دانشکده علوم پایه

گروه فیزیک هسته‌ای

پایان نامه کارشناسی ارشد در رشته فیزیک هسته‌ای

موضوع:

مطالعه پارامترهای موثر بر همجوشی پلاسمای

 دوتریوم-هلیوم ۳ 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 پلاسمای D-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

مقدمه ۱

فصل اول-همجوشی هسته‌ای ۳

۱-۱- واکنش‌های هسته‌ای ۳

۱-۲- شکافت هسته‌ای.. ۳

۱-۳- همجوشی هسته‌ای.. ۴

۱-۴- انتخاب سوخت مناسب.. ۶

۱-۵- یده‌های راکتور همجوشی. ۱۰

۱-۵-۱- 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 پلاسما ۱۶

۱-۶-۱- راکتور توکامک… ۱۷

۱-۶-۲- قسمتهای اصلی راکتور توکاماک ITER. 18

1-6-3- راکتور  اسفرومک… ۲۰

۱-۶-۴-  سایر راکتورهای محصورسازی مغناطیسی. ۲۰

فصل دوم: سینیتیک همجوشی پلاسمای دوتریومهلیوم ۳ ۲۲

۱-۲- سوخت‌های جدید و خواص آنها ۲۲

۲-۲- خواص دوتریوم ۲۴

۲-۳- خواص هلیوم ۳٫ . ۲۵

۲-۴- پلاسما حالت چهارم ماده ۲۹

۲-۵- روشهای تولید پلاسما ۳۰

۲-۶- پارامترهای بنیادی پلاسما ۳۱

۲-۶-۱- فرکانسها در پلاسما ۳۱

۲-۶-۲- سرعتها در پلاسما ۳۲

۲-۷- گرم کردن پلاسما ۳۳

۲-۷-۱- گرمایش مقاومتی. ۳۳

۲-۷-۲- گرمایش از طریق فشرده سازی.. ۳۵

۲-۷-۳- گرمایش توسط تاثیر میدان‌های الکترومغناطیسی. ۳۵

۲-۷-۴- گرمایش توسط تزریق پرتو خنثی. ۳۶

۲-۸- گرمای همجوشی ذرات باردار. ۳۶

۲-۹- روشهای بررسی پلاسما ۳۷

۲-۱۰- فشار جنبشی و مغناطیسی پلاسما ۳۸

۲-۱۱- دیواره سیستم راکتورهای همجوشی D-3He از طریق محصورسازی مغناطیسی. ۳۹

۲-۱۲- بارگذاری دیواره راکتور. ۴۲

۲-۱۳- اساس روش محصورسازی.. ۴۲

۲-۱۴- اتلاف انرژی پلاسما ۴۶

۲-۱۴-۱-تابش ترمزی ۴۶

۲-۱۴-۲- تابش سیکلوترونی. ۴۷

۲-۱۴-۳- افت‌های انتقالی. ۴۸

۲-۱۵- فیزیک واکنش‌های همجوشی. ۴۸

۲-۱۶- آهنگ انجام واکنش.. ۴۹

۲-۱۷- واکنش پذیری.. ۵۰

۲-۱۷-۱- واکنش پذیری واکنش‌های هستهای (پارامتر سیگما-وی) ۵۰

۲-۱۷-۲- واکنشپذیری باکی. ۵۱

۲-۱۷-۳- واکنشپذیری با معادله بوش-هال. ۵۱

۲-۱۷-۴- واکنشپذیری با معادله ماکسول. ۵۲

۲-۱۸- فاکتور Q، زمان محصورسازی انرژی، توازن توان. ۵۴

۲-۱۸-۱- فاکتور Q.. 54

2-18-2- زمان حبس انرژی.. ۵۵

۲-۱۸-۳- توازن توان.. ۵۵

۲-۱۹- معیار لاوسون و زمان حبس انرژی.. ۵۶

۲-۲۰- معادلات اساسی دوتریوم و هلیوم ۳٫ ۶۰

۲-۲۱- موازنه انرژی…   ۶۰

۲-۲۲- سوختن پلاسمای دوتریوم و هلیوم ۳٫ ۶۱

فصل سوم:کنترل ناپایداری گرمایی در سوخت پلاسمای D-3He 66

3-1- مشکل اساسی راکتورهای همجوشی. ۶۶

۳-۲- کنترل مغناطیسی. ۶۷

۳-۳- کنترل جنبشی……………………………………………………………………………………………………………………………………………..۶۸

۳-۴- کنترل مگنتو هیدرودینامیکی(MHD) 69

3-5- روشهای استفاده از کنترل جنبشی. ۷۰

۳-۶- اهداف کنترل. ۷۴

۳-۷- طراحی کنترلر. ۷۶

۳-۸- نتایج شبیه سازی.. ۷۸

۳-۹-کنترل خطی با استفاده از روش تعدیل تزریق سوخت.. ۸۰

