1-مقدمهدر اینجا یک نظر اجمالی به اصول همجوشی مغناطیسی و لختی با تاکید بر همجوش مغناطیسی خواهیم داشت. دو خط مشی اصلی به سوی واقعی سازی همجوشی گرماهسته ای دنبال می شود: محصورسازی مغناطیسی MCF و محصورسازی لختی(اینرسی) ICF. در هر دو مورد معیار سوخت باید ارضا شود که نیاز به کمترین مقدار سوخت، بوسیله چگالی سوخت n نمایش داده می شود، و برای کمترین مدت زمان معینی
در دمای به اندازه کافی بالای T با هم نگهداری شوند که با هم ضرب سه گانه همجوشی را تشکیل می دهند
. هر دوی این خط مشی ها در سالهای اخیر پیشرفت های قابل توجهی بدست آورده اند و در هر دو خط مشی جنبه های موفقی در کاربرد راکتور وجود دارد.
در همجوشی محصورسازی لختی از لیزر یا باریکه ذرات(که محرک نامیده میشود) برای گرم کردن قرص های منجمد D-T با شعاع R استفاده می کنند،که هر کدام از اینها برای رسیدن به دماهای لازم همجوشی به طور مستقیم یا غیر مستقیم به اشعه های X تبدیل می شوند. پالس های گرمکن نوعا طول موج 1-10 ns دارند.راکتوری که بر این پایه بنا نهاده شده باشد بطور ذاتی می تپد و راکتور یک بهره هدف ذاتی G تولید می کند،که به عنوان انرژی تولید شده واکنش های همجوشی تقسیم بر انرژی محرک تعریف می شود.بازده بالا وابسته به تعداد واکنش هایی است که قبل از اینکه مجموعه سوخت از هم بپاشد اتفاق بیافتد، یعنی در زمانی که سوخت بخاطر جرم محدودش محصور شده است. یک تقریب خوب برای زمان محصورسازی لختی
، ، زمانی است که یک یون مسافت R را با سرعت گرمایی
طی کند که سرعت صوت
را بگیرد. معیار سوخت ICF به عنوان معیار
شناخته می شود، هم چنین شرط بهره-زیاد نامیده می شود، واین معیار از آنجا که تقریبا همه سوختی که در قرص است واقع می سوزد بدست می آید، یعنی تعداد واکنش هایی که اتفاق می افتد در فاصله زمانی برابر با تعداد دوترون یا تریتون های سوختی است. شکل استاندارد
است که m جرم یونی متوسط است،
چگالی جرم، و
نرخ ثابت واکنش همجوشی است. برای D-T ،
در T=50kev است. معیار
هم چنین می تواند به صورت چگالی و زمان محصورسازی، به صورت
نوشته شود. ضرب سه گانه که از این نیاز راکتور نتیجه می شود نوعا 10 بار بزرگتر از آن چیزی است که برای MCF خواسته می شود که نتیجه ای از ناکارائی بودن ذاتی در گردهم بودن سوخت است. باید توجه کرد که جمله احتراق در ICF همان معنی را در MCF ندارد، هماطور که این به شرط موثر گیراندازی ذره آلفا اشاره دارد، حداقل مقدار
برابر
برای کندکردن ذرات آلفا در قرص لازم دارد. چونکه قرص D-T چگالی جرمی
دارد. ارضای معیار
هدف های بزرگی را می طلبد، که نیاز به انرژی های دست نیافتنی محرک های گرمکن دارد. یک راه فرار از این تنگنای آشکار می تواند با متراکم سازی قرص،
