چکیده

هدف از تحقیقات همجوشی، تولید نیروگاه هسته­ای که از لحاظ اقتصادی و محیطی مناسب باشد. مسئله­ 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

عنوان                                                                                                            صفحه

مقدمه. 1

.. 3

1-1- واکنش‌های هسته‌ای 3

1-2- شکافت هسته‌ای.. 3

1-3- همجوشی هسته‌ای.. 4

1-4- انتخاب سوخت مناسب… 6

1-5- یده‌های راکتور همجوشی.. 10

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 پلاسما 16

1-6-1- راکتور توکامک….. 17

1-6-2- قسمتهای اصلی راکتور توکاماک ITER.. 18

1-6-3- راکتور  اسفرومک….. 20

1-6-4-  سایر راکتورهای محصورسازی مغناطیسی.. 20

. 22

1-2- سوخت‌های جدید و خواص آنها 22

2-2- خواص دوتریوم. 24

2-3- خواص هلیوم 3. .. 25

2-4- پلاسما حالت چهارم ماده. 29

2-5- روش های تولید پلاسما 30

2-6- پارامترهای بنیادی پلاسما 31

2-6-1- فرکانسها در پلاسما 31

2-6-2- سرعتها در پلاسما 32

2-7- گرم کردن پلاسما 33

2-7-1- گرمایش مقاومتی.. 33

2-7-2- گرمایش از طریق فشرده سازی.. 35

2-7-3- گرمایش توسط تاثیر میدان‌های الکترومغناطیسی.. 35

2-7-4- گرمایش توسط تزریق پرتو خنثی.. 36

2-8- گرمای همجوشی ذرات باردار. 36

2-9- روش های بررسی پلاسما 37

2-10- فشار جنبشی و مغناطیسی پلاسما 38

He از طریق محصورسازی مغناطیسی.. 39

2-12- بارگذاری دیواره راکتور. 42

2-13- اساس روش محصورسازی.. 42

2-14- اتلاف انرژی پلاسما 46

2-14-1-تابش ترمزی 46

2-14-2- تابش سیکلوترونی.. 47

2-14-3- افت‌های انتقالی.. 48

2-15- فیزیک واکنش‌های همجوشی.. 48

2-16- آهنگ انجام واکنش…. 49

2-17- واکنش پذیری.. 50

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

2-17-2- واکنشپذیری باکی.. 51

2-17-3- واکنشپذیری با معادله بوش-هال.. 51

2-17-4- واکنشپذیری با معادله ماکسول.. 52

2-18- فاکتور Q، زمان محصورسازی انرژی، توازن توان.. 54

2-18-1- فاکتور Q… 54

2-18-2- زمان حبس انرژی.. 55

2-18-3- توازن توان… 55

 

2-19- معیار لاوسون و زمان حبس انرژی.. 56

2-20- معادلات اساسی دوتریوم و هلیوم 3.. 60

2-21- موازنه انرژی…   60

2-22- سوختن پلاسمای دوتریوم و هلیوم 3.. 61

. 66

3-1- مشکل اساسی راکتورهای همجوشی.. 66

3-2- کنترل مغناطیسی.. 67

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

3-4- کنترل مگنتو هیدرودینامیکی(MHD). 69

3-5- روش های استفاده از کنترل جنبشی.. 70

3-6- اهداف کنترل.. 74

3-7- طراحی کنترلر. 76

3-8- نتایج شبیه سازی.. 78

3-9-کنترل خطی با بهره گرفتن از روش تعدیل تزریق سوخت… 80

….. 82

4-1- مقدمه                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                      82

4-2- نتایج برای حالت ناپایدار. 83

4-3-  پایداری پلاسمای دوتریوم و هلیوم 3 با بهره گرفتن از روش کنترلی تعدیل میزان تزریق.. 94

… 101

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-3He………………………………………………. 54

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

 