فصل چهارم: پارامترهای موثر بر همجوشی پلاسمای D-3He در سیستم توکامک… ۸۲

۴-۱- مقدمه                                                                                                                                                                                                                                                                              ۸۲

۴-۲- نتایج برای حالت ناپایدار. ۸۳

۴-۳-  پایداری پلاسمای دوتریوم و هلیوم ۳ با استفاده از روش کنترلی تعدیل میزان تزریق. ۹۴

فصل پنجم: نتیجه گیری وبحث ۱۰۱

 

 

***فهرست جداول***

جدول۱-۱- برخی از واکنش‌های همجوشی…………………………………………………………………………………. ۷

جدول۱-۲- انواع راکتورها برحسب روش محصور کردن پلاسما……………………………………………………… ۱۷

جدول۲-۱- نسل‌های مختلف سوخت‌های همجوشی ………………………………………………………………………. ۲۷

جدول ۲-۲- مقادیر عددی پارامترهای معادله باکی………………………………………………………………………. ۵۱

جدول۲-۳- مقادیر ثوابت برای واکنش‌های همجوشی مختلف در معادلات بوش-هال………………………………….. ۵۲

جدول۲-۴- مقادیر عددی C1 و C2 و C3 برای واکنش‌های D-T, D-D و D-3He……………………………….. 54

جدول ۳-۱- پارامترهای ITER90-HP …………………………………………………………………………………. 73

جدول ۳-۲- شرایط اولیه ی پلاسما ……………………………………………………………………………………….. ۷۴

جدول ۳-۳- نقطه تعادل–نقطه احتراق ……………………………………………………………………………………. ۷۹

جدول ۳-۴- پارامترهای کمیت کنترل …………………………………………………………………………………….. ۸۱

 

 

***فهرست اشکال***

شکل ۱-۱- مراحل زنجیره‌ی پروتون – پروتون که در خورشید اتفاق می‌افتد ۶

شکل ۱-۲- انرژی پتانسیل بر حسب فاصله‏ی دو هسته‏ی باردار که با انرژی مرکز جرم به هم نزدیک می‏شوند. ۱۰

شکل ۱-۳- نمایی از کپسول هدف ۱۲

شکل ۱-۴- مراحل همجوشی به روش محصورسازی لختی. ۱۳

شکل۱-۵- راکتور آینه ای.. ۱۶

شکل ۱-۶- نمایی از دستگاه چنبرهای پلاسما ۱۷

شکل ۱-۷- راکتور توکاماک ایتر. ۱۹

شکل ۱-۸- سطح مقطع ایتر با پلاسمای بیضی. ۱۹

شکل۱-۹- شماتیک هندسی راکتور استلاتور. ۲۱

شکل۲-۱- واکنش پذیری انواع سوخت‌ها ۲۶

شکل۲-۲- روش‌های گرم کردن پلاسما ۳۶

شکل۲‑۳: مدارهای لارمور در یک میدان مغناطیسی . ۴۴

شکل ۲-۴:  نمایش میدان مغناطیسی توروئیدی و پولوئیدی و تبدیل چرخشی. ۴۴

شکل ۲-۵: سوق‌گیری ذره، در میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی متعامد ۴۵

شکل ۲-۶: حرکت مارپیچی الکترون‏ها و یون‏ها در امتداد خطوط مغناطیسی. ۴۶

شکل۲-۷- آهنگ واکنش به صورت تابعی از دما برای واکنش‌های مختلف همجوشی با توزیع سرعت ماکسولی. ۵۰

شکل۲-۸- معیار لاوسون nτE برحسب دما T(keV) برای پلاسمای D-3He و D-T با فرض محصورسازی کامل ذرات باردار محصولات عمل. ۵۹

شکل۴-۱- مقایسه تغییرات پارامتر واکنشپذیری برای واکنش همجوشی D-T و D-3He براساس روش باکی. ۸۳