به طور قابل توجهی افزایش پیدا کند. مثلا با افزایش ضریب 1000 انرژی مورد نیاز را تا 10[SUP]9[/SUP] برابر کمتر می کند و این را در محدوده ای می آورد که از نظر تکنیکی قابل دسترسی است. علاوه بر این واضح نیست که مقدار گرمایی که لازم است تا سوخت را به دماهای همجوشی برساند باید بوسیله لیزر یا باریکه تامین شود. البته این ممکن است برای احتراق قسمتی از قرص کافی باشد و انرژی همجوشی نیز آزاد کند و بقیه قرص را گرم می کند. نیاز آخری نیز بوسیله درنظر گیری صرفه جو بودن انرژی آشکار می شود. براحتی می توان نشان داد که بهره ذاتی G[SUB]i[/SUB] قرص D-T که بطور یکنواخت گرم شده است، به عنوان نسبت انرژی آزاد شده بوسیله همجوشی به انرژی لازم برای رسیدن به شرایط همجوشی که حداکثر حدود 200 است. کارائی سیستم های خارجی نیروگاه و کارآمدی کم تولید محرک، خواستار راکتور با بهره هدف حدود 100 است. توجه کنید که
به نوبه خود نیاز به بهره های ذاتی حدود 10[SUP]4[/SUP]دارد به علت بازده
جفت شدگی واقعی محرک. برای جذاب بودن محصورسازی لختی لازم است که نشان بدهیم ممکن است کل قرص،بعد از اینکه فقط کسر کوچکی به دمای احتراق می رسد، در چگالی هایی که بوسیله معیار
تحمیل می شود، بسوزد.
شکل 1: مسیر انتظاری ICF بسوی رسیدن به احتراق و بهره بالا
آزمایشات نشان می دهد که ارضای معادله 1 برای رسیدن به مقادیر بالای مورد نیاز G ممکن است کافی باشد. شکل 1 نشان می دهد بهره هدف تابع مستقیمی از انرژی محرک حساب شده است. بر اساس پیشرفت آزمایشگاهی و پیشرفت پایا در بازده سیستم، پیش بینی می شود که احتراق با انرژی محرک
0.5-1Mj
، در حالی که بهره بالای راکتور با انرژی محرک
0.5-1Mj
امکان پذیر می شود.
این مقاله ترجمه ی مجید میرزایی عضو تیم ترجمه ی فی بوک می باشد
3 پیکربندی ICFدر همجوشی لختی کار اصلی انفجار هدفی است که، برای رسیدن به شرایط همجوشی، باید گرم و متراکم شود، بوسیله جذب انرژی حمل شده توسط محرک. اگر هدف شامل کپسول کروی حاوی سوخت D-T باشد به اصطلاح محرک مستقیم نامیده می شود(شکل 2.b). و اگر کپسول به شکل جعبه فلزی استوانه ای یا کروی یا hohlraum باشد که انرژی تابشی محرک به اشعه X تبدیل می کند پس محرک کپسول را منفجر می کند(شکل 2.a). محرک ها می توانند لیزر، باریکه یون های سنگین یا شتاب دهنده های Z باشند. آخری شامل یک آرایش بزرگ وسایل نیروی تپنده مجزا است که زمان بندی شده است، در محدوده 1 میلیاردم ثانیه، یک جریان 10 میلیون آمپری به دو آرایش خاص از سیم(از 100 تا 400 سیم) وارد می شود که نسبت به hohlraum تقارن مکانی دارند(تنها آرایش ممکن را در شکل 2.c می بینید). این جریان ها سیم ها را بخار می کنند، پس در حین ساخت پلاسما، و تولید میدان های مغناطیسی قوی که این پلاسما را به چگالی و دماهای مورد نظر می رساند کافی است یک چشمه اشعه X قوی تولید کنیم.
شکل 2: آرایش هندسه ای برای انفجار کپسول های ICF
مشکل اصلی راکتور ICF هزینه ساخت، نرخ تکرار و گذاشتن آن در فاصله ای است که محرک ها بتوانند عمل کنند و ساخت اتاقک همجوشی است.
