با توجه به این که برای رسیدن پلاسما به حالت اشتعال به منظور انجام واکنش های همجوشی، گرم کردن اهمی کافی نیست، برای رسیدن به این حالت از روش های اضافی مانند تزریق امواج استفاده می شود. در توکامک های بزرگ میدان مغناطیسی قطبی در مقابل میدان چنبره ای قابل صرف نظر کردن است و چون میدان چنبره ای از مرتبه بسیار بزرگی است، می توان برای گرم کردن پلاسما از امواج سیکلوترونی استفاده کرد. اما در توکامک های کوچک میدان چنبره ای ضعیف است و دیگر این روش انرژی دادن بازدهی چندانی ندارد. لذا از روش ایجاد جریان پلاسما به منظور تنگش پلاسما استفاده می کنند. یکی از موثرترین روش ها برای ایجاد جریان در پلاسما روش تزریق امواج هیبریدی پایین است. تولید جریان پایا در راکتورهای تولید توان همجوشی از اهمیت زیادی برخوردار است. تلاش-های بسیاری برای ایجاد روش های تولید جریان حالت پایا و پیوسته در توکامک ها و در عین حال کاهش هزینه های تولید شده است. یکی از این روش ها ابداع توکامک های کروی است. این توکامک ها نسبت منظر (نسبت شعاع اصلی به شعاع فرعی)کوچکی نسبت به توکامک های چنبره ای دارند و می توانند سطح توان بالاتری به ازای میدان مغناطیسی داده شده تولید کنند. با توجه به اینکه در توکامک-های کوچک اندازه میدان قطبی و چنبره ای از یک مرتبه است ما می توانیم در جهت بهتر محصور شدن پلاسما از این میدان استفاده کنیم. یکی از توکامک های کوچک کروی توکامکnstx است که در این پایان نامه مورد بررسی قرار می گیرد. این توکامک می تواند جریان خودالقایی پلاسمای بزرگی ایجاد کند و هزینه های تولید جریان القایی را در خود کاهش دهد. در این پایان نامه، نتایج حاصل از کد شبیه سازی امواج هیبریدی پایین در توکامک کوچکی مثل nstx و توکامک بزرگی مانند tftr مورد بررسی و مقایسه قرار می-گیرد که کارایی بالاتر ماشین nstx را نشان می دهد و این نکته را بیان می کند که با کاهش هزینه و صرفه جویی در زمان می توان به سطح بالاتری از توان خروجی دست یافت. کلمات کلیدی: توکامکnstx، امواج هیبریدی پایین، جریان رانشی، ضریب پخش نیمه خطی، توان نیمه خطی

وقتی ذرات با بار منفی و جرم سنگین تر از جرم الکترون و... وارد محیط مادی شوند، به تدریج کند شده و جانشین الکترون های اتمی می شوند و به این ترتیب اتم های جدیدی به نام اتم های اگزوتیک تشکیل می شود. این اتم ها در مراحل اولیه تشکیل خود، به شدت برانگیخته هستند و برای رسیدن به حالت های مقید تر، فرایند هایی را طی می کنند که مجموعه ی آنها را فرایند های آبشاری می نامند. علی رغم مطالعات نظری و تجربی فراوان انجام شده، سینماتیک فرایندها به طور کامل درک نشده است و این در حالی است که نسل جدیدی از آزمایش ها به حل مسائلی مربوط می شود که نیاز به دانش بیشتری در مورد فرایند های آبشاری دارند. اتم کائونیک هلیوم با متوقف کردن کائون در محیط هلیوم تشکیل می شود. محاسبات انجام شده در مورد فرایند های آبشاری این اتم به علت پیچیدگی های فراوان غالبا با استفاده از تقریبهای نیمه کلاسیک و فرض های ساده کننده زیادی انجام شده است. در این پایان نامه آهنگ تعدادی از فرایند های آبشاری برای این اتم ها با استفاده از روش های صرفا کوانتومی و تا حد ممکن دقیق، محاسبه شده است. نتایج این محاسبات در کار همزمان دیگری برای محاسبه ی کمیت هایی نظیر بهره اشعه ی x ، درصد جذب کائون در ترازهای مختلف و... مورد استفاده قرار گرفته است. همچنین در کار حاضر وجوه مختلف گذارهای آبشاری در اتم های کائونیک هلیوم نسبت به اتم های kp و kd مورد بررسی قرار گرفته است.

در بحث راکتور های گداخت مبحث اصلی فراهم کردن شرایط همجوشی است. این شرایط تنها از طریق افزایش چگالی و دما که نهایتا منجر به افزایش آهنگ برخورد دوتریم – تریتیم می شود ، حاصل می گردد. درراکتورهای بزرگ نظیر جت و ایتر مسئله انرژی دهی به پلاسما از طریق تزریق سوخت، چگالش پلاسما از طریق میدان مغناطیسی فوق العاده بالا (در حدود 30 تسلا) والقای جریان خارجی صورت می پذیرد. درسال 1999 در آزمایشگاه فیزیک پلاسمای پرینستون (pppl) از پروژه ای پرده برداری شد که به عقیده ی بسیاری از طراحان راکتور یک شاهکار مهندسی به حساب می آمد. nstx راکتوری کروی بود که قابلیت های منحصر بفردی را نشان می داد. برخلاف راکتورهای بزرگ این راکتور تنها با میدان مغناطیسی در حدود "5/0" تسلا کار می کند. این موضوع یک گام بزرگ درحل مسئله محصور سازی پلاسما به حساب می آمد. باتوجه به شعاع کم، این نوع راکتور شرایطی بسیار پایدارتر و چگال تر را نسبت به همتایان بزرگ خود نشان می داد. به طوری که پلاسمای درونی آن را با پلاسمای فوق چگال تقریب می زنند. با توجه به عدم دسترسی مستقیم به پلاسمای همجوشی به دلیل دمای فوق العاده بالای آن ، تنها راه، استفاده از امواج چه در بحث گرمادهی و چه در بحث تعیین پارامترهای پلاسماست. اما با توجه به محدودیت ذاتی که از سوی پلاسما به عنوان یک فوق رسانا بر امواج اعمال می شود و فورا میدان را حفاظ می کند. این مسئله باعث شده تا تئوری امواج در برهمکنش با پلاسما به شکل گسترده ای توسعه یابد. بر طبق این نظریه تنها در صورتی امواج می توانند به درون پلاسما راه یابند که تحت فرآیند تبدیل مد در لایه ای از پلاسما موسوم به لایه uhr در لبه بیرونی پلاسما قرار گیرند. در این لایه امواج مشخصی که در پلاسما جریان می یابند بر انگیخته شده و نهایتا باعث انرژی دهی به سیستم ذرات می شوند. در پروژه ی حاضر ، هدف، بررسی این لایه است. با توجه به اینکه مشکل عمده و اصلی در راکتورهای کروی تعیین دقیق پیکربندی میدان مغناطیسی است بررسی این لایه با توجه به وابستگی قوی آن به میدان مغناطیسی بیش از پیش ضروری به نظر می رسد.