شکل 1-1- مراحل زنجیره‌ی پروتون – پروتون که در خورشید اتفاق می‌افتد.. 6

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 لختی.. 13

شکل1-5- راکتور آینه ای.. 16

شکل 1-6- نمایی از دستگاه چنبرهای پلاسما 17

شکل 1-7- راکتور توکاماک ایتر. 19

شکل 1-8- سطح مقطع ایتر با پلاسمای بیضی.. 19

شکل1-9- شماتیک هندسی راکتور استلاتور. 21

شکل2-1- واکنش پذیری انواع سوخت‌ها 26

شکل2-2- روش‌های گرم کردن پلاسما 36

شکل2‑3: مدارهای لارمور در یک میدان مغناطیسی 44

شکل 2-4:  نمایش میدان مغناطیسی توروئیدی و پولوئیدی و تبدیل چرخشی.. 44

شکل 2-5: سوق‌گیری ذره، در میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی متعامد 45

شکل 2-6: حرکت مارپیچی الکترون‏ها و یون‏ها در امتداد خطوط مغناطیسی.. 46

شکل2-7- آهنگ واکنش به صورت تابعی از دما برای واکنش‌های مختلف همجوشی با توزیع سرعت ماکسولی.. 50

شکل2-8- معیار لاوسون nτE برحسب دما T(keV) برای پلاسمای D-3He و D-T با فرض محصورسازی کامل ذرات باردار محصولات عمل   59

He براساس روش باکی.. 83

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 ناخالصی   86

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 ناخالصی   88

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 ناخالصی   89

شکل 4-5- پارامتر β پلاسمای دوتریوم و هلیوم 3 برحسب زمان در حالت ناپایدار برای دو نمونه همراه با ناخالصی و حالت بدون ناخالصی   90

شکل 4-6- توان تابشی پلاسمای دوتریوم و هلیوم 3 در حالت ناپایدار برحسب زمان برای دو نمونه همراه با ناخالصی و بدون ناخالصی   91

شکل 4-7- توان ذره آلفا در همجوشی پلاسمای دوتریوم و هلیوم 3 در حالت ناپایداربر حسب زمان بدون ناخالصی و با ناخالصی.. 92

شکل 4-8-  توان اهمی  پلاسمای دوتریوم و هلیوم 3  در حالت ناپایدار برحسب زمان برای دو نمونه همراه با ناخالصی و حالت بدون ناخالصی   93

شکل 4-9- توان خالص همجوشی پلاسمای دوتریوم و هلیوم 3 در حالت ناپایدار برحسب زمان برای دو حالت بدون ناخالصی و با حضور ناخالصی   94

شکل4-10- چگالی پلاسمای دوتریوم و هلیوم 3 در حالت ناپایدار بر حسب زمان برای دو نمونه همراه با ناخالصی و حالت بدون ناخالصی   95

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 ناخالصی   95

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 ناخالصی   96

شکل 4-13-پارامتر  پلاسمای دوتریوم و هلیوم 3  در حالت پایدار بر حسب زمان برای دو نمونه همراه با ناخالصی و بدون ناخالصی   97

شکل 4-14- توان تابشی پلاسمای دوتریوم و هلیوم 3 در حالت پایدار برحسب زمان برای دو نمونه همراه با ناخالصی و بدون ناخالصی   97

شکل 4-15- توان ذره آلفا در همجوشی پلاسمای دوتریوم و هلیوم 3 در حالت پایداربر حسب زمان بدون ناخالصی و با ناخالصی.. 98

شکل 4-16- توان اهمی  پلاسمای دوتریوم هلیوم 3  در حالت پایدار برحسب زمان برای دو نمونه همراه با ناخالصی و حالت بدون ناخالصی   99

شکل 4-17-  توان خالص همجوشی پلاسمای دوتریوم و هلیوم 3 در حالت ناپایدار برحسب زمان برای دو حالت بدون ناخالصی و با حضور ناخالصی   99

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