بخشی از مقاله
چکیده -
هدف از تحقیقات گداخت هستهای، رسیدن به انرژی پاک، ارزان و فراوان است. طبق معیار الوسون برای فراهم شدن شرایط گداخت باید، پالسما با درجه حرارت صدها میلیون درجه تولید شود و برای مدت طوالنی با چگالی باال، پایدار بماند. بهمنظور دستیابی به این دما، روش معمول اهمیک مؤثر نیست و باید از روشهای کمکی گرمایش RF استفاده کرد. برای این هدف، آنتنهای RF با ارائه چند مگاوات توان به پالسمای محصورشده، درآزمایشهای توکامک استفاده میشوند.
در محدوده فرکانسی مگاهرتز، آنتن گرمایش تشدید سیکلوترونی یون - ICRH - برای گرمایش پالسما به کار میرود. راکتور ایتر - ITER - که یک راکتور آزمایشی گرماهستهای بینالمللی است، حدود 5 تا 10 برابر انرژی مصرفیاش را تولید خواهد کرد. آنتن ICRH راکتور ایترشامل 24 تسمه تابشی است که میتواند 20 MW توان RF را در محدوده فرکانسی 55-40 MHz، به پالسما کوپل کند.
ازجمله پارامترهای مهم این آنتن، میزان تزویج به محیط انتشار است. در این مقاله به طراحی و شبیهسازی آنتن ICRH ایتر، در مقیاس کوچکتر، با استفاده از آبشور بهجای پالسما، بهعنوان بار آنتن و با نرمافزار CST پرداختهشده است. همچنین با ایجاد تغییراتی در تیغه میان تسمههای تابشی آنتن، پارامتر پراکندگی آن مورد بررسی قرارگرفته است، و میزان تزویج متقابل حدود 20 dB بهبود یافته است.
-1 مقدمه
فرآیندی که در ستارگان به آزاد شدن انرژی منجر میشود گداخت هستهای است. در گداخت هستهای دو هسته سبک در هم گداخته شده و جوش میخورند و هسته سنگینتر تشکیل میدهند. این فرآیند انرژی عظیمی آزاد میکند. گداخت هستهای را میتوان فرآیندی معکوس شکافت هستهای، روش استفادهشده در راکتورهای هستهای و بمبهای اتمی، تصور کرد. اگر گداخت هستهای به بهرهبرداری صنعتی و خارج از آزمایشگاه برسد روشی ارزان و ایمن برای تأمین پایدار انرژی خواهد بود.
یکی از مزیتهای این روش به شکافت هستهای و راکتورهای موجود این است که زبالههای خطرناک رادیواکتیو تولید نمیکند و ریسکهایی شبیه فاجعه اتمی چرنوبیل و فوکوشیما ندارد. آنتنها یکی از اجزای کلیدی سیستمهای گرمایش هستند که باعث ایجاد واکنشهای همجوشی میشوند. با توجه به اینکه دستیابی به فرآیند همجوشی پایدار نیازمند محصورسازی گاز هیدروژن یونیزه شده در دما و فشار باال برای زمان معینی است، توکامک وسیلهای است که این گاز را، که بهعنوان پالسما شناخته میشود، بهطور مغناطیسی محصور کرده تا آزمایشها در همجوشی کنترلشده هدایت شود.
در بیشتر ماشینهای توکامک، برای تحقیقات روی انرژی گداخت،معموالً از سیستم گرمایش تشدید سیکلوترونی یون استفاده میشود .[1] در ایتر، که یک توکامک با میدان مغناطیسی توروایدال 5/3T و جریان پالسما 15 MA است، سیستم گرمایش تشدید سیکلوترونی یون آن میتواند20MW توان RF را در محدوده فرکانسی 55-40 MHz، به پالسما کوپل کند. آنتن گرمایش تشدید سیکلوترونی یون ایتر دارای 24 تسمه تابشی است که بهصورت عمودی و افقی قرار گرفتهاند
این تسمهها از طریق کابل کواکسیال تغذیه میشوند. هدف توکامک ایتر تحویل ده برابر قدرت مصرفی است که ثابت میکند گداخت هستهای قابلاعتماد است. بیشتر مشخصات RF مربوط به آنتن، میتواند با یک نرمافزار تجاری مانند [3] CST Microwave Studio و با جایگزینی پالسمای مغناطیسی شده با یک دیالکتریک با ضریب گذردهی باال، شبیهسازی شود. پیشبینی ویژگیهای تزویج چنین دستگاهی بسیار مهم است و نیاز به ارزیابی دقیق ماتریسهای مقاومت و راکتانس ورودی دارد
هر چه تزویج به محیط پالسما بهتر صورت بگیرد، توان بهتری خواهیم داشت. ازجمله عواملی که موجب کاهش تزویج به محیط پالسما میشود، تزویج متقابل میان تسمههای تابشی است. برای حل این مسئله از تیغههایی میان تسمهها استفاده میشود. در [5] بهطور کامل در مورد قرار دادن تیغه و صفحه فارادی و تأثیرات آنها بر تزویج، توضیح داده شده است.
