بخشی از مقاله
چکیده
توان همجوشی و توان برمشترالانگ در راکتورهای همجوشیD3 He و DT مورد مطالعه قرار می گیرد. این تحقیق نشان می دهد توان برمشترالانگ برای هر دو پلاسما در دمای 10 keVتقریباً یکسان اما در دمای 100 keV برای پلاسما DT کمتر از D3He است. درهر دو پلاسما به ترتیب در دمای حدود4 keV و12 keV توان همجوشی از توان برمشترالانگ بیشتر است. بنابراین راکتورهای همجوشی DT در دمای کمتری توان همجوشی از توان برمشترالانگ بیشتر است . این موضوع برتری انتخاب راکتورهای DT نشان میدهد.
مقدمه
در یک راکتور گرما هستهای تولید انرژی باید با اتلافهای اجتناب ناپذیر رقابت کند و نقش فرآیندها که باعث چنین اتلافها میشود در تعیین دما کاری راکتور گرما هستهای حائز اهمیت است . بعضی اتلافهای انرژی میتوان توسط انتخاب مناسب پارامترهای طراحی خاص به حداقل رساند، اما تعدادی از این اتلافها نیز در سیستم واکنش کننده ذاتی است. انرژی ورودی باید برای گرم کردن پلاسما کافی بوده و تلفات تابشی را جبران کند. برای یک پلاسما گرم در میدان مغناطیسی،اصولاً تلفات تابش ترمزی - برمشترالانگ - و سیکلوترونی میباشند، اما در روش محصورسازی لختی درراکتورهای DT و D3He در دمای و10-20keV تابش سیکلوترونی در مقایسه با تابش برمشترالانگ قابل صرفنظر می باشد.[1-3]
بنابراین محاسبه توان همجوشی و توان اتلافی برمشترالانگ در هر دو نوع پلاسمای همجوشی DT و D3He بسیار حائز اهمیت است. در این مقاله ابتدا تغییرات متوسط راکتیویته هر دو پلاسما مورد بررسی قرار می گیرد. سپس توان همجوشی و توان اتلافی برمشترالانگ محاسبه و در پایان نتایج مورد مقایسه و بررسی قرار می گیرد .تغییرات متوسط راکتیویته واکنش های DT و D3He با دمابه طور کلی بازده پلاسما همجوشی بوسیله کمیت راکتیویته - احتمال واکنش بر واحد زمان و چگالی هسته هدف - مشخص میشود ومقدار متوسط آن از طریق رابطه زیر محاسبه میشود - سطح مقطع و سرعت نسبی بین دو هسته - :[4]C0 تا C7 مقادیر عددی هستند که در مرجع آمده است. مشاهده میشود متوسط راکتیویته پلاسما DT از پلاسما D3He بیشتر است و پلاسما DT در دمای حدود 64 keV و پلاسما D3Heدر دمای تقریبی 250 keV دارای بیشترین متوسط راکتیویته می-باشند.
توان همجوشی پلاسما DT و D3He
آهنگ تولید انرژی گرما هستهای پلاسماهای همجوشی کنترل شده از کمیت آهنگ واکنش - تعداد واکنشها بر واحد زمان بر واحدحجم - بدست می آید که یکی از پارامترهای مهم و مؤثر در میزان
بهره انرژی محصولات همجوشی میباشد و به صورت زیر بامقدار متوسط راکتیویته به طور مستقیم ارتباط دارد.که آهنگ واکنش بین دو هسته 1و 2 پلاسما به ترتیب باچگالی تعداد،دلتای کرونکر ومقدارمتوسط راکتیویته ،سطح مقطع واکنش و سرعت نسبی بین دوهسته میباشد. اگر - بر حسب - متوسط انرژی تولید شده در هر واکنش هستهای باشد ، برای واکنش DT، انرژی به جا
گذاشته شده در سیستم به ازای هر واکنش3/5 MeV می باشد که چگالی توان راکتور گرماهسته ای برابر است با :که با استفاده از مقادیر عددی در دما 100 keV این کمیتبه صورت روابط زیر تعیین میگردد:برای پلاسما D3He ، انرژی به جا گذاشته شده در سیستم به ازای هر واکنش3/5 MeVمی باشد .
