منبع پایان نامه درمورد ميدان، مغناطيسي، انرژي، ديواره

دستگاه قرار دارد، مورد استفاده قرار مي‌گيرد.
پلاسما در داخل چنبره، اساسا يک سيم پيچ بزرگي را به وجود ميآورد که از ذرات باردار در حال حرکت تشکيل شده است. کويلهاي حامل جريان در خارج از اين چنبره، به پلاسما فشار آورده و آن را به سمت جلو سوق ميدهند. اگر جريانها همجهت باشند؛ ميدان‌هاي مغناطيسي نيرويي را به صورت فشار در سيم پيچها اعمال ميکند. اگر جريانها در جهت مخالف هم باشند، نيروي فشار سعي دارد سيم پيچها را از هم جدا سازد. کويلهاي متعادل کننده45، براي محدود کردن تمايل حرکت پلاسما به سوي خارج است. اين تمايل حرکت به سوي خارج، واکنش به عمل گراديان ميدان مي‌باشد. به هر حال نقش و عمل ترانسفورماتور، براي راندن جريان پلاسماي مورد نياز و نگهداري تبديل چرخشي مي‌باشد. در اين حالت توکامک به صورت يک سيستم پالسي عمل ميکند [45].
بر اساس روند همجوشي سوخت دوتريوم و هليوم 3 مي‌دانيم که محصولات واکنش، ذرات باردار آلفا و پروتون‌هاي بار دار پر انرژي مي‌باشند. اما به دليل وجود واکنش‌هاي مياني بين مواد اوليه مانند دوتريوم و دوتريوم که از دو کانال اتفاق مي‌افتد که از طريق يک کانال ذرات نوترون پر انرژي و ذرات هليوم 3 توليد شده و از طريق کانال ديگر ذرات پروتن و ذرات تريتيوم که ذرات تريتيوم به نوبه خود در واکنش با ذرات دوتريوم توليد نوترون‌هاي پر انرژي و ذرات آلفا مي‌کنند و اين مجموعه از واکنش‌ها نياز به حفاظت از سيستم راکتور در برابرشار نوتروني قوي که با ديواره برخورد مي‌کند و جلوگيري از انتشار اين ذرات و همچنين محافظت از محيط در برابر ذرات تريتيوم که جزو موا راديو اکتيو مي‌باشند، حکم ميکند که اجزاي تشکيل دهندهي ديواره نسبت به تخريب نوترون مقاوم باشد. ديوار محفظهاي که با پلاسما در تماس مي‌باشد، ديواره اوليه ناميده مي‌شود. ذرات پلاسما با انرژي زياد به اين ديواره برخورد ميکنند. اين موجب تخريب ديواره و همچنين از عمر ديواره ميکاهد و پلاسما را آلوده ميسازد. جهت جلوگيري از اين تخريب از يک منحرف کننده يا پوشش گازي استفاده ميکنند. انرژي ذرات آلفاي حاصل از واکنش D-3He در حدود MeV76/3 است و انرژي ذرات پروتن توليد شده برابر MeV7/14است. از آنجا که اين ذرات داراي بار الکتريکي هستند، توسط ميدان مغناطيسي مهار شده، انرژي خود را در برخورد با پلاسما از دست ميدهند و از پلاسماي مرکزي جدا ميشوند [46].
ذرات نوترون توليد شده در واکنش ميانيD-T با انرژي و ذرات نوتروني توليد شده توسط واکنش مياني D-D با انرژي MeV4/2 از ديواره اوليه عبور کرده و جذب پوششي در پشت آن مي‌شود.
پوشش توسط يک لايهي حفاظتي احاطه شده است که از خروج نوترون و اشعهي گاما جلوگيري ميکند. پيچهي مغناطيسي ابررسانا نيز در خارج لايهي حفاظتي، محصورسازي پلاسما را در مرکز راکتور امکان پذير ميکند. سيستم خنک کننده راکتور، انرژي حرارتي جذب شدهي پوشش را جهت سرد شدن به مبدل حرارتي هدايت ميکند. مغناطيس ابر رسانا از طريق يک سيستم برودتي خنک مي‌شود. پلاسماي مرکزي تا دماي لازم براي همجوشي با يک سيستم حرارتي گرم مي‌شود. همانطور که گفته شد براي جلوگيري از تخريب ديواره از پوشش گازي استفاده مي‌شود، در روش پوشش گازي، سوخت گاز خنثي، فضاي بين پلاسماي مرکزي و ديواره را پر ميکند. اين گاز خنثي با پخش شدن در داخل پلاسما، سوخت مورد نياز راکتور را تامين ميکند. همچنين موجب حفاظت از ديواره اوليه و مانع ورود ذرات ناخالص به پلاسما و پخش ذرات از پلاسماي مرکزي خواهد بود. ذرات آلفا و پروتن توليد شده به همراه مقادير مصرف نشده يونهاي تريتيوم و هليوم 3 در دماي بالا در اثر پخش، پلاسماي مرکزي را ترک ميکنند. يونها قبل از برخورد با اولين ديواره، با گاز خنثي برخورد کرده و انرژي خود را از دست ميدهند و پس از جذب الکترون خنثي شده، ار محفظهي راکتور خارج ميشوند. به اين ترتيب گاز خنثي اولين ديواره را از تخريب توسط يونهاي پر انرژي حفظ خواهد کرد. ذرات پلاسماي مصرف نشده از محفظهي راکتور خارج ميشوند. به طور کلي روشهايي که براي حفاظت به کار ميروند به دو جنبهي مکانيکي و غير مکانيکي تقسيم ميشوند. روش مکانيکي شامل تکنيک منحرف کنندهي مغناطيسي و پوشش در برابر شارش گاز است. روش غير مکانيکي نيز شامل موقعيت سطوح حفاظتي بين پلاسما و محفظهي ديواره خلا را شامل مي‌شود [43].