نیروی لورنتس باعث می شود ذرات باردار روی مدارهای مارپیچی(مدارهای لارمور) حول میدان مغناطیسی حرکت کنند. در یک میدان مغناطیسی و در نبود برخوردها و آشفتگی ذرات(بهتر است بگوییم مرکز راهنمای آنها) به خطوط میدان گره خورده اند اما در امتداد آنها آزادند که حرکت کنند. فاصله بین مدار واقعی ذره و خط میدان مغناطیسی شعاع لارمور است. یک میدان مغناطیسی توانایی محدود کردن حرکت ذره عمود بر میدان مغناطیسی را دارد اما از حرکت ذرات در امتداد میدان مغناطیسی جلوگیری نمی کند. این اثر به عنوان پایه ای برای همه طرح های محصورسازی مغناطیسی بکار برده می شود، اما در عین حال لازم است که بر اتلاف ذرات(اتلاف انتها) در امتداد میدان مغناطیسی غلبه شود. اثر اختلالی برخوردها و آشفتگی بر اثر انتقال ذرات و انرژی مقطعی میدان مغناطیسی میتواند برحسب فرایند پخش آماری ساده که اینجا بر یک پلاسمای استوانه ای اعمال شده، درک شود. اول برخوردهای کولنی را در نظر می گیریم. ذرات، برخوردهایی با زمان مشخصه
انجام می دهند. برخوردها به ذرات امکان عبور از عرض B با طول گام برابر
را می دهند. این یک ضریب پخش
می دهد. اثر آشفتگی الکتروستاتیک به روشی مشابه می تواند تخمین زده شود. یک مدل ساده تصویرهای ذراتی است که توسط امواج آشفتگی به جلو کشیده می شوند. طول گام از مرتبه طول موج عمود بر میدان مغناطیسی
و زمان برخورد موثر آن زمان همبستگی آشفتگی
است، در نتیجه داریم
. در هر دو مورد زمان محصورسازی به D ربط دارد توسط رابطه پخش ساده
که a شعاع پلاسما است، به طوری که در هر دو مورد بالابودن
نیاز به سطح مقطع بزرگ پلاسما دارد. یک ذره چرخان در حرکت خود حول خط میدان مغناطیسی یک حلقه جریان کوچک با گشتاور مغناطیسی
می سازد که یک میدان مغناطیسی، در جهت مخالف میدان مغناطیسی اعمال شده، متناسب با انرژی جنبشی حرکت عمودی ذره است. پلاسماها در میدان مغناطیسی به طور طبیعی دیامغناطیس هستند(مواد دیامغناطیس گشتاور دو قطبی ذاتی ندارند). با بیشتر شدن جمع انرژی های همه ذرات پلاسما میدان مغناطیسی کمتر خواهد شد. یک محدودیت برای انرژی کل 3nT، که یک میدان مغناطیسی داده شده می تواند محبوس کند، وجود دارد. همین نتیجه با تقریب دیگری بدست می آید به صورتی که اعمال میدان مغناطیسی بر پلاسمای محصور شده می تواند به صورت یک تعادل بین فشار مغناطیسی
و فشار پلاسما P بر حسب رابطه
دیده شود. بیشترین فشاری که می تواند در یک B داده شده محصور شود
است. محدودیت های پایداری از دسترسی به ماکزیمم مقدار جلوگیری می کنند و فشار حداکثر به بتا از حد تئوری اش می رسد. مقدار بزرگ B یک کلید برای رسیدن به مقادیر بزرگ nT است. از آنچه که تا الان ما اینجا دیده ایم، انتظار می رود که ضرب سه گانه همجوشی در وسایلی که اتلاف انتها ندارند با سطح مقطع پلاسما و فشار میدان مغناطیسی افزایش پیدا خواهد کرد. چنین وابستگی در شکل 3 نشان داده شده است، مقادیر را به طور تجربی در طی بیش از 30 سال تحقیق با تعداد زیادی از وسایل همجوشی مغناطیسی تروئیدی به عنوان تابعی از
نشان می دهد، که انرژی کل مغناطیسی ذخیره شده در پلاسما است.
شکل 3: مقادیر بدست آمده برای دستگاه های MCFبر اساس انرژی مغناطیسی ذخیره شده در حجم پلاسما
[h=2]قسمت پنجم - پیکربندی های مغناطیسی با اتلاف انتها
در اصل می شود ماشین محصورسازی مغناطیسی تصور کرد که شامل یک سولونوئید(سیملوله) دراز به طول L بطوری که ذرات به صورت شعاعی محصور می شوند اما جریان به صورت محوری به سمت بیرون است. با مقایسه مورد ICF، می شود زمان محصورسازی انرژی موثر را تعریف کرد:
. برای L=1 km ،
برابر با حدودا 10[SUP]-3[/SUP] درT=15 keV ، این معنی را می دهد که سوختن برای n>2 10[SUP]23[/SUP] m[SUP]-3[/SUP] ممکن است. فشار متناظر با این مقادیر n و T نیاز به میدان محصوری B=50 T دارد. این واضح است که اتلاف انتها در راکتور همجوشی باید کم شود. یک راه انجام این کار افزایش شدت میدان مغناطیسی در انتهای هر سیملوله است. ذرات چرخان از این نواحی ها بوسیله میدان های بالاتر دفع می شوند که به طور موثر به عنوان "آیینه مغناطیسی" عمل می کنند. بازتاب بخاطر نیرویی است که به اصطلاح نیروی gard-B گفته می شود
که
، گشتاور مغناطیسی ذره است. می توان نشان داد که یک ثابت آدیاباتیک است، به این معنی که مقدارش در طول حرکت تغییر نمی کند. حرکت ذره چنین آیینه ای می تواند بوسیله دو رابطه بقای
و
توصیف شود. در طی حرکت به سوی میدان بالاتر
افزایش و
کاهش پیدا می کنند. در مقادیر به اندازه کافی بالای B، V[SUB]z[/SUB] حتی تا صفر می تواند کاهش پیدا کند یعنی ذرات بازتاب می شوند. اگرچه اتلاف های انتها در آیینه مغناطیسی می تواند تا مقدار قابل توجهی کم شود، محصورسازی به این شکل بازده خیلی کمی دارد و ماشین های آیینه ای تقریبا از صحنه همجوشی کنار گذاشته شده اند.
[h=2]ماشین های همجوشی - محصورسازی چنبره ای ذره - بخش ششم
یک روش واضح برای حذف اتلاف انتها بستن خطوط میدان مغناطیسی به روی خودشان است.
شکل 4: مختصات و میدان ها در سیستم تروئیدی
برای مثال این کار می تواند با تراز کردن میدان تولید شده توسط سیم پیچ ها در امتداد محیط دایره ای به شعاع Rانجام شود، پس ساخت میدان مغناطیسی تروئیدی،
یک گرادیان در جهت Rدارد(شکل 4 را ببینید). در طی حرکت در امتداد خطوط میدان تروئیدی ذرات پلاسما یک نیروی شعاعی F[SUB]R[/SUB]به سمت بیرون تجربه می کنند که جمع نیروی مرکزی
بعلاوه grad-Bنیروی
است. در نتیجه، یک حرکت سوقی، که سوق تروئیدی
نامیده می شود اتفاق می افتد و بوسیله معادله زیر داده میشود.
با متوسط گیری روی توزیع ماکسولی، سوق تروئیدی
می شود. بخاطر وابستگی به بار q[SUB]c[/SUB]، الکترونها و یونها سوق در جهت های متفاوتی را تجربه می کنند، که باعث ایجاد میدان الکتریکی می شوند. که این میدان باعث می شود الکترون ها و یون ها به صورت شعاعی بیرون روند. پس امید ما برای ایجاد سیستم محصورسازی ایده آل شکست می خورد. اثر سوق تروئیدی با پیچیده شدن خطوط میدان مغناطیسی به صورت حلزونی از بین می رود. با استفاده از جمله تبدیل چرخشی برای مشخص کردن پیچش، که مولفه میدان پولوئیدی
را می دهد. مقدار تبدیل چرخشی با نسبت
اندازه گیری می شود، یا با زاویه تبدیل چرخشی
که q، فاکتور ایمنی، به صورت زیر تعریف میشود:
اگر خط میدان را بارها حول دستگاه بچرخانیم یک لوله شار بسته کشیده می شود، یک سطح مغناطیسی نامیده می شود. سطح های وابسته به خطوط میدان متفاوت یک مجموعه سطح تودرتو حول محور دستگاه تشکیل می دهند. توجه داشته باشید که زاویه تبدیل چرخش معمولا از یک سطح به سطح دیگر متفاوت است. بنابراین پیکربندی قیچی مغناطیسی دارد، یک ویژگی که در مقابل ناپایداری های پلاسما در مقیاس بزرگ است که موثر می باشد. با درنظر گیری مسیر یک تک ذره(با سرعت به اندازه کافی بالا
در امتداد میدان مغناطیسی)، براحتی می توان نشان داد که پیچیده شدن به صورت حلزونی می تواند سوق تروئیدی را جبران کند. کافی است نشان بدهیم حتی با وجود v[SUB]D[/SUB]، مسیر ذرات باردار یک مسیر بسته است. بدون سوق تروئیدی، مرکز راهنمای ذره با خط میدان همزمان اتفاق می افتند، به طوری که تصویرش روی صفحه meridian(با مختصات xو y) یک دایره است که ذره با بسامد زاویه ای
توصیف می شود. با داشتن سوق تروئیدی، مسیر تصویر شده از
و
پیدا می شود که جواب یک دایره است که با توجه به تصویر خط میدان جابجا شده به طوری که بیشترین فاصله بین مدار و سطح مغناطیسی
است. پس می توان نتیجه بگیریم که سیستم تروئیدی با تبدیل چرخشی در واقع می تواند ذرات را محبوس کند. هزینه ای که بابت حذف اتلاف انتها باید پرداخت شود گردش ذرات به اندازه شعاع لارمور، دور از خطوط میدان مغناطیسی است. همانطور که این گردش طول گام را برای انتقال برخوردی تولید می کند، دیده می شود که این مزیت بزرگ کار با qهای کوچک است. مقدار مجاز حداکثری پیچ خوردن از شرایط پایداری بدست می آید. هم چنین توجه کنید که تبدیل چرخشی یک مسیر راهنما بین بالا و پایین مناطق مخالف قطبیدگی بار بوجود می آورد، جریان هایی که شارش می کنند جریان های Pfirsch-Schluterنامیده می شوند. همانطور که این جریان ها مقداری مقاومت را می بییند، میدان الکتریکی عمودی نمی تواند به طور کامل اتصال کند. رفتار دینامیکی پلاسما در میدان مغناطیسی پیچیده تر از جمع حرکات ذرات منفرد است. می توان نشان داد که یک پلاسمای کاملا رسانا قادر به کشیدن خطوط میدان مغناطیسی در امتداد حرکت ماکروسکوپی آنها است. گفته می شود خطوط میدان مغناطیسی در پلاسما منجمد شده اند. پس می شود حرکت ذره نسبت به میدان مغناطیسی ثابت را نتیجه گرفت که قبلا توصیف شد، یعنی از هر حرکت ماکروسکوپی خطوط میدان( و پلاسما) جلوگیری می شود. در توکامک ما خواهیم دید که نیروی شعاعی
(وقتی روی همه توزیع ماکسولی ذرات پلاسما جمع زدیم) باید با میدان مغناطیسی عمودی اضافه شده جبران شود.
یک توکامک وسیله تروئیدی است که میدان مغناطیسی پولوئیدی ساخته می شود بوسیله جریان تروئیدی I[SUB]p[/SUB]که از میان پلاسما شارش دارد. شکل 5 یک طرح کلی از توکامک می دهد. یک میدان مغناطیسی تروئیدی قوی بوسیله سیستم سیم پیچ میدان تروئیدی تولید می شود. جریان تروئیدی بوسیله مبدل القا می شود.
شکل 5: نمودار شماتیکی یک توکامک
خود پلاسما سیم پیچ ثانویه را تشکیل می دهد، سیم پیچ اولیه روی یک هسته آهنی پیچ خورده است. هندسه تورئیدی پلاسما به دو حلقه نیرو که هر دو درجهت بسط حلقه پلاسما است منجر میشود. اولین نیرو از میل طبیعی یک حلقه جریان، کم کردن انرژی مغناطیسی برای بسط حلقه نتیجه می شود. نیروی دوم برایند F[SUB]R[/SUB]جمع نیروهای مرکز گریز و grad-Bبوسیله ذرات منفرد در طی حرکت آنها در امتداد خطوط میدان تجربه می شود. هر دوی این نیروها می توانند با اعمال میدان مغناطیسی عمودی B[SUB]v[/SUB]جبران شوند، که با جریان تروئیدی برای دادن یک نیروی رو به داخل برهم کنش می کند. بزرگی موردنیاز برای این میدان
است. در این عبارت
نسبت فشار متوسط پلاسما به فشار میدان مغناطیسی پولوئیدی است و آن قسمت از میدان عمودی را توصیف می کند که برای جبران F[SUB]R[/SUB]لازم می شود. l[SUB]i[/SUB]ضریب القای درونی بر واحد طول حلقه جریان است و، با ضریب القای خارجی بوسیله جمله های بین پرانتز داده شده، مقدار میدان لازم برای تعادل سم نیروی جریان را تنظیم می کند. اگر میدان اعمالی عمودی از نظر فضایی یکنواخت نباشد و با شعاع اصلی افزایش پیدا کند، پلاسما به طور عمودی ناپایدار می شود. چنین شکل میدان عمودی لازم است یعنی وقتی که، سعی جهت افزایش فشار پلاسما، پلاسما تا حداکثر ممکن کشیده میشود برای میدان قوی جنبی، پس یک پلاسمای D-شکل می سازد یعنی کشیدگی دارد و شکل مثلثی می گیرد. اعمال یک میدان مغناطیسی افقی خارجی B[SUB]h[/SUB]می تواند برای اینکه پلاسما در مرکز نگه داشته شود مورد استفاده قرار گیرد. کنترل هم مکان عمودی و هم افقی در همه توکامک های مدرن به روش feedbackسیستم های میدان مغناطیسی عمودی و افقی انجام میوشد. ترکیب میدان های بالا می تواند یک پیکربندی متعادل توکامک را تولید کند. با استفاده از تحلیل پایداری می توان پایدار بودن یا پایدار نبودن این تعادل را فهمید. پلاسمای توکامک الزاما دو منشا ناپایداری دارد، یعنی دو چشمه انرژی برای برانگیختن نوسان ها: انرژی مغناطیسی جریان پلاسما و انرژی گرمایی پلاسما. در فشارهای بالا این چشمه برهم کنش با هم را شروع می کنند اما در فشارهای کم آنها جداگانه می توانند مورد مطالعه قرار گیرند. انرژی مغناطیسی پولوئیدی ناپایداری های حلزونی را برانگیخته می کند، ناپایداری پیچ خوردگی و ناپایداری پارگی، در حالی که انرژی گرمایی مدهای متقاطع و بالونی را برانگیخته می کند.
در دمای به اندازه کافی بالای T با هم نگهداری شوند که با هم ضرب سه گانه همجوشی را تشکیل می دهند
. هر دوی این خط مشی ها در سالهای اخیر پیشرفت های قابل توجهی بدست آورده اند و در هر دو خط مشی جنبه های موفقی در کاربرد راکتور وجود دارد.
