بخشی از مقاله
خلاصه
در این مقاله یک مدل سازی برای مدل تعادلی ذرات انجام شده است که تعادل میان پلاسما و دیواره را بررسی میکند. که به این منظور با در نظر گرفتن اثر ضریب بازچرخانی، تغییرات چگالی ذرات پلاسما و دیواره، در مدت زمان سوخت گیری و قطع تزریق سوخت، مورد بررسی قرار میگیرد.
.1 مقدمه
انتظار میرود طی چند دههی آینده، نیاز به منابع انرژی جدید و تمام نشدنی، یک مشکل مهم باشد. همجوشی هستهای امیدوار کننده ترین گزینه انرژی درازمدت است. انرژی همجوشی هستهای منبع انرژی سرشاری در جهان به شمار میرود. برای شروع واکنش همجوشی، باید آنقدر به یونهای مثبت انرژی داد تا انرژی جنبشی آنها بیشتر از نیروی دافعه کولنی بین آنها شود که پروتونها بتوانند به اندازه کافی به هم نزدیک شوند1]و.[2 توکامک1ها راکتور همجوشی هستند که در آن پلاسما با استفاده از میدانهای مغناطیسی شرایط محصورسازی را برای پلاسمای سوخت ایجاد میکند.
یون های همجوشی کننده در مدت زمان محصورسازی، به طور متوسط در قسمت مرکزی محصور شده و فقط در اثر پخش می توانند خارج شوند.[4] دیواره ی محفظه ای که با پلاسما در تماس است، دیواره اول2 نامیده می شود. ذرات پلاسما با انرژی زیاد به این دیواره برخورد می کنند. این ذرات قادرند دیواره را تخریب نمایند، که این موضوع از عمر دیواره می کاهد و همچنین پلاسما را آلوده می کند. شناسایی رفتار دیواره تحت چنین شرایطی به منظور بررسی میزان دوام آن و تاثیر آن بر پلاسمای همجوشی، بسیار ضروری می باشد.
اصل اساسی یک راکتور همجوشی محتوی گاز دوتریوم - یا سوخت دیگر - گرم و متراکم این است که پلاسما باید برای مدت به اندازه کافی طولانی به دور از دیواره های فیزیکی باقی بماند، تا اجازه دهد واکنش های همجوشی هسته ای انجام شوند. نگرانی اصلی احتمال ذوب شدن دیواره های محفظه نیست، بلکه این است که پلاسما در اثر برخورد با این دیواره ها سرد شود.
آزمایشهای اخیر با توکامک نشان داده است که، ذرات منعکس شده در اثر برخورد با دیواره و ذرات گسیل یافته پس از جذب در دیواره، با ورود به پلاسمای مرکزی بر چگالی آن می افزایند و در توازن ذرات اختلال ایجاد می کنند. ذرات پلاسما با برخورد به دیواره و انجام برهمکنش یا با بازیافت دوباره به محیط پلاسما برمیگردند. اتلاف ذرات پلاسما و نهشت آن در دیواره بعد از مدتی میتوان جبران گردد.
.2 تعادل ذرات میان پلاسما و دیواره
زمان تعادل پلاسما، با طول پالس لازم برای رسیدن به چگالی ثابت، تعین میشود و این زمان به میزان زیادی به شرایط دیواره و پلاسما بستگی دارد. مقدار کل گاز تزریق شده به پلاسمای توکامک، معمولا فقط 10-20 درصد به پلاسما میرسد، در حالی که بقیه در دیواره کاشته میشود. اگر دستگاه به منحرف کننده یا پمپ محدود کننده مجهز باشد، بخش خاصی از مجموع گاز کل میتواند از سیستم خارج شود.[7] برای درک بهتر از توزیع گاز ورودی و بررسی چگالی ذراتی که به دیواره میرسند، یک مدل تعادلی برای موجودی پلاسما، در بخش محصور سازی شده و دیواره، معرفی میشود:
که در روابط بالا Nplasma و Nwall به ترتیب چگالی ذرات در پلاسمای اصلی و دیواره میباشند. پارامتر بازده تزریق سوخت، plasma زمان محصورسازی ذرات، نرخ تزریق خارجی سوخت، که در زمان تغذیه سیستم برابر با نرخ ثابتی در نظر گرفته شده است. برای مشاهده تغییرات سیستم در حالت تزریق و بدون تزریق، دو بخش در نظر میگیریم که بخش اول تا 5 ثانیه مقدار تزریق را ثابت و برابر 0/15 - TorrL/s - در نظر میگیریم و بخش دوم از 5 -10 ثانیه تزریق قطع میشود و تابع به صورت پله کم میشود و به صفر میرسد. R ضریب بازچرخانی ذرات از دیواره میباشد که تعیین کنندهی میزان شار برگشتی و میزان شار پمپاژ شده توسط دیواره میباشد.
بازچرخانی میتواند به دو صورت انعکاس و گسیل ذرات انجام بگیرد. از طریق جفت شدن مولکولی ذرات پلاسمایی که در سطح دیواره بازنشانی شدهاند گسیل آنها از دیواره رخ میدهد. ذرات منعکس شده و ذرات گسیل یافته پس از جذب در دیواره با ورود به پلاسمای مرکزی بر چگالی آن می افزایند و در توازن ذرات اختلال ایجاد می کنند. با حل معادلات دیفرانسیل جفت شده فوق، تحول زمانی نرخ چگالی ذرات پلاسما در دیواره برای ضرایب بازچرخانی متفاوت در شکل - 1 - نشان داده شده است.
شکل -1 نرخ چگالی ذرات پلاسما برای ضرایب بازچرخانی مختلف