2-12- بارگذاري ديواره راکتور
منظور از بارگذراي ديواره، شارهاي انرژي مختلفي است که با اولين ديواره در واحد سطح و در واحد زمان برخورد ميکند. بار ديواره معياري از شرايطي است که ديواره در تماس با پلاسما تحمل ميکند. وقتي بار ديواره زياد باشد، تخريب شديد مي‌شود و عمر ديواره کوتاه خواهد بود. اما جهت کاهش بار ديواره، بايد ابعاد راکتور افزايش يابد تا سطح ديواره براي همان خروجي وسيعتر شود. تعيين ميزان بار ديواره مستقيما به اقتصاد راکتور بستگي دارد. واحد مورد استفاده براي بارگيري مي‌باشد. در راکتورهاي اوليه براي بار ديواره مقادير بزرگي نظير در نظر گرفته شده بود. اين مقدار پس از تخريب شديدي که در اثر تابش بر ديواره به وقوع پيوست، با عبور شار انرژي قوي ار آن به ميزان مناسبي کاهش داده شد. اما امروزه ميزان يک بار مناسب براي راکتور به شمار ميآيد [41].

اساس روش محصورسازي
اساس روش محصورسازي مغناطيسي، اثر ميدان مغناطيسي روي حرکت ذرات باردار است. پلاسما داراي ذرات باردار بوده و تحت تاثير ميدان مغناطيسي، ذرات باردار پ
لاسما مسيرهاي مارپيچي حول خطوط ميدان با فرکانس سيکلوتروني(?) پيدا مي‌کنند [22, 41].
براي حالت ميدان مغناطيسي همگن B ?=B_z k ?، يک يون ايزوله شده، داراي مسير مارپيچي حول خطوط ميدان ، با فرکانس سيکلوتروني زير است.
?_g=(qB_z)/m (2-19)
و شعاع لامور در صفحه عمود بر، در رابطهي زير ارائه مي‌شود:
r_L=?_L/?_g =(m?_?)/(qB_z ) (2-20)
ميدان مغناطيسي مورد نظر B=Bz، از يک سولونوئيد بزرگ توليد مي‌شود در نتيجه اين ميدان را در داخل ميتوان به اندازه‏ي کافي يکنواخت در نظر گرفت. معادله‌ي حرکت ذره عبارتست از:
m d?/dt=q?×B (2-21)
m (d?_x)/dt=qB?_y (2-22)
m (d?_y)/dt=-qB?_x (2-23)
m (d?_z)/dt=0 (2-24)
?d^2 ??_x/(dt^2 )=qB/m×(d?_y)/dt=-(qB/m )^2×(d?_x)/dt (2-25)
?d^2 ??_y/(dt^2 )=qB/m×(d?_x)/dt=-(qB/m )^2×(d?_y)/dt (2-26)
?_(x,y)=?_? exp?(±i?_c t+i?_(x,y) )(2-27)
علامت نشان‌دهنده‌ي q است. مي‌توان فاز را طوري انتخاب کرد که:
?_x=?_? exp??(i?_c t)=dx/dt? (2-28)
که ثابت مثبت و نشان‌دهنده‌ي سرعت در صفحه‌ي عمود بر B مي‌باشد. در نتيجه:
?_y=m/qB×(d?_x)/dt=±1/?_c ×(d?_x)/dt=±i?_? exp??(i?_c t)=dy/dt? (2-29)
با انتگرال‌گيري مجدد داريم:
x-x_0=-i ?_?/?_c exp?(i?_c t)(2-30)
y-y_0=±i ?_?/?_c exp?(i?_c t)(2-31)
با در نظر گرفتن رابطه‌ي شعاع لارمور داريم:
x-x_0= r_L sin?(?_c t)(2-32)
y-y_0= ±r_L cos?(?_c t)(2-33)
که مدار دايره‌اي را حول مرکز راهنماي46 () که ثابت است، توصيف مي‌کند. شکل2-3 مدارهاي لامور در يک ميدان مغناطيسي را نشان ميدهد.