به منظور بالابردن آهنگ برهمکنش های همجوشی از روش های مختلفی استفاده می شودکه در این میان تزریق امواج به داخل پلاسمای همجوشی بیش از سایر روش ها، مورد توجه است. یکی از روش های مهم برای گرم کردن پلاسمای همجوشی استفاده از امواج رادیویی(rf) است، که در سالهای اخیر برای تولید جریان های حالت پایا در پلاسما به وجود آمده است. در عمل پیش بینی می شد که این جریان ها بتوانند به طور موثری به وسیله ی امواجی که سرعت های فاز چند برابر سرعت گرمایی الکترون دارند تولید شوند. این پیش بینی به وسیله آزمایش های متعددی که سوق جریان در آن ها توسط امواج دوگانه ی پایین (lh) ایجاد می شد، تایید شدند. نتایج حاصل از این آزمایش ها این امکان را فراهم آورد تا به یک راکتور همجوشی که جریان توروئیدی حالت پایای آن به وسیله امواج دوگانه ی پایین ایجاد می شود، اندیشیده شود. از نقطه نظر تئوری، مولفه اصلی در چنین آزمایش هایی میدان الکتریکی مستقیم(dc) است که با جریان پلاسما مخالفت می کند و در جایی که امواجrf برای افزایش جریان پلاسما به کار می روند نیز حضور دارد. این تئوری همچنین پیش بینی می کند که اگر سرعت فاز موج به طور تقریبی برابر با سرعت فرار الکترون باشد، انرژی توان rf به طور موثر به انرژی میدان پولوئیدی تبدیل می شود و این میدان پولوئیدی پلاسما را متراکم کرده و از اتلاف گرمای پلاسما در لبه های آن جلوگیری می کند و امکان برخورد بیشتر منجر به همجوشی را برای ما فراهم می آورد. برهمکنش امواجrf با پلاسما توسط معادله ی فاکر- پلانک و به وسیله یک جمله دیفیوژن شبه خطی توصیف می-شود، که دلیل حضور چنین جمله ای را می توان در برخوردهای ذرات جستجو کرد. از آنجایی که این برخوردها اساسا جفتی و دوتایی هستند، چنین جمله برخوردی وارد معادله ی فاکر- پلانک می شود که تاثیر توان rf را به طور کامل در بر می گیرد. برای حل چنین معادله ای، پلاسما را همگن و دارای تقارن محوری حول میدان مغناطیسی توروئیدی فرض کرده و بنابراین معادلات فاکر- پلانک به معادله با یک بعد زمان و دو بعد سرعت کاهش می یابد، و حل محاسباتی این معادله در فضای فاز امکان پذیر می شود. برای حل محاسباتی معادله ی فاکر- پلانک و شبیه سازی تزریق امواج دوگانه ی پایین از برنامه lsc استفاده کردیم. برنامه lsc، یک برنامه ی محاسباتی و شبیه سازی امواج lh در حضور میدان الکتریکی است که جزئیات هندسی، پروفایل داده ها و معادلات مورد نیاز را به طور کامل در خود دارد. در این پروژه حل محاسباتی معادله ی فاکر- پلانک و شبیه سازی تزریق امواج دوگانه ی پایین برای توکامک های nstx، mast، jet و diii–d انجام گرفت. نتایج حاصل از این پروژه کارایی بالاتر توکامک های کروی(st) در مقایسه با توکامک های چنبره ای بزرگ، را نشان می دهد که باعث می شود شرط تحقق واکنش همجوشی خود نگهدار، بهتر صورت بگیرد و امکان همجوشی هسته ای با توان و کارایی بالاتری فراهم آید.

در این پایان نامه به شبیه سازی ژنراتور نوترونی خواهیم پرداخت که بر اساس روش همجوشی کاتالیزور میونی و با شار بالای نوترون پر انرژی 14.1mev تحت عنوانµcf-insپیشنهاد شده است. بررسی خود را در این شبیه سازی به دو قسمت عمده برای فراهم کردن شرایط مناسب در تولید نوترون با شار بالا تقسیم می کنیم: یکی کندسازی میون منفی قبل از ورود به چرخه همجوشی در مخلوط d/t و دیگری محاسبه شار نوترون در هدف مخلوط d/t . چرخه همجوشی کاتالیزور میونی را با توجه به معادلات سینماتیک تحلیل و برای حل آن از روش «رانگ-کوتا» مرتبه چهارم استفاده می کنیم. در این پایان نامه به تحلیل شار نوترونی حاصل از این چرخه همجوشی در شرایط بهینه خواهیم پرداخت و در نهایت با استفاده از کد mcnp4c شدت نوترون خروجی را از محفظه سوخت محاسبه می کنیم. محاسبات ما نشان می دهد که در شرایط بهینه ای که ما معرفی کردیم، شدت نوترون های حاصل از ژنراتور µcf-ins از مرتبه 17^10 نوترون بر ثانیه است و از دیگر ژنراتورهای شناخته شده بسیار بیشتر است. علاوه بر آن بهره تولید نوترون بسیار بیشتری نیز به ازای واحد ذره فرودی و به ازای واحد انرژی مصرفی در شتاب-دهنده دارد.

یکی از مهم ترین روش ها در گرمادهی به پلاسما تزریق امواج الکترومغناطیسی به داخل آن است. ناپایداری های پارامتریک به دنبال تزریق موج در پلاسما با توجه به برقراری شرایط تطبیقی برای فرکانس و عدد موج می توانند رخ دهند. یکی از این ناپایداری ها که بیش از بقیه مورد توجه قرار گرفته است ناپایداری پراکندگی رامان القایی است که در طی آن یک موج پمپ الکترومغناطیسی به یک موج الکترومغناطیسی دیگر و یک موج لانگمیر تبدیل خواهد شد. مکانیسم این فرآیند ازطریق نیروی پوندرموتیو قابل توجیه است. این نیرو از طریق مدوله کردن امواج فرکانس بالا امکان جفت شدگی آن ها را با امواج فرکانس پایین فراهم می آورد. برای پلاسمای فوق چگال که در محصورسازی به روش لختی به کار می رود، به منظور گرمادهی به پلاسما از پرتوهای لیزری استفاده می شود که به دنبال آن ناپایداری پراکندگی رامان القایی رخ می دهد. پارامتر مهم در بررسی این ناپایداری، آهنگ ناپایداری است که برای پرتو نور لیزری به شدت پرتو و چگالی پلاسما وابسته است. گیر اندازی الکترونی توسط پتانسیل موج نیز آهنگ ناپایداری را تغییر خواهد داد به گونه ای که باعث یک جابه جایی فرکانسی و ایجاد نوسان در آهنگ ناپایداری می شود. در نواحی دور از شرایط تشدیدی امواج دختر حاصل می توانند میرایی لانداو را تجربه کنند که منجر به انتقال انرژی به الکترون های پلاسما و در نهایت گرم شدن پلاسما می شود. برای گرم کردن پلاسمای چگال در محصورسازی به روش مغناطیسی نیز از تزریق امواج رادیویی استفاده می شود. در این حالت نیز ناپایداری پراکندگی رامان القایی رخ می دهد. آهنگ ناپایداری در این روش به فرکانس موج تزریقی و چگالی پلاسما به شدت وابسته است به طوری که برای موج پمپ فرودی با فرکانس های 28، 58، 128و 138گیگاهرتز برای توکامک nstx، آهنگ ناپایداری برای فرکانس 28گیگاهرتز دو مرتبه بزرگتر از فرکانس 128گیگاهرتز است. مقدار بالای آهنگ ناپایداری به دست آمده برای فرکانس 28گیگاهرتز که میرایی شدیدی را نسبت به سه فرکانس دیگر به دنبال دارد، نشان می دهد که این فرکانس کارآمد تر از سه فرکانس دیگر در بحث گرمادهی برای توکامک nstx است. با افزایش فرکانس موج تزریقی و تقویت میدان الکتریکی، نیروی پوندرموتیو کاهش می یابد و به دنبال آن آهنگ ناپایداری نیز به شدت کاهش خواهد یافت. پارامترهای دیگری همچون دمای پلاسما و k^2 ?_d^2 (که معیاری از میزان میرایی امواج در پلاسما است) نیز در آهنگ ناپایداری موثرند به طوری-که افزایش این دو پارامتر باعث افزایش آهنگ ناپایداری می شود. افزایش این دو پارامتر در ارتباط مستقیم با رشد موج لانگمیر می باشد چرا که تحول موج لانگمیر تغییرات آهنگ ناپایداری را به طور کامل نشان می دهد. با توجه به افزایش میرایی لانداو با افزایش k^2 ?_d^2 و نیاز به رشد اولیه ناپایداری، دست یابی به یک مقدار بهینه برای این پارامتر ضروری است.

