لطفا برای مشاهده چکیده به متن کامل (PDF) مراجعه فرمایید.

در این مقاله رهیافت نوینی برای همجوشی محصور سازی اینرسی به نام افروزش سریع- شوکی معرفی شده است. مدل ارائه شده نشان می دهد که تحت شرایط مناسب، جدا کردن افروزش سوخت متراکم شده به دو مرحله می تواند منجر به کاهش انرژی کل برای افروزش سوخت و افزایش بهره انرژی شود. در این روش پس از مرحله ایستایی سوخت، در دو مرحله، و با اعمال تپ کوتاه پر توان لیزر به روش افروزش سریع و موج ضربه به روش افروزش شوکی و با تاخیر زمانی مناسب، و انرژی و توانی کمتر از آنچه که در هر روش به تنهایی به کار می رود، دمای لکه داغ موثر پدید آمده افزایش یافته و افروزش سوخت کامل می شود. مدل تحلیلی ارائه شده بر پایه نتایج محاسبات عددی برای آستانه آغاز همجوشی برای لکه داغ محصور شده با سوخت متراکم شده نشان می دهد که با اعمال روش ترکیبی افروزش سریع- شوکی و به ازای جرم اولیه ثابت سوخت، از انرژی کل لازم برای افروزش سوخت در مقایسه با انرژی افروزش شوکی کاسته می شود. در این حال بهره انرژی تا 15 درصد افزایش می یابد که مزیت مهمی محسوب می شود. با تنظیم مناسب محرک افروزنده شوکی و همزمان حفظ مزایای اشاره شده برای هدف با جرم سوخت بیش از 2 میلی گرم می توان از سهم محرک افروزنده سریع تا حدود 20 درصد نسبت به شرایط مشابه با ساز و کار صرفا افروزش سریع کاست. ویژگی اخیر از دیدگاه فناوری ساخت محرک های پر انرژی لیزر با پهنای تپ چند پیکوثانیه از اهمیت فراوانی برخوردار است. نمایه مزیت برای روش افروزش سریع- شوکی در مقایسه با روش افروزش شوکی می تواند بهتر از 1.3 باشد.

در این مقاله روابط انرژی کل، بهره انرژی و شعاع لکه داغ در مدل ناهم فشار به طور نیمه تحلیلی محاسبه و با محاسبات عددی ارائه شده توسط اشمیت (2010) برای گداخت هسته ای به روش افروزش شوکی مقایسه و نشان داده شده است که تقریب های به کار رفته توسط روزن (1983) و اشمیت (2010) برای محاسبه بازدهی سوختن در مقایسه با نتایج محاسبات عددی از دقت بالایی برخوردار نیستند و همچنین روابط به دست آمده نمی توانند به صورت یگانه پارامترهای مدل ناهم فشار را تعیین کنند. سپس با معرفی تقریب های مناسب تری روابط نیمه تحلیلی بهبود یافته ای برای مدل ناهم فشار ارائه می شود که نتایج آن از سازگاری بهتری با محاسبات عددی اشمیت برای افروزش شوکی برخوردار است.