شکل2-3: مدارهاي لارمور در يک ميدان مغناطيسي [47]

اگر يک ميدان الکتريکي نيز در فضا وجود داشته باشد، حرکت به صورت مجموع دو حرکتِ چرخش لارمور دايره‌اي عادي به علاوه‌ي سوق مرکز راهنما است.
در اين حالت، معادله‌ي حرکت عبارتست از:
m d?/dt=q(?×B+E) (2-34)
يون در نيم‌دور اول خود از ميدان الکتريکي انرژي مي‌گيرد و و در نتيجه شعاع لارمور افزايش مي‌يابد و در نيم‌دور دوم انرژي از دست مي‌دهد و شعاع لارمور کاهش مي‌يابد. اين اختلاف در شعاع لارمور در طرف چپ و راست مدار، موجب سوق مي‌شود. براي جلوگيري از فرار ذرات از بخش‏هاي انتهايي سولونوئيد، يکي از راه‏حل‏هاي ممکن، خم‏کردن سولونوئيد به شکل چمبره‏اي است که به اين ترتيب، دو انتها را از بين مي‏برد که در (شکل 2-4) نشان داده شده است.

شکل 2-4: نمايش ميدان مغناطيسي توروئيدي و پولوئيدي و تبديل چرخشي [56]
راه‏حل ديگر، استفاده از ميدان بسيار نيرومند در بخش‏هاي انتهايي براي بازگرداندن ذرات به سوي مرکز است که اين شيوه، آينه مغناطيسي ناميده مي‌شود.
اگر جهت و مقدار بردار ميدان مغناطيسي تغيير کند، مقدار و نيز مطابق آن تغيير خواهد کرد. اين امر، همراه با نيروي وارد بر ذرهي باردار است که در اثر گراديان ميدان مغناطيسي موجود، بوجود آمده است.
(2-35)
بنابراين يک انتقال ذره که آن را انتقال گراد B47 ميناميم، که عمود بر خطوط ميدان معرفي مي‌شود. هنگامي که يون در يک ميدان مغناطيسي رو به افزايش وارد مي‌شود، شعاع خميدگي ذره بسيار کوچک مي‌شود. اين کار ادامه مي‌يابد تا ذره به ميدان مغناطيسي کاهشي انتقال يابد؛ جايي‌که شعاع شروع به افزايش ميکند. بنابراين يون يا ذرهي باردار به وسيلهي ميدان مغناطيسي افزايشي منعکس شده و در نتيجه به ناحيهاي متمايل مي‌شود که دانسيتهي مغناطيسي کاهش يافته است. جهت حرکت ذره توسط نشانهي بار، و شعاع خميدگي توسط جرم ذره تعيين مي‌شود. بنابراين، يونها و الکترونها، مسيرهاي مختلفي را دنبال خواهند کرد[22].
شکل‌هاي 2-5 و 2-6 نشان‌دهنده تفاوت شعاع لارمور براي الکترون‌ها و يون‌ها مي‌باشد. که اين تفاوت به سبب متفاوت بودن جرم آنها مي‌باشد.

