پلاسما، توکامک، گرمایش، ITER

غناطیسی پولوئیدی کمک می کند توکامک تقارن محوری خود را با ایجاد یک جریان در پلاسما حفظ کند.
همانطور که در شکل 6 دیده می شود، توکامک شامل یک محفظه خلاءچنبره ای است که در آن پلاسما توسط یک سری آهن ربا هایی احاطه شده است. توکامک ها از هر دو میدان های مغناطیسی توروئیدی و پولوئیدی برای محصور کردن پلاسما استفاده می کنند.سیم های مسی در اطراف و در داخل میدان توروئیدی (TF) سیم پیچی می شوند و یک جریان از میان آنها عبور می کند. طبق قانون دست راست این کار جریانی را در جهت توروئیدی که در راستای چنبره است القا می کند. جالب توجه است که سیم پیچ هایTF در اطراف محفظه خلاء در جهت توروئیدی سیم پیچی می شوند ، اما میدان مغناطیسی که آنها القا می کنند در جهت توروئیدی است،. میدان پولوئیدی از جریان درون پلاسما ناشی می شود که توسط سیم پیچ ترانسفورماتور پالسی واقع در مرکز توکامک ایجاد می شود . برهمنهی این دو میدان مغناطیسی، باعث می شود ذرات باردار در پلاسما به صورت مارپیچی در راستای جهت توروئیدی حرکت کنند، که توسط فلش در شکل 6 نشان داده شده است. میدان مغناطیسی نهایی از میدان عمودی (VF) سیم پیچ ها ناشی می شود که به ثابت ماندن موقعیت جریان در پلاسما کمک خواهد کرد. ترانسفور ماتور در مرکز توکامک در واقع دو وظیفه دارد: نه تنها القای یک جریان در پلاسما را به عهده دارد بلکه ، با گسترش، همچنین باعث گرم شدن پلاسما می شود.این جریان الکترون ها و یون های پلاسما را تحریک کرده و باعث حرکت سریع تر و برخورد با یکدیگر می شوند.

شکل 1-6- هندسه توکامک معمولی را نشان می دهد. منبع: موسسه ماکس پلانک در فیزیک پلاسما.
این برخورد ها می توانند به عنوان منبع ایجاد یک مقاومت مطرح شوند که یک درجه خاصی از مقاومت در سیم مسی را نشان می دهد. از آنجا که توان برابراست با مجذور جریان ضربدر مقاومت(p=i^2 R) ، توان به صورت گرما تلف می شود. همانند داغ شدن یک لامپ پس از روشن شدن پلاسما نیز بطور مشابه گرم خواهد شد. این فرایندتحت عنوان گرمایش اهمی شناخته می شود. بر خلاف لامپ، هر چه، پلاسما داغتر می شود یون های بیشتری در آن تولید شده و مقاومت در واقع کاهش می یابد.در نتیجه، محدود یتی در مورد اینکه چگونه پلاسمای داغ می تواند فقط از طریق گرمایش اهمی به تنهایی ساخته شود وجود دارد. راکتورهای همجوشی بزرگی مانند ITER با استفاده از ترکیبی از تکنیک های گرمایش پلاسما عمل می کنندکه به طور کامل در بخش بعدی بحث خواهد شد.
1-3-4- راکتورهای کلاس تجاری
پیشرفت
محصور سازی به عنوان یک شاخه تحقیقاتی مهم در راکتور همجوشی مدرن باقی مانده است. از آنجا که پلاسما یک مایع غیر متبلور(آمورف) است، اغلب در راه های غیر قابل پیش بینی در پاسخ به درجه حرارت بالا و میدان های مغناطیسی عمل می کند. بسیاری از دانشمندان به مطالعه این ناپایداری های پلاسمایی و چگونگی رفتار و اثر آن بر راکتورهای همجوشی بزرگتر پرداخته اند. به عنوان مثال، توکامک HBT-EP در دانشگاه کلمبیا به بررسی استفاده از دیواره- ثبات دهنده بر ناپایداری های پلاسما یی با قرار دادن دیواره های قابل تنظیم در نزدیکی لبه پلاسما پرداخته است. این دیواره ها می توانند بازخورد(feedback) فعال در تلاش برای رفع اختلال قبل از آن انتشار یابد فراهم کنند.