که با استفاده از مقادیر عددی در 100keV این کمیت به صورت روابط زیر تعیین می گردد.برای واکنش DT چگالیهای و برابرند و ترکیب 50 درصد اتمی دوتریوم و تریتیوم فرض میشود و همچنین برای واکنش D3He چگالی های و برابر فرض می-شود. طبق نمودار 2 بررسی ها نشان میدهد:-1 چگالی توان همجوشی برای پلاسما DT از پلاسما D3He بیشتر است.-2دلیل تغییر سریع چگالی توان با چگالی ذره ، طبق معادلات 4 - - و - 7 - به خاطر متناسب بودن چگالی توان با مربع چگالی دوترون می باشد که برای هر دو پلاسما چگالی یون ها برابر فرض شده است. -3 علاوه بر مشکلات محصورسازی ، چگالی ذرات نباید خیلی زیاد باشد. به خاطر اینکه چگالی ذره پایین در نتیجه آن چگالی جرمی کوچکی ایجاد میشود که حتی در دماهای کاری خیلی زیاد محتوی گرمایی راکتور گرماهسته ای بزرگ نخواهد شد، لذا خطرات مرتبط با انفجار چنین راکتور قابل چشم پوشی است.
چگالی ذره درراکتورهای گرماهستهای عملی باید نزدیک عددی دوترون در دمای 100 keVتوان برمشترالانگ پلاسما DT و D3Heبا نادیده گرفتن ناخالصیها در پلاسمای پلاسماهای در نظر گرفتهشده در راکتور گرما هستهای، موقعی که یک الکترون در میدان یک یون حرکت میکنند شتاب پیدا میکند و در نتیجه اشعه ایکس پیوسته گسیل میکند که به آن اشعه ترمزی و یا برمشتر الانگ
گفته میشود. به جز در دماهای کاری بالاتر از 50 keVبرمشترالانگ از یک پلاسما از برهم کنش الکترون- یون ایجاد میشود. - در دماهای بالا در راکتورهای گرماهسته ای ، برمشترالانگناشی از بر هم کنش الکترون- الکترون نیز تولید میشودکه قابل توجه است - . در دمای الکترون 25 keV نسبت انرژی برمشترالانگ الکترون- الکترون به برهم کنش الکترون- یون به طور تقریبی 0/06 در دمای 50 keV ، 0/13 و در 100 keV برابر 0/34 است .[6] با فرض توزیع ماکسولی سرعت الکترونهاتوان تابش برمشترالانگ بر واحد حجم از طریق رابطه زیر تعیینمیگردد:
کهدمای الکترون بر حسب کلوین است و جمع بر روی تمام یونهای پلاسما است. با در نظر گرفتن ضریب تبدیل این رابطه به صورت زیر تبدیل میشود:که دمای الکترون بر حسب الکترون ولت است. برای پلاسماپلاسما DT چون تنها شامل ایزوتوپهای هیدروژن میباشداست. و برابر هستند ، به طوریکه با جایگزین میشود که چگالی ذره الکترونها است . برای ترکیب درصد اتمی 50 دوتریومو تریتیوم معادل است. بنابراین در مورد پلاسما D3He ، و فرض میکنیم در نتیجه داریم : 100 keV توان برمشترالانگ نمودار 3 نشان میدهد در دمای برای پلاسما DT کمتر از پلاسماD3He است. بررسی ها نشان میدهد که با افزایش دما چگالی توان همجوشی افزایش می یابد.
افزایش توان برمشترالانگ با دما به صورت می باشد. این نمودار نشان میدهد که توان برمشترالانگ در مقایسه با چگالی توان همجوشی بسیار کمتر است. اگر چه اتلافهای برمشترالانگ از یک پلاسما در دماهای گرما هستهای زیاد است با اینوجود لزوماًخطرناک نیستند. طبق نمودار خوشبختانه آهنگ اتلاف انرژی ناشی از برمشترالانگ برای توزیع ماکسولی متناسب افزایش می-یابد در حالیکه آهنگ تولید انرژی گرماهستهای به صورت در محدوده دما مورد علاقه تغییر میکند. راکتور گرماهسته ای که انرژی بیشتری در سیستم واکنش کننده نسبت به اتلافهای انرژیاجتناب ناپذیر تولید میکند می تواند در اصل تحقق یابد. بنابراین چنین دماهایی در محدوده 10 keV تا 100 keV هستند و اینتماماً ناشی از اتلاف انرژی برمشترالانگ است که این دماهای خیلی بالا ضروری هستند. اگر بتوان یک روش برای جلوگیری از اتلاف انرژی برمشترالانگ بدون ساخت سیستم ناممکن بزرگ کشف نمود. در این صورت راکتورهای گرما هستهای در دماهای کاری پایینتری میتوانند کار کنند.
