایی گرمایی توسط الکترونها، انرژی را از ناحیۀ لکۀ داغ به نواحی خارجی تر سوخت منتقل می کنند. دمای ناحیه خارجی تر افزایش مییابد، بنابراین همجوشی نیز در این ناحیه می تواند رخ دهد، و سوختن به سمت خارج انتشار مییابد.
تمام این فرآیندها تقریباً۱۰ ps بطول میانجامد. بطوریکه در این مدت در انتهای سوخت باقیمانده زمان فشار زیادی بوجود می آید که در انتها سوخت باقیمانده و ذرات گرم را پراکنده میسازد، که این انتهای چرخه ICF است. در یک رآکتور سوخت بعدی باید تزریق شود و کلیۀ فرآیندها مجدداً تکرار شود. در مرحلۀ آخر چون ذرات پراکنده میشوند، رعایت نکات ایمنی اهمیت پیدا می کند.
بهره[۱۷]
در فرآیندهای همجوشی زمانی انرژی بدست می آید که انرژی تولید شده در محصولات همجوشی بیشتر از انرژی تزریق شده باشد. متأسفانه، انرژی تزریق شده، تنها انرژی لازم برای گرم کردن سوخت نیست. بلکه چندین نقص نیز باید در طول این فرایند در نظر گرفته شود. یکی از آنها وجود نشتیهایی در خود حامل انرژی است، که این نشتیها موجب کاهش انرژی ورودی به کپسول سوخت، به اندازۀ سه تا بیست برابر می شود. بعلاوه، اتلاف انرژیهایی در مرحلۀ تراکم به دلیل دینامیک این مرحله وجود دارد بعنوان مثال ناپایداریهای رایلی-تیلور و بازدۀ محدود سوختن، همانگونه که در بالا به آن اشاره شد. این نقصها در بازده سوختن به انرژی معادل ده تا بیست برابر انرژی خالص مورد نیاز میباشد.
این اتلاف انرژی در طول فرآیندهای ICF مسئلۀ اصلی در دستیابی به همجوشی خود سازگار است. بنابراین بازده بالای مولد انرژی و بهرۀ انرژی بالا از نکات اصلی میباشند. در مرحلۀ اجرا مسئله پیشرفت تکنولوژی است و بعد از آن طراحی پیچیدۀ هدف و انتخاب شعاع مناسب است.
-۳-۲-۱وضعیت
هنوز دانشمندان به شرایط مناسب همجوشی دست نیافتهاند، اما به طور مستقل به دو هدف رسیده اند: انفجار ۱۴۲×۱۰ نوترون اندازه گیری شده و چگالی معادل ۶۰۰ برابر سوخت مایع ایجاد شده است. در عمل تنها به نوترونهایی با دمای ۱۵ keV و چگالی در حدود ۲ حاصل شده است. در چگالی بالا بیشترین دمای بدست آمده در حدود۳۰۰ eV بوده، که بسیار کمتر از دمای مناسب برای تولید تعداد واکنشهای همجوشی قابل قبول اند. هنگامیکه لیزر با سطح هدف برهمکنش می کند، اتمها به سرعت یونیزه میشوند و پلاسمایی شامل یونهایی با بار مثبت و الکترونهایی با بار منفی بوجود میآیند. پس از آن کلیه فرآیندها مانند جذب انرژی لیزر یا تراکم سوخت در محیط پلاسما اتفاق میافتد. به همین دلیل مورد بررسی قرار دادن کلیه پدیده های فیزیکی که در محیط پلاسما رخ می دهند حائز اهمیتاند.
-۳-۱ شیوه های توصیف پلاسما
به طور کلی دو روش برای توصیف پلاسما وجود دارد، بررسی پلاسما بعنوان مایع و یا شامل تعداد زیادی ذره مجزا. بررسی پلاسما در حالت دوم را با میدانهای مغناطیسی و الکتریکی ثابت شروع میکنیم، حرکت یک ذره در پلاسما را میتوان توسط معادلات حرکت لورنتز میتوان توصیف نمود:
(۱۸-۱)
خوشبختانه، در همجوشی به روش محصورسازی لختی میدان الکتریکی اعمال شده در پلاسما به اندازهای قوی است که در بیشتر حالات از میدان مغناطیسی ، که موجب شتاب خطی موازی با میدان الکتریکی می شود میتوان چشمپوشی کرد. اگر بخواهیم پلاسمای شامل ذره را توسط مکان، ، وسرعتشان، ، ذرات توصیف کنیم، به معنی حل مسئلۀ دینامیکی برای ۱۰۲۰ ذره است، که غیر ممکن است. از اینرو به جای فضای ، بعدی میتوان تابع توزیع را تعریف نمود، که تعداد ذرات در عنصر حجم و در بازه سرعت در حوالی و در زمان میدهد. اگر بتوانیم از برخوردها چشمپوشی کنیم، این سیستم را توسط معادلۀ بدون برخورد بولتزمن میتوان توصیف کرد [۱۵]:
(۱۹-۱)
در این رابطه نیرو است. اگر ما نیرو را توسط معادلۀ لورنتس جایگزین کنیم داریم:
(۲۰-۱)
که به معادلۀ مشهور والسف[۱۸] میرسیم. این معادله حرکت ذرات را تحت تأثیر میدانهای خارجی و داخلی نشان میدهد. جواب حالت تعادلی معادلۀ والسف توزیع ماکسول میباشد، که عبارت است از:
(۲۱-۱)
بطوری که سرعت گرمایی میباشد. بنابراین اگر بتوان از برخوردها چشمپوشی نمود، توزیع سرعت، مانند حالت گاز به صورت ماکسولی میباشد.
فرض چشمپوشی از برخورد در پلاسما فرض قابل قبولی نمی باشد. به ویژه که الکترونها از برخوردهای کولونی با یونهای بسیار سنگینتر تأثیر میپذیرند، که به انتقال گرمایی در پلاسما میانجامد. معادلۀ عمومی بولتزمن شامل جملۀ است که اثر برخوردها را بر تابع توزیع توصیف می کند:
(۲۲-۱)
که نشان دهنده سه ذره الکترون، ، یون، ، اتم، ، میباشد. در حقیقت معادلۀ فوق برای سیستمی شامل تمامی ذرات موجود میباشد، که از طریق جملۀ برخورد با یکدیگر ارتباط دارند. معادلۀ عمومی بولتزمن شامل برخورد بین ذرات در اندازۀ میکروسکوپیک میباشد اما، به علت پیچیدگی آن به جز در موارد خاص، تنها با روش های عددی میتوان آن را حل کرد.
هرچند تحت شرایط خاص، جملۀ برخورد را میتوان به صورت تقریبی میتوان در نظر گرفت. در فیزیک پلاسما تقریبی که بیشترین استفاده را دارد تقریب فاکر-پلانک است. در این تقریب فرض می شود که زاوایای