در این پژوهش، تأثیر انرژی اولیه الکترون با گستره 1 تا MeV 10، تابع توزیع آن و دمای پیش پلاسمای زمینه keV 10-5/0 Te = بر ترابرد بهینه درون سوخت پیش فشرده با چگالی 3-g. cm 828-292 = ρ cدر مدل افروزش سریع-شوکی به صورت نیمه تحلیلی مطالعه شده است. نتایج نشان داد برای keV 5 ≤ Te، لگاریتم کولنی برخورد ذرات باردار به دما وابستگی ضعیفی دارد و به نظر می رسد توان توقف پلاسما تقریباً مستقل از دمای زمینه است. بنابراین دمای پیش پلاسما عامل تاثیرگذاری بر افزایش نفوذ الکترون ها به درون سوخت نیست و با افزایش انرژی الکترون ها و کاهش چگالی، نفوذ الکترون به درون سوخت افزایش می یابد؛ به طوری که شرایط مناسب را می توان در محدوده انرژی از مرتبه MeV 5/4 و چگالی 3-g. cm 300 ≈ cρ در نظر گرفت. بررسی تأثیر طول موج افروزنده سریع و تابع توزیع الکترون ها بر بهبود انتقال انرژی نشان داد که تابع توزیع انرژی تقریباً مستقل از دمای زمینه است و با در نظر گرفتن طیف دو دمایی برای الکترون ها و طول موج افروزنده سریع از مرتبه µ m 35/0 ≈ λ if، نهشت انرژی الکترون ها با آهنگ یکنواخت تری درون پلاسما انجام می شود. نتایج نیمه تحلیلی با شبیه سازی مونت کارلو مورد راستی آزمایی قرار گرفته و سازگاری خوبی را با آن نشان می دهد

توان توقف و نفوذ الکترون های پُر انرژی به درون سوخت چگال و لکه ی داغ با در نظر گرفتن توزیع طیف انرژی الکترون های داغ در رویکرد افروزش سریع-شوکی بررسی و عامل های مؤثر بر پراکندگی باریکه ی الکترون ها مورد مطالعه قرار گرفت. محاسبه های تحلیلی نشان داد که الکترون های نسبیتی با توزیع دو دمایی انرژی در مقایسه با توزیع نمایی انرژی و تک انرژی به میزان بیش تری به درون سوخت نفوذ می کنند و انرژی بیش تری را به لکه ی داغ مرکزی تحویل می دهند که با نتیجه های حاصل از کد MCNPX سازگار است. هم چنین پراکندگی الکترون ها به سمت سطح خارجی سوخت جامد برای 5 مقدار چگالی سوخت و دو طول موج محرک افروزنده ی سریع 0. 53 و µ m 0. 35 مورد بررسی قرار گرفت که نتیجه های آن حاکی از کاهش مؤثر پراکندگی و شاخه شاخه شدن مسیر حرکت الکترون ها با کاهش انرژی الکترون ها و طول موج محرک افروزنده ی سریع به ازای جرم سوخت کم تر از 2 میلی گرم است. هم چنین الکترون های با انرژی اولیه ی MeV 3. 5 ~ و طیف دو دمایی انرژی بیش ترین و الکترون های با طیف تک انرژی کم ترین انرژی را به سوخت اصلی و لکه ی داغ مرکزی انتقال می دهند.

پیش از آغاز افروزش، سوخت ممکن است از مسیرهای مختلفی از جمله مواد سازنده لایه قطع­کننده هدف، دیواره­ی هولرام، اندرکنش دیواره جانبی هدایتگر مخروطی با سوخت در مرحله انفجار درونی و ماده نوک مخروط، منجر به رهاسازی و مخلوط شدن عناصر سازنده­ی آن­ها به محیط پلاسمای تاج و حتی سوخت چِگال خالص DT شود. نخست، در چارچوب افروزش جرقه­ای مرکزی، ناحیه مجاز افروزش لکه داغ DT در صفحه Hs-Ts رسم گردید و نشان داده شد که به ازای درصد ورودی معینی از ناخالصی طلا، با افزایش نسبی سرعت انفجار درونی، محدوده مرز ناحیه­ی مجاز افروزشی به تدریج بزرگ­تر می­شود و در سرعت­های انفجار درونی کوچک­تر ازcm/s 107×7/1 دو جزیره افروزشی وجود دارد. همچنین، برای آلاینده­های فلزی رایج، افزایش کسر ناخالصی در ناحیه لکه­ی داغ موجب محدودیت در پارامترهای مجاز افروزشی می­شود که با افزایش تدریجی آن، منجر به خاموش شدن لکه­ی داغ خواهد شد. در ادامه، در چارچوب ایده افروزش سریع، چگالی سطحی لکه­ی داغ در پلاسمای افروزشی غیرتعادلی دوتریوم-تریتیوم آلاییده به کسر ناچیزی از یون­های ناخالصی کربن و طلا استخراج گردید. بر این اساس، منحنی­های هم­تراز پارامتر چگالی سطحی مجاز در الگوی دو-دمایی در صفحه دمایی Te-Ti ترسیم شدند. نشان داده شد که با افزایش کسر ناخالصی، شاهد افزایش شدید شار تابش خروجی از مرز لکه داغ خواهیم بود که در نتیجه آن، محدوده مجاز افروزشی با سرعت کاهش یافته و شرایط افروزش سوخت بسیار دشوارتر از حالت سوخت خالص می­گردد. حساسیت این تغییرات، مستقیم وابسته به ضریب افزایش توان تابش تُرمزی است که تابعی از پارامترهای درصد غلظت ناخالصی αimp و عدد اتمی یون ناخالص (درجه یونش آن)، Zimp، می­باشد. افزون بر این، در منحنی­های هم­تراز، کمینه دمای یونی مجاز برای آغاز افروزش در سوخت دوتریوم-تریتیوم آلاییده فلزی نیز قابل مشاهده است.