مطلب مرتبط :   فرسایش، مراتع، زیست‌محیطی، مجازاتعنوان مطلب :مقاله با موضوع

شکل 1-7- پیشرفت به سوی راکتورهای همجوشی.
پیشرفت بیشتر به سمت دستیابی به راکتورهای از نوع همجوشی در نیمه دوم قرن بیستم (شکل 7 را ببینید) بدست آمد. راکتور آزمایشی همجوشی توکامک (TFTR) در PPPL، که در محدوده 1982-1997 عمل کرده است ، دمای پلاسما را تا 510 میلیون درجه سانتی گراد، رسانده است که یک رکورد جهانی برای داغترین پلاسمای آزمایشگاهی که تا کنون ساخته شده می باشد و به مراتب بیش از دمای 100 میلیون درجه مورد نیاز برای همجوشی تجاری است. در سال 1993 تحقیقات گسترده ای با استفاده از مخلوط DT 50:50 آغاز شد و در سال 1994 تولید بی سابقه ای با رکورد 10.7 MW قابل کنترل صورت گرفت چنبره مشترک اروپا یی(JET) در Culham، انگلیس ،رکورد سال 1997 را شکست و این هنگامی بود که بیشینه توان 16 MW را بدست داد.. این ماشین آلات در قرن بیست و یکم موفقیت بزرگتری کسب کردند. جانشین JET ، در حال حاضر در حال ساخت در شهر Cadarache، فرانسه می باشد که تحت عنوان راکتور آزمایشی گرما هسته ای بین المللی، به صورت مخفف، ITER می شود.
2.ITER
در اجلاس قدرت های برتر ژنو درنوامبرسال 1985، چندین کشور توافق کردند که یک پروژه انرژی همجوشی بین المللی را شروع کنند. امضا کنندگان اصلی از جمله اتحاد جماهیر شوروی سابق، ایالات متحده آمریکا، اتحادیه اروپا و ژاپن بودند. در سال 2003، این کشورها با کره جنوبی و جمهوری خلق چین و هند ملحق شدند، و پس از آن، در سال 2005 بنا نهاده شد. ITER بدون شک بزرگترین همکاری بین المللی انرژی همجوشی است در عین حال، با کشور های شرکت کننده به نمایندگی از جمعیت بیش از نیمی از جهان عمل می کند وکار طراحی مفهومی برای ITER در اوایل سال 1988 آغاز شد، اما طرح نهایی تا 2001 تصویب نشده بود. در سال 2005 اعضای سایت ITER در Cadareche در جنوب فرانسه به توافق رسیدند و در سال 2007 آماده سازی سایت آغاز شد.
ITER طراحی شده است که پیشرفته ترین توکامکی که تا کنون ساخته شده است . این پروژه هنوز هم دارای ترکیبات اساسی توکامک است، اما در مد پیچیده تر اجرا شده است. سیستم آهنربایی شامل 18 آهنرباها ی ابررسانای TF، 6 سیم پیچ میدان پولوئیدی، یک سیملوله مرکزی، و مجموعه ای از سیم پیچ¬های اضافی برای کاهش اثرات موضعی و محلی حاشیه ها می باشد و ناپایداری هایی در نزدیکی پلاسما رخ می دهند و سبب از دست رفتن انرژی می¬شود. آهن رباهای TF قادر به ایجاد یک میدان مغناطیسی 11.8 تسلا می باشند. روی هم رفته، وزن آنها 6540 تن است در ساخت آنها قطعات سنگین مجزایی به وزن 5000 تن پشت محفظه خلاء به کار رفته است.
انتظار می رود دمای پلاسما ی ساخته شده توسط ITER به حدود 150 میلیون درجه سانتیگراد، که ده برابر درجه حرارت در قلب خورشید است برسد.همانطور که قبلا نیز بحث شد، محدودیتی روی درجه حرارت وجود دارد که به تنهایی می تواند گرمایش اهمی را ایجاد کند؛ به منظور رسیدن به چنین درجه حرارت به طور چشمگیری بالا، ITER با استفاده از سه سیستم گرمایشی عمل می کند.