در [6] با بررسی مدل آنتن 2007 و با ایجاد تغییرات مختلف هندسی در برخی قسمتهای آنتن - تسمهها و اتصاالت چهار پورت - تقرباًی توانست توان کوپل شده به پالسما را دو برابر کند. در اینجا به شبیهسازی و طراحی آنتن گرمایش تشدید سیکلوترونی یون با در نظر گرفتن دو تیغه مختلف و صفحه فارادی پرداختهشده و نتایج آن ارائه شده است.
ساختار مقاله به این شرح است: در بخش 2 در مورد طراحی آنتن گرمایش تشدید سیکلوترونی یون ایتر توضیحاتی داده میشود. در بخش 3 به معرفی ساختار پیشنهادی آنتن پرداخته میشود. بخش 4 روند شبیهسازی، ساخت و بهینهسازی آنتن را مورد بررسی قرار میدهد. درنهایت، نتایج در بخش 5 ارائه داده میشود.
-2 توصیف آنتن گرمایش تشدید سیکلوترونی یون ایتر
با توجه به اینکه این آنتنها دارای هندسه پیچیده و در یک محیط بسیار پیچیده هستند و نمیتوان آنها را قبل از اینکه عملکرد آنها موردبررسی قرار گیرد، آزمایش کرد، شبیهسازیهای متعددی برای آنتن ICRH ایتر وجود دارد. شکل 1 ساختار آنتن ICRH ایتر را نشان میدهد که شامل تعدادی تسمه تابشی است و در مقابل تسمهها، صفحه فارادی قرار دارد که این صفحه از تعدادی میله که در فاصله مشخص از هم قرارگرفتهاند، تشکیل شده است و یکی از دالیل استفاده از آن، جلوگیری از تعامل مستقیم بین تسمه و پالسما است که بهاینترتیب از تسمهها در برابر اثرات متقابل پالسمایی محافظت میکند. برآورد دقیق از مشخصات تزویج آنتن یک هدف اصلی در طراحی گداخت است. همانطور که گفته شد وجود تزویج متقابل میان تسمههای تابشی مانع از تزویج بهتر توان به محیط میشود. در این مقاله با استفاده از نرمافزارهای شبیهسازی به تحلیل عملکرد سیستم و بهینهسازی آنتن پرداخته میشود. برای تحلیل عملکرد آنتن و میزان تزویج به محیط انتشار، پارامتر پراکندگی آنتن موردبررسی قرار دادهشده است.
شکل 2 ساختار آنتن را نشان میدهد که شامل یک جعبه است که درون آن دو تسمه - به طول 40 mm، عرض 15 mm و ضخامت - 1 mm قرار دارد. هرکدام از تسمهها با کابل کواکسیال دارای امپدانس مشخصه 50 اهم با قطر داخلی 1 mm و قطر خارجی 3/4 mm تغذیه میشود. برای محافظت از تسمهها در برابر اثرات متقابل پالسمایی از صفحه فارادی استفاده میشود که شامل 10 میله با عرض 4 mm و با فاصله 2 mm از هم تشکیلشده است. آنتنهای ICRHمعموالً در بارهای ساختگی مناسب آزمایش میشوند. بار ساختگی که قادر به شبیهسازی ویژگیهای الکتریکی خاص پالسما است، یک محلول آبشور است
با توجه به اینکه جمع دو موج تقریباً هم بسامد باعث تشدید میشود، فرکانس تشدید محیط انتشار و موج RF تابیدهشده باید برابر باشند. با توجه به فرکانس تشدید یونهای آبشور و ابعاد آنتن، فرکانس تشدید در نظر گرفته شده برای آنتن 1/87 GHz است
شکل :1 ساختار آنتن ICRH ایتر
شکل :2 مدل آنتن ICRH در CST، شامل جعبه و دو تسمه تابشی.
-3 ساختار آنتن
در اینجا دو عدد از 24 عدد تسمه تابشی آنتن در ابعاد کوچکتر مورد بررسی قرار داده شده است. هدف از این کار ارزیابی عملکرد RF این شی و تعیین اثر تغییرات مختلف هندسی تیغه بین دو تسمه، به منظور بهینه سازی عملکرد آن.