در این پژوهش اثرات میدان مغناطیسی خارجیT(0-1000) = Bextبر میزان نهشت انرژی الکترون های نسبیتی به درون پلاسمای چگال با گستره چگالی برای مدل ترکیبی افروزش سریع-شوکی و با استفاده از ابزار شبیه سازی Geant4 مورد بررسی و مطالعه قرار گرفته است. در مدل شبیه سازی، دو نوع توزیع انرژی نمایی و شبه-دودمایی برای الکترون های نسبیتی با محدوده ی انرژیجنبشیاولیه ی لحاظ شده است. نتایج شبیه سازی در حضور میدان مغناطیسی خارجی نشان می دهند که دینامیک الکترون های نسبیتی تحت تأثیر میدان مغناطیسی خارجی قرار گرفته و در نتیجه باعث انتقال بهینه انرژی آنها به درون سوخت می شود. مقایسه نتایج حاصل از شبیه سازی نشان می دهد بهینه نهشت انرژیبه ازای چگالی در حضور میدان مغناطیسی با طول موج لیزر افروزنده m35/0= ifλ و شدت لیزر2-W. cm 1021=Iحاصل می شود، به طوری که می توان گفت با افزایش میدان مغناطیسی خارجی میزان نهشت انرژی با آهنگ کند و آرامی رشد می کند. در این پژوهش اثرات میدان مغناطیسی خارجیT(0-1000) = Bextبر میزان نهشت انرژی الکترون های نسبیتی به درون پلاسمای چگال با گستره چگالی برای مدل ترکیبی افروزش سریع-شوکی و با استفاده از ابزار شبیه سازی Geant4 مورد بررسی و مطالعه قرار گرفته است. در مدل شبیه سازی، دو نوع توزیع انرژی نمایی و شبه-دودمایی برای الکترون های نسبیتی با محدوده ی انرژیجنبشیاولیه ی لحاظ شده است. نتایج شبیه سازی در حضور میدان مغناطیسی خارجی نشان می دهند که دینامیک الکترون های نسبیتی تحت تأثیر میدان مغناطیسی خارجی قرار گرفته و در نتیجه باعث انتقال بهینه انرژی آنها به درون سوخت می شود. مقایسه نتایج حاصل از شبیه سازی نشان می دهد بهینه نهشت انرژیبه ازای چگالی در حضور میدان مغناطیسی با طول موج لیزر افروزنده m35/0= ifλ و شدت لیزر2-W. cm 1021=Iحاصل می شود، به طوری که می توان گفت با افزایش میدان مغناطیسی خارجی میزان نهشت انرژی با آهنگ کند و آرامی رشد می کند.