در این پایان نامه طیف اشعه گاماهای اندازه گیری شده با آشکارساز nai(tl) 3 in×5 in×16 in مورد تحلیل قرار گرفت. برای این کار طیف یک سری چشمه پرتوزای گسیلنده گاما با انرژی مشخص همراه با چشمه 137 cs با آشکارساز ذکر شده اندازه گیری شد. رأس قله ها در طیف های اندازه گیری شده با استفاده از نرم افزار aptec تعیین شدند. تعیین کانال قله چشمه ی 137cs در طیف ها نشان داد که قله ها با گذشت زمان به طرف کانالهای پایین انتفال پیدا می کنند. برای مدرج کردن آشکارساز قله چشمه های دیگر با استفاده از قله چشمه 137cs موجود در هر طیف و طیف چشمه137cs که به تنهایی اندازه گیری شده بود (اولین طیف اندازه گیری شده )، با یک رابطه خطی انتقال داده شدند و آشکارساز با استفاده از قله های انتقال داده شده مدرج شد. برای حذف زمینه ی زیر قله ها و تعیین fwhm آشکارساز، طیف هر کدام از چشمه های مورد مطالعه بدون توزیع گوسی قله ها با کد mcnp شبیه سازی شد و سپس از طیف تجربی کم شد. با برازش یک تابع گوسی بر قله های خالص، fwhm در این انرژی ها محاسبه شد. تابع تعریف شده fwhm در کد mcnp، بر fwhm به دست آمده برای چند انرژی برازش داده شد و fwhm برای گستره انرژی mev 06/0 تا mev 6/2 به دست آمد. در مرحله بعد برای تعیین شمارشهای مربوط به هر انرژی در طیف چشمه هائی که بیش از یک گاما گسیل می دارند و در طیف تجربی همپوشانی می کنند، طیف اندازه گیری شده این چشمه ها ساخته شد. این کار به این ترتیب انجام شد، که ابتدا طیف مربوط به هر انرژی در چشمه ها با در نظر گرفتن توزیع گوسی با کد mcnp شبیه سازی شد. سپس طیفهای شبیه سازی شده طوری با هم جمع و بهنجار شدند که طیف اندازه گیری شده ساخته شود. ساختن طیف تجربی با استفاده از طیفهای شبیه سازی شده این امکان را می دهد که تعداد شمارشهای مربوط به هر انرژی محاسبه شود. همچنین شمارشهای مربوط به هر قله در طیف مرکب با این روش تعیین شد. این کار برای دو چشمه ی 60co و 133ba انجام گرفت. در چشمه 60co به دلیل بالا بودن بازده آشکارساز، علاوه بر تعیین تعداد شمارشهای مربوط به انرژیهای mev 332/1 و mev 173/1، شمارشهای مربوط به قله مجموع نیز محاسبه شد. محاسبه شمارشهای مربوط به این سه قله امکان تخمین فعالیت چشمه 60co را بدون داشتن بازده آشکارساز می دهد که این مهم انجام شد. در چشمه 133ba، قله ها که به دلیل قدرت تفکیک ضعیف آشکارساز (nai(tl همپوشانی می کنند از هم تفکیک و تعداد شمارش های مربوط به هر قله تعیین شد. همچنین شمارشهای مربوط به انرژی mev 160/0 که روی قله پس پراکندگی قرار می گیرد و شدت آن در چشمه کم است نیز محاسبه شد

در این پایان نامه به شبیه سازی عبور پالس لیزر از یک محیط پلاسمای همجوشی با استفاده از روش ذره در جعبه پرداخته و پراکندگی رامان تحریکی و گرمایش الکترون های محیط توسط این پراکندگی مورد بررسی قرار گرفت. در ادامه با اعمال یک میدان مغناطیسی خارجی بر محیط پلاسما، تولید امواج سوت کش الکترومغناطیسی و نقش آنها در گرمایش الکترون های محیط در جهت عمود بر میدان مغناطیسی خارجی را مشاهده نمودیم. قبل از این که به طور عمیق وارد بحث برهم کنش لیزر پلاسما شویم، نیازمندیم که بندانیم میرایی لانداو چیست. میرایی لانداو که به آن میرایی بدون برخورد نیز گفته می شود از تبادل انرژی میان امواج و ذرات پلاسما نتیجه می گردد. در این پایان نامه در مشاهده میرایی لانداو، اختلالی کوچک به منظور مشاهده نمودن میرایی انرژی الکترواستاتیکی اعمال کردیم. در بحث لیزر همجوشی، کنترل رشد ناپایداری ها ویژگی لازم در رسیدن به صورت مستقیم یا غیر مستقیم به طرح همجوشی می باشد. پراکندگی رامان تحریکی تنها یکی از این ناپایداری هاست که می تواند با تولید الکترون های پرانرژی، نقشی اساسی در پیش گرمایش قلب راکتور همجوشی داشته باشد. در پراکندگی رامان تحریکی پس رو، که در زمان ها و مکان های اولیه ورود پالس لیزر به محیط پلاسما انجام می-گیرد، اموج پلاسمای الکترونی تولید شده با سرعت فاز پایین، با گیراندازی الکترون های محیط سبب انتقال انرژی به این ذرات می گردند. این الکترون ها با گیرافتادن در دامنه امواج پلاسمای الکترونی تولید شده در پراکندگی رامان پیش رو، به دلیل سرعت فاز بالای این امواج، تا انرژی های بالاتر گرمادهی می شوند. این گرمایش دو مرحله ای در نواحی از محیط پلاسمای همجوشی که هر دو نوع پرکندگی در حال وقوعند از اهمیت بیشتری برخوردار می باشد. این شبیه سازی عددی نشان می دهد که در برهم کنش پالس لیزر در حال انتشار در جهت میدان مغناطیسی خارجی، در کنار امواج هیبریدی بالا، پالس لیزر می تواند طیف گسترده ای از امواج سوت کش با فرکانس زیر فرکانس سیکلوترونی الکترونی را تهییج نماید. مکانیزم گرمایش الکترون ها توسط طیفی گسترده از امواج به شدت تحت تاثیر رابطه پاشاندگی نوسانات پلاسمای نسبیتی می باشد. در این حالت هنگامی که طیف سرعت فاز امواج سوت کش به اندازه کافی گسترده باشد، می توان در توصیف گرمایش الکترون ها از چارچوب تئوری شبه خطی استفاده نمود. در این شبیه سازی گرمایش الکترون ها در جهت عمود بر انتشار پالس لیزر قابل مشاهده می باشد. کد الکترومغناطیسی نسبیتی دو بعدی xoopic در برهم کنش پلاسما مورد استفاده قرار گرفت. قسمت شی گرا کد، به منظور ساده سازی در گسترش و ایجاد فیزیک جدید در کد اصلی پیاده سازی شده است. این کد شامل هندسه های دکارتی و استوانه ای می باشد. این کد همچنین می تواند شبیه سازی های الکترواستاتیکی و الکترومغناطیسی را شامل گردد.

