پلاسما، محصور، مغناطیسی، سوخت

ازگار هستند به طوری که آنها به اندازه کافی تولید انرژی برای نگه داشتن واکنش می کنند. البته آنها همچنین مقدار زیادی انرژی گرمایی تابش می کنند. نیروی گرانشی در بین چهار نیروی اصلی ضعیف ترین است. برای یک مولکول H2، نیروی گرانشی بین دو پروتون 1036 بار ضعیف تر از نیروی الکتریکی بین آنهاست. کلید اصلی برای محصور سازی گرانشی ،جرم مطلق ستاره است. در نتیجه ، تقریبا غیر ممکن است واکنش همجوشی از طریق محصور سازی گرانشی کنترل شده بر روی زمین ایجاد کرد.
1-3-2- محصور سازی اینرسی
یکی از بهترین نمونه های مدرن و روز پژوهش بر روی محصور سازی اینرسی است که در سیستم احتراق ملی (NIF) واقع در آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور در لیورمور کالیفرنیا اتفاق افتاد. NIF از 192 باریکه لیزری شدید برای ایجاد دماهای شدیدا بالا و فشارهای مورد نیاز برای رسیدن به همجوشی استفاده می شود. یکی از راه های استفاده از این لیزرها با استفاده از روش محرک مستقیم است که در آن باریکه های لیزری بر روی یک قرص سوخت کروی کوچک که حاوی تنها چند میکروگرم از دوتریوم و تریتیوم متمرکز شده است می تابند. قسمت بیرونی قرص سوخت را فشرده می کند تا اینکه سریعا به حالت انفجار برسد. با استفاده از قانون سوم نیوتن، نیرو به سمت داخل برابر و در خلاف جهت به قرص سوخت وارد می شود که باعث بروز انفجار می شود. این سوخت D-T را در داخل فشرده میکند و موج شوکی فراهم می کند که حرارت بیشتری فراهم میکند و ایجاد یک واکنش خود سازگار می کند. همجوشی در حال سوختن به سمت خارج از مرکز قرص سوخت با آهنگی سریعتر از سوخت انتشار می یابد و می تواند منبسط شود در این روش پلاسما توسط اینرسی جرم متعلق به قرص سوخت محصور می شود که به آن عبارت همجوشی از طریق محصور سازی اینرسی نسبت می دهند.
محققان در NIF، آزمایش هایی را هم با استفاده از روش محرک مستقیم و هم غیر مستقیم انجام دادند؛. در روش محرک غیر مستقیم، قرص سوخت را در یک ظرف طلا ی خالی کوچک قرار می دهند. سپس باریکه های لیزری بر روی هالورام به جای خود قرص سوخت متمرکز می شوند. دیواره های داخلی هالورام ها به طور چشمگیری گرم می شوند و یک پلاسما ایجاد می شود که تابش حمامی از اشعه های ایکس نرم ایجاد می کند. این روش همان شیوه ای است که در روش محرک مستقیم بکار می رود. اشعه های X به سرعت سطح خارجی قرص سوخت را گرم می کند و در خارج از لایه بیرونی، دوباره باعث انفجار و احتراق قبل از متلاشی شدن قرص سوخت می شود.

شکل 1-2- روش محصور سازی لختی محرک غیر مستقیم در NIF
برای محاسبه فشار تقریبی به دست آمده با سیستم لیزری NIF با استفاده از روش محرک مستقیم توجه داشته باشید که لیزر قادر به انتقال یک مگا ژول انرژی در طی یک دوره 2 نانو ثانیه ای به یک قرص سوخت است که در حدود 1mm شعاع دارد. توان متوسط در واحد سطح که توسط موج الکترومغناطیسی انتقال می یابد از مرتبه W / M2 1023 می باشد و بنابر این فشار تابشی عبارت است از:

مطلب مرتبط :   حزب، لبنان، إسلامی، انتخابات

این تقریبا ده میلیارد برابر فشار جو زمین است. ضریب 2 به این علت وارد شده است که کپسول قرص سوخت کاملا بازتابنده است زیرا تکانه خطی فوتون تغییر جهت می دهد به جای اینکه فقط جذب صورت گیرد. به منظور دریافت بهره خالص انرژی از سیستم لیزر، NIF ادعا می کند که نیروگاه انرژی همجوشی به طریق محصور شدگی لختی در هر نقطه نیازبه ده تا بیست انفجار قرص سوخت در هر ثانیه دارد. اگر به این شرایط بتوان دست یافت ، چنین نیروگاهی می تواند بیش از 1000 مگا وات برق تولید کند.
به هر حال امروزه یک مرکز مانند NIF تنها قادر است چندین شوت(پرتاب) در هر روز انجام دهد به دلیل نیاز به دقت پیکربندی مجدد این آزمایش و امکان این که قطعات نوری سرد باقی می مانند، چالش مهندسی تنظیم دقیق مجدد قرص سوخت در هالورام ده تا بیست بار در هر ثانیه همچنان در آنجا باقی است.
1-3-3- محصور سازی مغناطیسی
محصور سازی مغناطیسی به خوبی مورد مطالعه قرار گرفته و محصور سازی پلاسما را تشکیل می دهد. به دلیل نیروی لورنتس:

حرکت ذرات باردار را می توان با استفاده از میدانهای الکتریکی و مغناطیسی کنترل کرد. از آنجا که طبق تعریف پلاسما ها متشکل از ، ذرات بارداری هستند که می توانند آزادانه حرکت نمایند پلاسما باید واکنش جمعی به یک میدان اعمالی نشان دهد.
دو تا از طرح های پیشرو مربوط به راکتورهای مغناطیسی محصور سازی شده Stellarator (اسلاراتورها) و tokamaks (توکاماکها) می باشند.