شکل ۴-۲- چگالی پلاسمای دوتریوم و هلیوم۳ در حالت ناپایدار برحسب زمان برای دو نمونه همراه با ناخالصی (آرگون و بریلیم) و حالت بدون ناخالصی. ۸۶

شکل ۴-۳- دمای پلاسمای دوتریوم و هلیوم۳ در حالت ناپایدار بر حسب زمان برای دو نمونه همراه با ناخالصی (آرگون و بریلیم) و حالت بدون ناخالصی. ۸۸

شکل ۴-۴- نسبت چگالی ذرهی آلفا به چگالی الکترون در حالت ناپایدار بر حسب زمان برای دو نمونه همراه با ناخالصی و حالت بدون ناخالصی. ۸۹

شکل ۴-۵- پارامتر β پلاسمای دوتریوم و هلیوم ۳ برحسب زمان در حالت ناپایدار برای دو نمونه همراه با ناخالصی و حالت بدون ناخالصی  ۹۰

شکل ۴-۶- توان تابشی پلاسمای دوتریوم و هلیوم ۳ در حالت ناپایدار برحسب زمان برای دو نمونه همراه با ناخالصی و بدون ناخالصی  ۹۱

شکل ۴-۷- توان ذره آلفا در همجوشی پلاسمای دوتریوم و هلیوم ۳ در حالت ناپایداربر حسب زمان بدون ناخالصی و با ناخالصی  ۹۲

شکل ۴-۸-  توان اهمی  پلاسمای دوتریوم و هلیوم ۳  در حالت ناپایدار برحسب زمان برای دو نمونه همراه با ناخالصی و حالت بدون ناخالصی. ۹۳

شکل ۴-۹- توان خالص همجوشی پلاسمای دوتریوم و هلیوم ۳ در حالت ناپایدار برحسب زمان برای دو حالت بدون ناخالصی و با حضور ناخالصی. ۹۴

شکل۴-۱۰- چگالی پلاسمای دوتریوم و هلیوم ۳ در حالت ناپایدار بر حسب زمان برای دو نمونه همراه با ناخالصی و حالت بدون ناخالصی  ۹۵

شکل ۴-۱۱- دمای پلاسمای دوتریوم و هلیوم۳ در حالت پایدار بر حسب زمان برای دو نمونه همراه با ناخالصی (آرگون و بریلیم) و حالت بدون ناخالصی. ۹۵

شکل ۴-۱۲- نسبت چگالی ذرهی آلفا به چگالی الکترون در حالت پایدار بر حسب زمان برای دو نمونه همراه با ناخالصی و حالت بدون ناخالصی. ۹۶

شکل ۴-۱۳-پارامتر  پلاسمای دوتریوم و هلیوم ۳  در حالت پایدار بر حسب زمان برای دو نمونه همراه با ناخالصی و بدون ناخالصی  ۹۷

شکل ۴-۱۴- توان تابشی پلاسمای دوتریوم و هلیوم ۳ در حالت پایدار برحسب زمان برای دو نمونه همراه با ناخالصی و بدون ناخالصی  ۹۷

شکل ۴-۱۵- توان ذره آلفا در همجوشی پلاسمای دوتریوم و هلیوم ۳ در حالت پایداربر حسب زمان بدون ناخالصی و با ناخالصی  ۹۸

شکل ۴-۱۶- توان اهمی  پلاسمای دوتریوم هلیوم ۳  در حالت پایدار برحسب زمان برای دو نمونه همراه با ناخالصی و حالت بدون ناخالصی  ۹۹

شکل ۴-۱۷-  توان خالص همجوشی پلاسمای دوتریوم و هلیوم ۳ در حالت ناپایدار برحسب زمان برای دو حالت بدون ناخالصی و با حضور ناخالصی. ۹۹

 

 

لیست علائم اختصاری

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


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 رآکتورهای هسته­ای، به منبعی از انرژی دست یابد که بتواند مدت زمان بیشتری  از آن، نسبت به سوخت‌های فسیلی استفاده کند. بطور کلی دو شیوه بنیادی، برای آزادسازی انرژی از یک اتم وجود دارد: شکافت هسته­ای[۱] و همجوشی هسته‌ای[۲].

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) [۱]، 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 ۳ (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[۲-۴]. که این فرایند در راکتورهای متفاوت با شرایط مختلفی قابل انجام است.