در سال‏های اخیر توجه قابل ملاحظه‏ای به تولید جریان‏های حالت پایا در یک پلاسما با امواج فرکانس رادیویی( rf) شده است. مخصوصاً پیش بینی شد که این جریان‏ها به طور موثری با امواجی که سرعت‏های فاز چند برابر سرعت گرمایی الکترون دارند، تولید شوند. این محاسبات با آزمایش‏های بسیاری که در آن جریان با امواج هیبریدی پایین رانش پیدا کرده‏اند، تأیید شدند. این نتایج به ما اجازه استفاده از یک رآکتور توکامک حالت پایا که در آن جریان توروئیدی با امواج هیبریدی پایین رانده می‏شوند را می‏دهند. این روش تحت عنوان رانش جریان امواج هیبریدی پایین (lhcd) شناخته می‏شود که امواجی با فرکانس هیبریدی هستند. امواج هیبریدی پایین ترکیب فرکانس سیکلوترونی الکترون با یون اند که در محدوده 1 تا 8 گیگا هرتز قرار دارند. توان ایجاد شده در این روشmw 10 است. با وجود این‏که این روش تأثیر چندانی در گرم کردن پلاسما ندارد، می‏تواند باعث رانش جریان الکترون‏ها در راستای موازی با خطوط میدان مغناطیسی شود. رانش جریان به تولید جریان الکتریکی توروئیدی در ماشین پلاسما برمی‏گردد که جریانی است که حفره ماشین را دور می‏زند. هدف استفاده از این جریان این است که یک رآکتور همجوشی توکامک به طور پیوسته عمل کند. موج هیبریدی پایین ممکن است انرژی خود را با میرائی لانداو به الکترونها منتقل کند و باعث شود الکترون‏ها حرکت شتابدار در جهت بردار موج داشته باشند، بنابراین جریان الکتریکی رانش پیدا می‏کند. میرایی امواج همیشه با انتخاب محدوده سرعت‏های فاز موازی کنترل می‏شود. برای امواج lh تکانه از موج به الکترون‏های سریع در پلاسما در شرط تشدید منتقل می‏شود. این روش با حل عددی معادله فاکر- پلانک با یک جمله نیمه‏خطی اضافه شده مطالعه می‏شود. برای حل چنین معادله‏ای، پلاسما را همگن و دارای تقارن محوری حول میدان مغناطیسی توروئیدی فرض کرده و بنابراین معادلات فاکر- پلانک به معادله با یک بعد زمان و دو بعد سرعت کاهش می‏یابد. برای حل محاسباتی معادله فاکر – پلانک و شبیه سازی تزریق امواج هیبریدی پایین از برنامه lsc استفاده کردیم. برنامه lsc، یک برنامه محاسباتی و شبیه سازی امواج lh در حضور میدان الکتریکی است که جزئیات هندسی، پروفایل داده‏ها و معادلات مورد نیاز را به‏طور کامل در خود دارد. این برنامه توانایی‏های زیادی دارد. از مهم‏ترین توانایی‏های این کد می‏توان به محاسبه تابع توزیع ذرات در حضور اثرهای اختلالی، جریان و توان الکتریکی حاصل از نفوذ امواج در ذرات اشاره کرد. در این پروژه حل محاسباتی معادله فاکر-پلانک و شبیه سازی امواج هیبریدی پایین برای توکامک‏های nstx، mast، tftr و plt انجام گرفت. نتایج حاصل از این پروژه کارایی بالاتر توکامک‏های کروی در مقایسه با توکامک‏های چنبره‏ای بزرگ را نشان می‏دهد که باعث می‏شود شرط تحقق واکنش همجوشی خود نگهدار، بهتر صورت بگیرد و امکان همجوشی هسته‏ای با توان و کارایی بالاتری فراهم آید.

طرح های متفاوتی برای استفاده از انرژی هسته ای حاصل از همجوشی به روشی لختی (icf) در سال های اخیر مورد توجه قرار گرفته است. هدف اصلی این طرح ها دسترسی به بهره ی انرژی بالاست. در روش های متداول همجوشی به روش لختی ناپایداری هیدرودینامیکی در فرایند متراکم سازی سوخت باعث پایین آمدن بهره ی انرژی می گردد. طرح های جدید برای کاهش ناپایداری ها بیانگر انجام متراکم سازی سوخت به وسیله ی باریکه های یونی یا لیزری در دو فاز است. ابتدا پیش گرم نمودن سوخت با لیزر یا یون و سپس تولید الکترون های نسبیتی به وسیله ی پالس های لیزر با توان ?10?^15 وات در داخل سوخت که در فاز دوم صورت می گیرد. این روش گرم کردن سوخت به عنوان روش اشتعال سریع مطرح گردیده است.در این کار روش اشتعال سریع در محفظه های سوخت استوانه ای بررسی می گردد.روش اشتعال سریع و محفظه ای استوانه ای نسبت به اشتعال یک مرحله ای بهره ی انرژی بالاتری را تضمین می کند و می تواند جایگزینی برای روش متداول باشد. برای تعیین بهره ی انرژی حاصل از همجوشی به روش لختی در ساچمه های چند لایه لازم است معادلات مگنتوهیدرودینامیکی حاکم بر رفتار پلاسما در مدت زمان محصورسازی حل گردد. ساچمه های چند لایه کروی که در ناحیه ی مرکزی سوخت قرار دارد به وسیله ی پرتو های محرک پر انرژی لیزر یا یون سنگین متراکم می شود. انتخاب مناسب نسبت جرمی لایه ی سوخت به لایه ی هل دهنده موجب اشتعال ناحیه ی مرکزی می شود. در حالتی که ساچمه به بیشترین تراکم خود می رسد، چگالی سوخت 500 تا 1000 برابر چگالی سوخت حالت جامد می شود. دما در ناحیه ی سوخت سرد به سرعت بالا می رود، پلاسما تشکیل می شود و برهمکنش های همجوشی آغاز می شود. محاسبه ی تغییرات چگالی، دما و فشار داخل پلاسما برای تعیین شار انرژی جنبشی نوترون ها، الکترون ها و تابش هایی که از ساچمه خارج می شود لازم است. با استفاده از حل عددی معادلات پیوستگی، نیرو و انرژی برنامه-یmhdfct برای تعیین انرژی ، سرعت ،دما و فشار) بعد از تراکم ( استفاده شده است.

در همجوشی کاتالیزور میونی پیدا کردن شرایط بهینه برای افزایش تعداد همجوشی از اهمیت بالایی برخوردار است. معمولاً محیط را یا به صورت مخلوط مایع یا گاز بررسی می کنند و یا به صورت لایه های جامد در نظر می گیرند. ما در این پایان نامه ابتدا چشمه تولید اتم های میونی(t?) برای محیط جامد و مایع را بررسی می کنیم و غلظت بهینه تریتیوم برای لایه اول را به دست میآوریم. پیشنهاد شده است که اگر لایه جامد ht با غلظت خیلی کمی از تریتیوم استفاده شود می توان شاری از اتم های tµ تولید کرد. برای بررسی این موضوع اثر رامسائور تانسنت و انتقال میون از اتم های pµ به tµ، اهمیت زیادی دارد. به عبارت دیگر با ورود میون به لایه‏های جامد یا مایع اولیه، از آن به عنوان یک ژنراتور اتم های tµ استفاده می کنیم. کاربرد چنین طراحی برای تولید اتم های tµ یکی در اندازه گیری فرآیند های برخوردی اتم های tµ و اندازه گیری آهنگ تشکیل مولکول µdt است و دیگری در بررسی طراحی مناسبی از قرارگیری لایه های جامد یا مایع برای انجام همجوشی کاتالیزور میونی است. سپس با در نظر گرفتن آرایش های لایه ای متفاوت از جمله آرایش سه لایه ای/dt ht/d2، دو لایه ای ht/dt و تک لایه ای dt برای محیط های جامد و مایع، با حل معادلات سینتیکی حاکم بر لایه ها با روش رانگه کوتای مرتبه 4 به کمک نرم افزار matlab ، بهینه غلظت تریتیوم را در لایه اول و لایه همجوشی برای رسیدن به بیشینه همجوشی کاتالیزور میونی به دست می آوریم. معادلاتی برای چرخه همجوشی در محیط جامد توسط دیگران نوشته شده است که به نظر ما دارای اشکالاتی است و باید اصلاح شوند. پس از اصلاح معادلات نتایج محاسبات را با نتایج قبلی مقایسه می کنیم. نهایتاً آرایش چند لایه ای از محیط ht و d2 کروی برای افزایش بهره همجوشی پیشنهاد کرده ایم و شرایط انجام آن مورد بررسی قرار گرفته است.

پس از پیشرفت های قابل توجه در محصور سازیِ مغناطیسیِ پلاسمایِ همجوشی، فیزیک دانان متوجه شدند برای رساندن پلاسما به دمای مطلوب همجوشی (kev 10) دچار مشکل هستند. به عنوان مثال، گرمایش اهمی(عبور جریان الکتریکی درون پلاسما جهت گرم کردن آن) در دماهای بالاتر از kev1 کارایی خود را از دست می داد و پلاسما به یک رسانای خوب تبدیل می شد و مقاومت اهمی از خود نشان نمی داد. برای حل این مشکلات استفاده از امواج رادیویی پیشنهاد و با موفقیت به کار گرفته شد. مسئله لاندائو بر پایه توصیف جنبشیِ پلاسما، راه را برای فهم برهمکنش های موج-پلاسما هموار کرده و دایره وسیعی از پدیده های گرمایش توسط امواج برای رسیدن به شرایط اشتعالِ(همجوشی) مطلوب را توصیف کرد. با کمک روش لاندائو در حل پاشندگی امواج الکترواستاتیک در پلاسمای غیرمغناطیده سرد، نشان داده می شود که مبادله انرژی توسط موج در کجا مفید و در کجا و چه زمانی آسیب زننده به شرایط پلاسمای مورد نظر خواهد بود. در این پایان نامه تئوری ناهمگنی، شرایط ریاضی و فیزیکی آن را برای یک سیستم پلاسمایی اعمال کردیم که در حل معادلات آن از روش wkb استفاده شد. کد محاسباتی xes1 بر اساس روش شبیه سازی «ذره در جعبه» به کار گرفته شد تا نتایجِ حاصل از شبیه سازی – بدون پیچیدگی های تحلیلیِ ناشی از رفتار غیر خطی و ناهمگنی- در حضور موج ورودی بررسی شود. توجه به رفتار تابع توزیع و فضای فاز ذرات در حین تحولات پلاسما نشان می دهد که انرژی که ذرات پلاسما به طور خالص دریافت می کنند مقداری مثبت خواهد بود. این امر موجب گرمایش و آماده شدن پلاسما برای شرایط گداخت خواهد شد. ذراتِ به دام نیفتاده - در اثر برهمکنش با میدان الکتریکیِ موج اختلالیِ ورودی- به خاطر تمایلی که به سمت سرعت فاز موج ورودی پیدا می کنند، انرژی بالاتری را کسب می کنند و به این ترتیب میرایی موج و گرمادهی به سیستم پلاسمایی بدون برخورد ذرات با یکدیگر اتفاق می افتد. نتایج شبیه سازی نشان می دهد اگر اختلال های بزرگ-تری به سیستم وارد کنیم، پایداری سیستم در زمان های اولیه به شدت تحت الشعاع موج اختلالی قرار گرفته و گردابه ها که حاصل رفتار غیر خطی در پلاسما هستند ظاهر می شوند. در زمان های بزرگ تر تغییرات ملایم تر می شود به گونه ای که از افت و خیزهای شدید خبری نیست و تعداد قله های افت و خیز کاهش می یابد. پس از آن سیستم پایدار شده و تابع توزیع شکل تقریبا ثابتی به خود می گیرد. نتیجه امر این است که دراثر ورود موج به سیستم، انرژی ذرات پلاسما بالا رفته و پس از افت و خیز های نسبتا بزرگ و خارج از حالت تعادل، تابع توزیع شروع به نرم شدن می کند و در نهایت در حالت بالاتری از نظر انرژی باقی می ماند. فیزیک آماری نشان می دهد که در «سیستم های نابهنجار» مانند سیستم های بزرگ که بین ذرات آن ها نیروهای بلند-برد وجود دارد و سیستم های اتلافی(دور از حالت تعادل)، آمارِ واقعی از آمار بولتزمن- گیبس انحراف نشان می دهد. از آن جایی که فُزون وَر بودن در فیزیک آماری یک فرض بدیهی (نه یک مفهوم بنیادی) است، با تعریف آنتروپی های نافُزون وَر، می توان برای چنین سیستم هایی مانند محیط های پلاسمایی که تحت تاثیر ناپایداری ها از حالت اولیه خود خارج می شوند توصیفات بهتری ارائه کرد. در این رساله همچنین از روش لاندائو برای تابع توزیعی که بر اساس آمار نافزون ور نوشته شده استفاده کرده ایم تا ضریب لاندائو را برای سیستم پلاسماییِ نافزون ور با دقت بیشتری به طور تحلیلی به دست آوریم. نتایجِ حاصل از هردو آمار(کلاسیک و نافزون ور) با یکدیگر مقایسه شده و در نهایت معیاری برای غلبه میرایی موج در هر یک به دست آمده است.

چکیده آزمایش های اخیر بر روی توکامک های کروی شرایط را برای ایجاد یک پلاسمای قدرتمند با شکل دهی آسان و تقویت حدود پایداری، محصورسازی انرژی وجریان خودراه انداز بالا کشف کرده است. مسیر توسعه ی انرژی همجوشی چنبره های کروی مکمل آزمایش های پلاسمای احتراقی مانند iter است که به سمت دستگاه های آزمایشی مولفه های به هم پیوسته(ctf) و روش های توروئیدی بالا برای بهبود طراحی توکامک های پیشرفته demo و توکامک های نیروگاهی(power plant)، می رود. برای توسعه ی مسیر، به عنوان یک انتخاب، دستگاه چنبره ی کروی مرحله ی بعدیnsst، آزمایش می-شود. راکتورnsst با جریان پلاسمای 5-10ma، r_0=1/5m ،b_t?2/7t و a=1/5ساخته می شود که احتمال تغییر پارامترهای آن ممکن است. اساس سیستم رانشی و گرمایشی برای راکتورnsst، استفاده از سیستم گرمایش باریکه ی خنثی(nbi) با توان 30mw و سیستم سیکلوترونی یونی (icrf)باتوان 10mw و هم چنین سیستم موج سریع هارمونیک بالا(hhfw) است. در این جا ما برهم کنش امواج هیبریدی پایین(lhw) را در راکتور nsst بررسی کردیم و یک فرکانس و توان بهینه برای موج هیبریدی پایین پیدا کردیم و در نهایت آن را با شرایط بهینه برای موج هیبریدی پایین در توکامک کروی nstx و توکامک چنبره ای tftr مقایسه کردیم. نتایج حاکی از آن است که استفاده از موج هیبریدی پایین در توکامک بهبودیافته ی کروی nsst نسبت به توکامک کروی نسل قبل از خود، nstx از نظر گرمایش، رانش جریان بیش تر و نزدیک تر به مرکز پلاسما، بسیار مطلوب تر و به صرفه تر است. هم چنین مقایسه ی توکامک nsst با توکامک چنبره ای tftr نشان می دهد هردو توانسته اند جریان رانشی بالایی را ایجاد کنند و حتی از نظر توانایی رسیدن موج هیبریدی پایین به مرکز پلاسما ، راکتورnsst بهتر عمل کرده است و این قابلیت استفاده از موج هیبریدی پایین را در راکتور کروی nsst نسبت به توکامک های کروی نسل قبل از خود را نشان می دهد. واژگان کلیدی: امواج هیبریدی پایین، رانش جریان، گرمایش، توکامک کروی

اشتعال سریع یکی از روش های هم جوشی در محصورسازی به روش لختی (icf) است. در این روش مرحله پرتودهی ساچمه در دو مرحله انجام می گیرد. در مرحله اول پرتودهی به منظور پیش گرم کردن ساچمه مورد استفاده قرار می گیرد. در مرحله دوم پرتودهی، در اثر برهم کنش باریکه لیزر پرانرژی با لایه فلزی تعبیه شده در داخل ساچمه سوخت دوتریم-تریتیم، الکترون های نسبیتی با انرژی چندین مگاالکترون ولت(mev) تولید می شوند. سپس الکترون ها به سرعت درون سوخت فوق چگال نفوذ می کنند و با جای گذاری انرژی خود در ناحیه کوچکی از ساچمه باعث گرم شدن آن تا دمای kev 10 می شوند که باعث اشتعال در ساچمه می گردد. اشتعال سریع در آزمایشگاه های لیزر در عمل نیز مورد آزمایش قرار گرفته است به عنوان مثال در hiper، پرتودهی در مرحله اول با انرژی در حدود kj 70 به منظور پیش گرم و متراکم ساختن ساچمه و در مرحله دوم با انرژی در حدود kj 200 به منظور ایجاد جرقه اشتعال و در نهایت انجام هم جوشی مورد استفاده قرار گرفته است. از مزیت های این روش استفاده از لیزرهایی با پرتوهای کم انرژیتر است. به عنوان مثال در لیزرهای مورد استفاده در مرکز تحقیقات هم جوشی آمریکا (nif) که از روش اشتعال مستقیم استفاده می شود به پرتوهایی با انرژی در حدود mj 2 نیاز است. همچنین افزایش بهره هم جوشی از مزیت های دیگر روش اشتعال سریع می باشد. با استفاده از ساچمه های استوانه ای و اعمال یک میدان مغناطیسی خارجی می توان جریان پلاسما را بیش تر در مرکز ساچمه و روی محور استوانه متمرکز کرد تا اتلاف گرمایی ناشی از برخورد ذرات پلاسما با دیواره های ساچمه به کم ترین مقدار خود برسد و در نهایت باعث افزایش بهره انرژی شود. این روش به عنوان هم جوشی در هدف های مغناطیده (mtf) شناخته می شود. ما دو حالت یکی میدان مغناطیسی با شدت 5 تسلا و دیگری بدون اعمال میدان مغناطیسی را در نظر گرفتیم و تفاوت این دو حالت را به وسیله کد fct بررسی کردیم. هدف از بررسی این دوحالت نمایش تأثیر میدان مغناطیسی بر ساچمه های icf و بررسی کمیت های ماکروسکوپی چگالی، دما و فشار پلاسما با استفاده از معادلات مگنتوهیدرودینامیکی(mhd) بوده است. در نهایت با شبیه سازی منطقه داغ، در حالت وجود میدان مغناطیسی به شدت 5 تسلایی که به عنوان نمونه ای عملی درنظر گرفته شد، افزایش نسبی دما و چگالی را به ترتیب بیش از 5 و 19 درصد در مرکز منطقه داغ به دست آوردیم.

همجوشی به روش محصورسازی لختی یکی از ر‏وش های انجام همجوشی هسته ای برای مقاصد تولید انرژی است. به تازگی در گسترش این روش‏، اشتعال سریع برای انتقال انرژی به سوخت همجوشی پیشنهاد شده است. در روش اشتعال سریع‏، انتقال انرژی به ساچمه در دو مرحله انجام می گیرد. در مرحله اول‏، ساچمه در معرض پرتوهای محرک با شدت زیاد قرار می گیرد که باعث فشردگی سوخت تا چگالی های زیاد می شود. اما در این مرحله‏ واکنش های همجوشی اتفاق نمی افتد. در مرحله بعد و پس از بازه زمانی کوتاهی از مرتبه پیکو ثانیه‏، یک پرتو پر انرژی از الکترون ها یا پروتون ها با شدتی از مرتبه w/cm2 1019-1018 از یک طرف به این ساچمه تابیده می شود و دما آنقدر بالا می رود‏ که واکنش های همجوشی آغاز می شوند. در این‎ پایان نامه ساچمه‎‏ های کروی سوخت ‎d-t‎ در روش اشتعال سریع با ?rهای مختلف مورد بررسی قرار گرفت. در اینجا از الکترون های نسبیتی ‎‏و پروتون های پرانرژی‏ ناشی از برخورد لیزر پرشدت به ترتیب با یک صفحه‏ آلمینیومی و مسی که در مخروطی از جنس طلا در ساچمه تعبیه شده است‏، به عنوان پالس محرک برای اشتعال سریع استفاده شد. برای این منظور با استفاده از کد ‎mcnpx ‏، نهشت انرژی و شار الکترون های نسبیتی و پروتون های پر انرژی در لایه های مختلف سوخت‏ ‎d-t شبیه سازی شد. نشان دادیم که با افزایش پارامتر ?r‏، مقدار نهشت انرژی الکترون های نسبیتی در لایه های اولیه بیشتر است. بنابراین انتقال انرژی بهینه به سوخت‏، نیازمند تعیین پارامتر ?r بهینه است. نتایج محاسبات ما نشان داد که در مقادیرg/cm2 6/0?r> تغییر محسوسی در انتقال انرژی الکترون های ‎mev1‎ به سوخت‏ صورت نمی گیرد و چون ایجاد ?rهای بزرگ کار دشواری است مقدار بهینه ?r معادل g/cm2 6/0=?r به دست آمد. همچنین در این شرایط مقدار ضریب جذب انرژی به ازای هر الکترون توسط سوخت برابر با 72/0 ?a= و مقدار بهره سوخت و بهره ساچمه به ترتیب 68 و 12 به دست آمد. برای بازه گسترده ای از انرژی الکترون ها نیز‏) mev10-‎1/0‎‏)‎،‎‎ مقدار انتقال انرژی محاسبه شد. مشخص شد که در g/cm2 6/0 ?r? انتقال انرژی الکترون ها با انرژی ‏ورودی ‎mev1‎‏ بیشترین مقدار را دارد. شبیه سازی انتقال انرژی پروتون های پرانرژی به سوخت در ?rهای مختلف نیزانجام شد و به این نتیجه رسیدیم که برای پروتون در انرژی های mev10?ep انتقال انرژی به سوخت تابعی از ?r نیست. برایg/cm2 6/0 ?r? نشان دادیم که بهینه انتقال انرژی با پروتون های ‎mev20‎‏ صورت می گیرد‎‎. مقایسه ی انتقال انرژی پرتوهای الکترونی و پروتونی به سوخت درانرژی های یکسان نشان می دهد که انتقال انرژی پروتون ها بیش از الکترون های نسبیتی است.