شکل 1-3- سیم پیچ مارپیچی
a .استلاراتورها
استلاتورها توسط لیمن اسپیتزر، مدیر موسس آزمایشگاه فیزیک پلاسما پرینستون (pppl)، در اوایل دهه 1950اختراع شد و همچنان کار بر روی این وسایل ادامه دارد. یکی از ساده ترین راه ¬ها برای محصور سازی مغناطیسی یک پلاسما قرار دادن یک سیم در اطراف استوانه وقرار دادن پلاسما در درون آن است. ذرات باردار حرکت دایره¬ای در صفحه عمود بر میدان مغناطیسی تجربه می کنند، اما در صورتی که آنها دارای مقداری سرعت اولیه¬ موازی با میدان مغناطیسی اعمالی باشند آنها در آن جهت به آرامی سوق می یابند و تحت تاثیر میدان اعمال شده قرار نمی گیرند. در نتیجه در این حالت ، پلاسما، حرکتی به شکل مارپیچ دارد، حرکت سوقی از انتهاهای استوانه صورت می گیرد و دیگر محصور سازی طولانی وجود نخواهد داشت. گام منطقی بعدی به سادگی خم شدن انتهاها و به شکل چنبره ای در آوردن، و یا شکل دونات خواهد بود. مشکل سیم پیچ یک سیملوله چنبره ای(شکل 3) این است که میدان مغناطیسی دیگر یکنواخت نیست.میدان به سمت مرکز قوی تر است، جایی که سیم ها به هم نزدیک تر و متراکم ترهستند. این عدم تقارن در نهایت باعث خراب کردن محصور سازی می شود.برای حل این مشکل، استلاتورها شکل هندسی میدان مغناطیسی را به وسیله¬ی زوج چنبره مارپیچی شکل برای حذف اثر مذکور تغییرمی¬دهند. نتیجه آن یک ماشین واقعا عجیب و غریب است. (شکل 5)
شکل 4 عکسی از قسمت های اتاقک خلاء آزمایش ناتمام استلاتور(NCSX) در PPPL را نشان می دهد. توکاماک ها(به طور کامل در بخش بعدی مورد بحث قرار می گیرند) برای از بین بردن نیاز به این هندسه میدان مغناطیسی با اعمال جریانی از طریق خود پلاسما عمل می کنند. حلقه جریان یک میدان مغناطیسی تولید می کند که کمک می کند تا پلاسما محصور گردد. به طور معمول، استلاتورها تنها از میدان های مغناطیسی خارجی برای محصور کردن پلاسما استفاده می کنند.

مطلب مرتبط :   تجریش، دارآباد، خیابان، درب

شکل 1-4- سیم پیچ های پیچیده شده در اطراف قسمتهای سوار نشده و چیدمان نیافته محفظه خلاء NCSX در PPPL. عکس در سال 2010 گرفته شده است.

شکل1-5-نمونه ای از هندسه استلاتور
NCSX یک کلاس جدیدی از استلاتورها است که به عنوان استلاتورهای فشرده شناخته می شود، که استفاده از جریان پلاسما و میدان های خارجی برای به انجام رساندن و شکل دادن را تسهیل می کند و اجازه می دهد در یک ماشین خیلی فشرده تر به کار رود. متاسفانه، این پروژه NCSX به طور چشمگیری هزینه بر بوده و در نتیجه در سال 2008 لغو شد. قطعات سوار نشده و چیدمان نیافته NCSX هنوز در PPPL باقی مانده است.
از آنجا که نوعا استلاتورها جریان ی را درون پلاسما انتقال نمی دهند، فاقد تقارن محوری موجود در توکاماک ها¬ هستند. اما این بدان معنی است که آنها به یک ترانسفورماتور برای القاء جریان پلاسما نیاز ندارند. در نتیجه، استلاتورها دارای مزیت منحصر به فردی است نسبت به توکامک ها هستند و بیشتر مناسب برای عملیات مستمرمی باشندتوکاماک ها¬ بدون امکانات کمکی معمولا باید در حالت پالسی کار کنند. سال های متمادی، اعتقاد بر این بود که هندسه استلاتورها بیش از حد پیچیده است، به ویژه هنگامی که مهندسی ماشین ساخته شده مطرح شد، و در نتیجه، بسیاری از تحقیقات محصورسازی های مغناطیسی بر روی توکاماک ها¬ متمرکز شد. اما در سال های اخیر، به عنوان فن آوری های تولید بهبود یافته است و دانشمندان موفق به درک عمیق تر از علم هیدرودینامیک مغناطیسی شده اند، تا اینکه علاقمندی به استلاتورها معطوف شده است. در حال حاضر در Grefswald، آلمان در موسسه ماکس پلانک فیزیک پلاسما استلاتورهای جدیدی به نام Wendelstein 7-X در حال ساخت است. این استلاتوربا سیم پیچ ابررسانای مدولاری مجهز شده است که قادر است به عملکرد پلاسما در حالت پایا کمک کند. سیم پیچ های مدولار اجازه خواهند داد که دانشمندان به تنظیم دقیق میدان مغناطیسی بپردازند که می توان آن را بهینه کرد. دانشمندان انتظار دارند، که این محصور سازی پلاسما تعادلی برابر با یک توکامک داشته باشد، بدون اینکه مشکل اضافه جریان پلاسما فراهم آید.
b. توکاماک¬ها
توکامک همتایی در مقابل استلاتور آمریکایی است. مانند استلاتورها، توکاماک ها از میدانهای مغناطیسی برای محصور کردن پلاسما و نگه داشتن آن دور از دیواره های محفظه خلاء استفاده می کنند که در غیر این صورت پلاسما سرد و از هم پاشیده می شود. اما به جای استفاده از یک میدان مغناطیسی مارپیچ چرخان، یک میدا