شکل 2-5: سوق‌گيري ذره، در ميدان‌هاي الکتريکي و مغناطيسي متعامد [22]

شکل 2-6: حرکت مارپيچي الکترون‏ها و يون‏ها در امتداد خطوط مغناطيسي [50]

اتلاف انرژي پلاسما
2-14-1-تابش ترمزي 48
تابش ترمزي از کلمه‌ي bremsen به معني ترمز و strahlung به معني تابش گرفته شده است.که تابش الکترو مغناطيسي توليد شده توسط کاهش سرعت يک ذره‌ي باردار است، هنگامي که توسط ذره باردار ديگري منحرف مي‌شود. (شکل 2-8) ذره در حال حرکت بخشي از انرژي جنبشي خود را بصورت فوتون از دست مي‌دهد، در نتيجه بقاي انرژي برقرار است. تابش ترمزي همچنين براي اشاره به فرايند توليد اشعه استفاده مي‌شود که داراي طيفي پيوسته است که شدت آن افزايش مي‌يابد و بيشتر امواجي با فرکانس‌هاي بالاتر (طول موج کمتر) تابش مي‌کند و ممکن است براحتي از پلاسما فرار کند و در نتيجه، انرژي جنبشي ذره کاهش يافته و پلاسما خنک شده و انرژي
جبراني، ضروري مي‌شود ]48[. در يک پلاسمابرخوردهاي کلني يک الکترون با يک يون با در نظر گرفتن زمان ?، و فاصله x، بصورت زير بيان مي‌شود:
F=(Ze^2)/(4??_0 x^2 )=m_e V ? ?=x/V(2-36)
|V ? |=(Ze^2)/(4??_0 x^2 m_e )(2-37)
توان کل اتلافي بر واحد حجم در اين فرآيند، به عنوان ضريب تابش ترمزي شناخته مي‌شود و با استفاده از انتگرال گيري از همهي برخوردها بدست خواهيم آورد:
P_brems=n_z n_e |V_e | ?_(x_min)^(x_max)?W_rad (x/|V_e | )2?xdx(2-38)
و در نهايت به رابطه زير خواهيم رسيد:
P_brems (MW/m^3 )=A_b Z^2 n_z (m^(-3))n_e (m^(-3))?(T_e ) (2-39)

2-14-2- تابش سيکلوتروني49
تابش سيکلوترون، تابش الکترومغناطيسي ساطع شده از حرکت ذرات باردار منحرف شده توسط ميدان مغناطيسي است. نيروي لورنتس50 روي ذرات در جهت عمود بر خطوط ميدان مغناطيسي و مسير ذراتي که در آن حرکت ميکنند، عمل ميکند. ذرات شتاب ميگيرند و شتاب ذرات باردار سبب مي‌شود، اين ذره به بخش تابشي وارد گردد و روي خطوط مارپيچ ميدان مغناطيسي شروع به چرخش کند. دوره زماني چرخش ذرات روي مدارها مستقل از انرژي ذرات است، در نتيجه سبب مي‌شود سيکلوترون در يک فرکانس مشخص کار کند. اين تابش توسط تمام ذرات بارداري که ميدان مغناطيسي را ترک ميکنند، ايجاد ميگردد نه فقط از طريق سيکلوترونها. توان (انرژي بر واحد حجم) از هر الکترون مي‌تواند بصورت معادله (2-32) محاسبه گردد:
(-dE)/dt=(?_t B^t V^2)/(c?_0 ) (2-40)
که E انرژي، t زمان، t? سطح مقطع توماس51( سطح مقطع کل و نه جزيي)، B قدرت ميدان مغناطيسي، V سرعت عمود بر ميدان مغناطيسي است، c سرعت نور است و 0? نفوذ پذيري از فضاي آزاد است [49].
بر خلاف تابش ترمزي، تابش سيکلوترون در حرکت ذرات باردار، نقش مهمي را در کاهش انرژي بازي ميکند. طبق رابطه کلاسيک کاهش توان ناشي از تابش براي ذره باردار در ميدان شتاب دهنده:
P_cyc?N_e a_e^2 (2-41)
جرم

این نوشته در پایان نامه ها و مقالات ارسال شده است. افزودن پیوند یکتا به علاقه‌مندی‌ها.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *