دانشگاه  مازندران

دانشکده علوم پایه

گروه فیزیک هسته‌ای

پایان نامه کارشناسی ارشد در رشته فیزیک هسته‌ای

موضوع:

مطالعه پارامترهای موثر بر همجوشی پلاسمای  دوتریوم-هلیوم 3 به روش محصورسازی مغناطیسی

استاد راهنما:

دکتر سید محمد متولی

استاد مشاور:

دکتر جعفر صادقی

بهمن1393

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی شود

(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)

تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :

(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)

چکیده

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

**فهرست مطالب**

عنوان                                                               صفحه

مقدمه. 1

فصل اول-همجوشی هسته‌ای.. 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

فصل دوم: سینیتیک همجوشی پلاسمای دوتریوم–هلیوم 3. 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- روشهای 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- روشهای بررسی پلاسما 37

2-10- فشار جنبشی و مغناطیسی پلاسما 38

2-11- دیواره سیستم راکتورهای همجوشی D-³He 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

فصل سوم:کنترل ناپایداری گرمایی در سوخت پلاسمای D-³He. 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- روشهای 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 استفاده از روش تعدیل تزریق سوخت… 80

فصل چهارم: پارامترهای موثر بر همجوشی پلاسمای D-³He در سیستم توکامک….. 82

4-1- مقدمه              82

4-2- نتایج برای حالت ناپایدار. 83

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

فصل پنجم: نتیجه گیری وبحث… 101

***فهرست جداول***

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

***فهرست اشکال***

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

شکل4-1- مقایسه تغییرات پارامتر واکنشپذیری برای واکنش همجوشی D-T و D-³He 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

برای دانلود متن کامل پایان نامه اینجا کلیک کنید.