در این پایان نامه رفتار تابع توزیع ذرات پلاسما در داخل توکامک را بررسی میکنیم. برای به دست آوردن تابع توزیع ذرات پلاسما باید معادله ولاسوف را همراه با معادله پواسون به طور همزمان حل کنیم. روش استفاده شده برای حل معادله ی ولاسوف روش تبدیلات فوریه است. دلیل استفاده از تبدیل فوریه ی سرعت این است که حل معادله ولاسوف در فضای فاز نوسانی میشود و نمیتوان آن را در یک شبکه عددی نشان داد. همچنین با استفاده از پروفایل چگالی حاصل از حل معادله ی ولاسوف، میزان میرای لانداو و مربوط به نوسانات پلاسما را محاسبه کرده ایم.

یکی از راه های گرم کردن پلاسمای محصور شده به روش مغناطیسی تابانیدن امواج رادیوی در بازه میکروموج به داخل پلاسما است و این وقتی رخ می دهد که فرکانس موج فرودی با فرکانس پلاسما برابر باشد. امروزه گرم کردن پلاسمای همچوشی با چگالی بالاتر از طریق تشدید سیکلوترونی الکترون توسط امواج برنشتاین الکترونی مورد توجه قرار گرفته است. کاربرد امواج الکترومغناطیسی عادی و فراعادی در این زمینه به امگا سی بزرگتر از امگا پی محدود می شود. چرا که به مرکز پلاسما دست نمی یابند و بنابراین پاسخگوی پلاسماهای خیلی چگال به ویژه در مرکز پلاسما جاییکه امگا سی بزرگتر مساوی امگا پی نمی باشند. اما این حدودیت توسط جفت کردن مد عادی یا مد فراعادی که در نهایت به یک موج برنشتاین الکترونی واگردانیده می شود برداشته شده است. مسأله مهم در فرآیند واگردانی مد محاسبه ضریب واگردانی مد بهینه است که به شدت نسبت به چگالی حساس می باشد. این حساسیت خود را در پارامتربادن و مقیاس طول چگالی مناسب اهمیت ویژه ای در بازدهی واگردانی مد دارد. در این کار با شبیه سازی پلاسمای دستگاه mast با میدان مغناطیسی 0.475 t در مرکز پلاسما واگردانی مد با ln=4094 cm بدست آمد که به معنای لزوم تنظیم ویژگی های فنی دستگاه برای این مقیاس طول چگال است.

چکیده محصورسازی به روش لختی ( icf ) انواع گوناگونی دارد. اشتعال سریع یکی از روش های مهم همجوشی در محصورسازی به روش لختی است. در این روش مراحل تراکم و اشتعال از هم جدا شده اند. در روش اشتعال سریع اشتعال سوخت دوتریم-تریتیم (d-t) که از پیش متراکم شده است به وسیله یک محرک خارجی نظیر باریکه لیزری با توان بالا (چندین پتاوات) صورت می گیرد. در اثر برهمکنش باریکه لیزری پر انرژی با لایه آلومینیومی تعبیه شده در داخل ساچمه سوخت d-t الکترون های نسبیتی با انرژی چند مگا الکترون ولت (mev) تولید می شود. این الکترون ها به سرعت درون سوخت فوق چگال نفوذ می کنند و با جایگذاری انرژی خود در ناحیه کوچکی از ساچمه باعث گرم شدن سوخت تا دمای kev 10می شوند که منجر به اشتعال در ساچمه می گردد. در این پایان نامه ترابرد الکترون های نسبیتی در ساچمه های سوخت کروی و استوانه ای به روش اشتعال سریع مطالعه شده است. با استفاده از کد محاسباتی mcnpx شار الکترون ها و آهنگ انتقال انرژی در محیط سوخت d-t محاسبه شده است. این محاسبات برای الکترون هایی با انرژی5/0 تا mev 1 انجام شده است. محاسبات نشان می دهد که الکترون های با انرژی حدود mev 1 آهنگ انتقال انرژی مناسب برای گرم کردن سوخت تا دمای اشتعال را دارند. برای تولید الکترون های نسبیتی با انرژی حدود mev 1نیاز به بررسی برهمکنش بین باریکه لیزری با فلز آلومینیوم تعبیه شده در ساچمه سوخت است. برای این منظور یک برنامه محاسباتی به زبان fortran تهیه کردیم. در این برنامه برهمکنش لیزر در پلاسما تولید شده در محیط آلومینیوم محاسبه گردید. محاسبات نشان می دهد برای تولید الکترون های با انرژی حدود mev 1 باریکه لیزری با توان?10?^16 w??cm?^2 با طول پالس حدود پیکوثانیه مورد نیاز است.

برهمکنش امواج الکترومغناطیسی با پلاسمای چگال ، و فوق چگال از جنبه های مختلف در سال های اخیر مورد توجه قرار گرفته است. میرایی این امواج در پلاسما منجر به انتقال انرژی می گردد. امواج رادیویی با طول موج مناسب در ناحیه تشدید لایه هیبرید دوگانه الکترون های پلاسما را برانگیخته وامواجی رادیویی با طول موج مناسب در ناحیه تشدید لایه هیبرید دوگانه الکترون های پلاسما را برانگیخته و امواجی تولید می کنند که در گرم کردن پلاسمای چگال در توکامک های کروی موثرند. امواج لیزری نیز با طول موج هایی از مرتبه چند صد نانومتر در پاسمای فوق چگال مورد استفاده قرار می گیرند. پدیده های نظیر پراکندگی از امواج صوتی الکترونی با فرکانسی کمتر از فرکانس پلاسما که انعکاس امواج فرودی را به همراه دارد ناپایداری هایی در پلاسما ایجاد می کند که نقش مهمی در ا نجام همجوشی دارند. با استفاده از کد محاسباتی ولاسوف –ماکسول دوبعدی بررسی تحول زمانی تابع توزیع الکترون در پلاسمای چگال (توکامک mast) و پلاسمای فوق چگال (icf) انجام شد. با تعیین طول دبای و استفاده از طول موج های مختلف کمیت محاسبه شد. با توجه به وجود ناپایداری حاصل از پراکندگی تحریکی صوتی الکترونی در پلاسمای چگال این امواج با فرکانس هایی کمتر از فرکانس پلاسما ظاهر می گردند. و علاوه بر اینکه انرژی لیزر فرودی را کاهش می دهند قادرند الکترون ها را به دام انداخته و شتاب دهند. در پلاسمای فوق چگال نیز پاشندگی موجو صوتی الکترونی برای امواج لیزری با طول موج چند صد نانو متر محاسبه شد. مشخص شد برای سرعت فاز پیشینه می توان از این موج برای گرم کردن پلاسما استفاده کرد . در این پژهش علاوه بر بررسی موج صوتی الکترونی تاثیر میدان مغناطیسی قطبی در توکامک کروی مگاآمپر، که معمولا در محاسبات از آن صرف نظر می شود مورد بررسی قرار گرفت. با وجود اینکه میدان مغناطیسی خارجی در توکامک های کروی نسل جدید با نسبت منظر کوچک کمتر در گرمایش پلاسما موثرند نتایج شبیه سازی نشان میدهد میدان مغناطیسی قطبی نقش بسزایی در تعیین میدان مغناطیسی کل دارد