-4 شبیه سازی و بهینه سازی آنتن
با توجه به آنتن شبیه سازی شده در شکل 2 برای تعیین عملکرد آنتن در حالتی که میان تسمه ها تیغه ای وجود ندارد، یک صفحه فارادی روی جعبه و منبع آبشور در فاصله 4 mm از جعبه آنتن، قرار داده شده است.
بهمنظور نشان دادن درستی نتایج شبیهسازی، در اینجا نمونهای از این آنتن در همین ابعاد ساختهشده است. اندازهگیریها در آزمایشگاه آنتن و مایکروویو دانشگاه تربیت دبیر رجایی انجامشده است. شکل 3 نتایج شبیهسازی آنتن را به همراه نتایج اندازهگیریهای انجامشده، نشان میدهد.
همانطور که در شکل3 مشاهده میشود، فرکانس تشدید آنتن حدوداً 3/8 GHz است، که نسبت به فرکانس تشدید در نظر گرفتهشده افزایشیافته است. همچنین بین اندازهگیریها و شبیهسازیهای انجامشده تفاوتهایی وجود دارد. به این دلیل که محیطی که در آن آنتن ساختهشده مورد آزمایش قرارگرفته با محیط شبیهسازی بسیار متفاوت است. ازجمله این تفاوتها حضور یک صفحه زمین نامحدود و شرایط مرزی جذبی در CST است و همچنین در شبیهسازی آنتن، فاصله بین صفحه فارادی و منبع آبشور 4 mm و محیط خأل در نظر گرفته شده اما در آنتن ساختهشده، منبع آبشور در ظرفی پالستیکی ریخته شده و روی آنتن قرار داده شده است.
شکل :3 پارامتر پراکندگی آنتن در حالت بدون تیغه اندازهگیری و شبیهسازی با نرمافزار . CST
میتوان نتیجه گرفت که وجود تیغه تأثیر قابلمالحظهای روی تزویج متقابل بین تسمهها و همچنین شیفت فرکانس تشدید، گذاشته است.
کاری که در این مقاله بهمنظور بهتر شدن تزویج متقابل بین تسمهها، انجامشده است، استفاده از یک تیغه دندانهای با عرض5 mm و طول 4 ، بهجای تیغه ساده است. شکل 5 آنتن ساخته شده را با قرار دادن تیغه دندانهای نشان میدهد. این تیغه به دلیل شکل دندانهای و طول 4 موجب کاهش اثرات تزویج متقابل بین دو تسمه میشود.
برای دیدن نتایج حاصل از تغییر تیغه، در شبیهسازی این آنتن تیغه دندانهای را بین دو تسمه قرار داده و در همان شرایط قبل یعنی گذاشتن صفحه فارادی و بار آبشور در مقابل آنتن، شبیهسازی انجام شد. شکل6 نتایج شبیهسازیها و اندازهگیرهای انجامشده را نشان میدهد.
با توجه به بهینهسازی انجامشده توسط Zhanna Khaymedinova در [5] برای کاهش تزویج متقابل میان تسمههای تابشی و نزدیک شدن فرکانس تشدید به 1/87 GHz، از یک تیغه به عرض 5 mm بین دو تسمه استفادهشده است. با قرار دادن تیغه در شبیهسازی آنتن و نمونه ساختهشده، مانند حالت قبل شبیهسازی انجام میشود. شکل4 نتایج شبیهسازی و اندازهگیریها را نشان میدهد.
شکل :4 پارامتر پراکندگی آنتن با قرار دادن تیغه میان تسمهها در نرمافزارCST و اندازهگیری انجامشده.
همانطور که شکل 4 نشان میدهد، فرکانس تشدید حدود 1/8 GHz است و نسبت به حالت بدون تیغه، مقدار پارامتر S12حدوداً 20 dB بهبودیافته است.
شکل :5 ساختار آنتن ساختهشده برای تابش در آبشور، شامل جعبه، دو تسمه تابشی و تیغه دندانهای.
شکل :6 پارامتر پراکندگی آنتن با قرار دادن تیغه دندانهای در نرمافزارCST و اندازهگیری انجامشده.
در تحلیل این نمودار میتوان گفت فرکانس تشدید 1/8 GHz است و نسبت به حالت آنتن با تیغه معمولی، پارامتر S11 حدود 8 dB و پارامتر S12 که نشاندهنده تزویج متقابل میان تسمهها است،حدوداً20 dB بهبودیافته است. این نشاندهنده کاهش تزویج متقابل میان تسمهها و بهبود تزویج آنتن به محیط پالسماست.
شکل 7 -الف مقایسهای بین نمودارهای مربوط به پارامتر S11 و شکل 7 -ب