در این پژوهش، تاثیر رفتار زمانی تپ محرک افروزنده سوخت بر کارآیی هم جوشی هسته ای با استفاده از محصورسازی لختی به روش افروزش ضربه ای بررسی و نشان داده شد که اعمال دو تپ افروزنده همسان با تاخیر زمانی مناسب، منجر به کاهش انرژی افروزنده و در نتیجه کاهش انرژی کل مورد نیاز برای تولید انرژی می شود. دو تپ ذوزنقه ای همسان با زمان صعود 50 پیکوثانیه و با قله توان و پهنای تپ متفاوت و با تاخیر زمانی 50 پیکوثانیه و لحظه آغاز متفاوت بر روی هدف سیستم هم جوشی هسته ای لیزری تسهیلات پژوهشی انرژی لیزر توان- بالا (HiPER) اعمال شد. شبیه سازی های یک بعدی با استفاده از کد مالتی نشان داد که نمایه مزیت استفاده از محرک افروزنده دوگانه در بازه  1.7>FM>1.1قرار دارد. نمایه مزیت بزرگ تر از 1 نشان می دهد که برای یک انرژی محرک متراکم کننده سوخت ثابت، استفاده از دو تپ افروزنده برابر و کم- انرژی در مقایسه با روش افروزش ضربه ای دارای برتری است.

در این پژوهش، شرایط گذار از افروزش تعادلی به اشتعال غیرتعادلی به ازای ساچمه های سوخت کروی ساده به ابعاد چند mm، متشکل از لایه سوخت داخلی DT و لایه خارجی طلا، راه اندازی شده با باریکه یون سنگین Bi209 با استفاده از کد شبیه سازی DEIRA4 مورد مطالعه قرار گرفت. ساچمه های سوخت مفروض به دلیل افزایش کدری پلاسما، قادر به گیراندازی ذرات باردار، تابش و حتی کسری از انرژی نوترون های سریع هستند. بدین ترتیب، سوخت می تواند در چارچوب رهیافت افروزش حجمی و دمای خود-افروزشی پایین-تری در حدود keV 2-1 افروخته شود. به منظور کاهش زمان محصورسازی و انرژی راه انداز، افروزش تعادلی باید به اشتعال غیرتعادلی گسترش یابد. در این راستا، تحولات سازوکارهای گرمایشی، اتلافی پلاسما و رقابت میان آنها برای رسیدن به شرایط گذار به اشتعال غیرتعادلی در چنین هدف هایی مورد بررسی قرار گرفت. در این محاسبات، تأثیر سهم انفرادی و تجمعی تمامی عوامل فیزیکی گرمایشی چون سهم ذرات آلفای حاصل از گداخت DT، گرمایش نوترونی به ازای تقریب اولین پراکندگی و واکنش های گداخت ثانویه در مقیاس بازه زمانی افروزش و اشتعال سوخت DT در نظر گرفته شده است. بر این اساس، نشان داده شد که نقش واکنش های ثانویه ای چون DD، He3D و همچنین سهم نهشت انرژی نوترون های MeV 06/14 و MeV 45/2 به ازای تقریب اولین پراکندگی، بر کاهش دمای گذار به اشتعال غیرتعادلی اثر می گذارد. دمای گذار به اشتعال غیرتعادلی در ساچمه سوخت ساده با در نظر گرفتن سهم نهشت انرژی نوترون ها نسبت به اشتعال غیرتعادلی آرمانی keV 6/3 به مقدار کمتری برابر با keV 24/3 کاهش می یابد و به نوبه خود کوچک تر از دمای افروزش آرمانی keV 3/4 طرح افروزش لکه داغ است. به جهت بررسی تأثیر پارامترهای راه انداز در شرایط گذار، محاسبات به ازای پیکربندی های مختلف ساچمه سوخت کروی ساده انجام شد و مشخص شد که کاهش چند برابری در مدت زمان تابش دهی باریکه و افزایش چند برابری در توان ورودی، منجر به کاهش دمای گذار در این نوع از ساچمه ها می شود.