مطلب مرتبط :   منتر، مأخذ، ، داستان

شکل 1-8- سه منبع گرمایش پلاسما در ITER.
مرحله اول شامل گرمایش اهمی سنتی توسط ترانسفورماتور مرکزی پالسی است. مرحله دوم با استفاده از یک تکنیک شناخته شده به عنوان تزریق باریکه خنثی شناخته می شود. تزریق باریکه خنثی با در نظر گرفتن اتم های دوتریوم، و جدا سازی الکترون های خود از آن عمل می کند به طوری که می توان آنها را توسط میدان های مغناطیسی کنترل کرد و شتاب گیری آنها در خارج از توکاماک با انرژی 1 MeV آغاز می شود. هنگامی که انرژی یون های دوتریوم به سمت توکاماک فرستاده می شوند آنها از طریق یک سلول گازی، الکترون از دست رفته خود را بدست می اورند، و سپس به شکل پلاسمای خنثی در می ایند. به این دلیل این یون ها باید خنثی شوند تا توسط میدان مغناطیسی پلاسما منحرف نشوند. از طریق برخورد ها ، انتقال انرژی آنها به ذرات پلاسما صورت می گیرد و در نتیجه¬ی آن گرمایش بیشتر می شود. مرحله سوم و پایانی فرآیند گرمایش، تحت عنوان گرمایش سیکلوترونی، شناخته می شود و امواج الکترومغناطیسی با فرکانس بالا به داخل پلاسما فرستاده می شوند. این امواج برای مطابقت با فرکانس یون ها و الکترون های پلاسما در جهت به حداکثر رساندن انتقال حرارت عمل می کنند. اگراین سه مرحله گرم کردن پلاسما موفقیت آمیز باشد، دانشمندان امیدوار می گردند که قادر به احتراق پلاسما شوند که در آن انرژی آزاد شده از واکنش همجوشی به اندازه کافی برای حفظ دمای پلاسما مناسب است. اگر این امر قابل دست یابی باشد، مکانیسم گرمایش خارجی را می توان کاهش داد و یا به طور کامل خاموش کرد، که راهی مناسب برای کسب انرژی خالص است. با استفاده از این سه روش، گرمایش پشت سر هم نیز حذف می شود که برای اجرای ITER در حالت پالسی لازم است و اغلب مانند توکامک عمل می کند.
فرآیند استخراج گرما از ITER (و بنابراین انرژی قابل استفاده) شامل چیزی است که تحت عنوان بلانکت شناخته می شود که سطح داخلی محفظه خلاء را پوشش می دهد. برنامه ریزی دانشمندان سوزاندن مخلوط DT در ITER، و راهی برای به دست آوردن انرژی از این واکنش است و از بلانکت برای برداشت انرژی جنبشی نوترون استفاده می شود. هر واکنش DT یک نوترون سریع تولید میکند(شکل 9 را ببینید) که به بلانکت ضربه میزند زیرا که نوترون ها به میدان مغناطیسی پاسخی نمی دهند. انرژی جنبشی نوترون به انرژی گرمایی تبدیل می شود و توسط خنک کننده ها جمع آوری می شود. همانطور که در یک نیروگاه شکافت می بینیم، خنک کننده، معمولا آب است که به بخار تبدیل می شود و چرخش توربین را به وجود می آورد و برق