راکتورهای همجوشی، ماشین هایی برای استخراج انرژی هسته ای می باشند. در این راکتورها هسته های عناصر سبک در طی یک واکنش همجوشی هسته ای به هست? سنگین تر تبدیل می شوند که این واکنش با تولید انرژی همراه است. محاسبات نشان می دهند که به منظور داشتن راکتوری بهینه، سوخت همجوشی باید دارای دمایی از مرتب? 10میلیون درج? سانتی گراد و چگالی ای از مرتب? 23^10 ذره بر مترمکعب باشد. بنابراین، مسئل? گرم کردن ومحصورسازی سوخت همجوشی ، اساسی ترین و مهم ترین موضوع در این راکتورها می باشد. در راکتور های کروی از میدان های مغناطیسی به منظور محصور سازی سوخت همجوشی که به صورت پلاسما است، استفاده می شود. همچنین از امواج الکترومغناطیسی (پالس لیزر) به منظور افزایش دمای سوخت همجوشی استفاده می شود. نرخ انتقال انرژی از پالس لیزر به پلاسما که یک پارامتر تعیین کننده در بهر? انرژی راکتور می باشد، همواره یکی از موضوعات مهم در بررسی این راکتورها بوده است. گستر? وسیعی از برهم کنش ها در اثر برخورد پالس لیزر با پلاسمای همجوشی ممکن است رخ دهد. یکی از این برهم کنش ها ناپایداری های پارامتری است که در آن، پالس لیزر سبب تهییج یکی ازمدهای نوسانی پلاسما می شود و بدین ترتیب انرژی لیزر به پلاسما انتقال می یابد. ناپایداری های پارامتری، دارای انواع مختلفی می باشد که ما از آن میان پراکندگی رامان القایی را بررسی کردیم. در پراکندگی رامان القایی ورود پالس لیزر به پلاسما، سبب تهییج یک موج الکترواستاتیک الکترونی و یک موج الکترومغناطیسی پراکنده شده می شود. در این پراکندگی شرایط تطبیق فرکانسی حایز اهمیت می باشد. چراکه تنها زمانی پراکندگی رامان القایی رخ می دهد که موج الکترومغناطیسی پراکنده شده با پالس لیزر ورودی دچار زنش شود. زنش ایجاد شده بین این دو موج سبب ایجاد نیروی محرکه ای می شود که در نهایت سبب گسیل یک موج لانگمیر در پلاسما می شود. موج با انتشار در داخل پلاسما سبب گیراندازی الکترون ها در دامن? خود شده و بدین ترتیب انرژی به ذرات پلاسما منتقل می شود. ما در این پایان نامه سعی کردیم تا ناپایداری پراکندگی رامان القایی را برای شرایط پلاسمایی موجود در یک راکتور کروی شبیه سازی کنیم. این شبیه سازی با استفاده از برنام? xoopic صورت گرفت و نتایج به دست آمده نشان دهند? انتشار یک موج لانگمیر در پلاسما بود. همچنین نرخ انتقال انرژی به ذرات پلاسما در این حالت محاسبه گردید. در مرحل? بعدی سعی کردیم تا با در نظر گرفتن جملات نسبیتیِ غیر خطیِ مرتب? بالا درمعادلات شبیه سازی، تأثیر این جملات را در پراکندگی رامان القایی مورد بررسی قراردهیم. در نظر گرفتن این جملات در محاسبات نشان دهند? کاهش انتقال انرژی به پلاسما در حضور اثرات نسبیتی است. همچنین اثرات ناشی از تغییر دمای پلاسما در نرخ رشد ناپایداری پراکندگی رامان القایی مورد مطالعه قرار گرفت. در این حالت نیز کاهش انرژی منتقل شده به پلاسما در صورت کاهش دمای آن مشاهده شد.

درمان به وسیله گیراندازی نوترون در بور یا bnct به عنوان یکی از روش های درمان نوعی تومورهای مغزی عمقی به کار می رود. واکنش هسته ای مورد استفاده در این روش li7(n,?)b10 است. با توجه به سطح مقطع جذب بالای نوترون های حرارتی، این نوترون ها توسط هسته های بور (b10) جایگزیده در سلول های تومور از طریق تزریق داروهای حامل بور به بیمار، جذب شده و انرژی ناشی از محصولات واکنش نوترون با بور، باعث تخریب dna سلول های تومور می شود. لازمه انجام چنین واکنشی در سلول های تومور داشتن یک چشمه نوترون فوق حرارتی با شار نسبتا کافی است. برای این منظور باید مجموعه ای از مواد در کنار هم که اصطلاحا مجموعه شکلدهنده طیف (bsa) نامیده می شود، طراحی شود. باریکه نوترون فوق حرارتی با عبور از بافت های مختلف سر به محدوده انرژی حرارتی رسیده و قادر به درمان تومورهای عمقی می شود. برای ارزیابی عملکرد bsa طراحی شده پارامترهایی توسط آژانس بین المللی انرژی اتمی پیشنهاد شده است که پارامترهای در هوا و پارامترهای در فانتوم نامیده می شود. در این پایان نامه تمرکز بر روی پارامترهای در فانتوم و منحنی های دز جهت ارزیابی درمانی یک bsa ازقبل طراحی شده برای راکتور mnsr اصفهان به عنوان چشمه نوترون در bnct است. برای محاسبه این پارامترها و ارزیابی منحنی های دز ناشی از پرتوهای خروجی از این bsa، از یک فانتوم سر snyder شبیه سازی شده در فاصله 5/0 سانتی متری از bsa استفاده شد. محاسبات کد مونت کارلویی mcnpx و ارزیابی منحنی های توزیع دز _ عمق نشان داد که اگر غلظت بور را در تومور و بافت سالم به ترتیب ppm 65 و ppm 18 به عنوان غلظت پیشنهادی در نظر بگیریم, بیشینه بهره درمان 7/4، عمق مفید 3/10 سانتی متر و زمان درمان 29 دقیقه است. بیشینه آهنگ دز جذبی برای بافت سالم rbe.cgy/min 4/43 محاسبه شد. همچنین با محاسبه طیف نوترون در فانتوم سر نشان داده شد که بیشتر نوترون های فوق حرارتی فرودی، پس از عبور از بافت های مختلف فانتوم حرارتی می شوند.

همجوشی توسط محصورسازی لختی از طریق روش های متفاوتی امکان پذیر است که عبارتند از: اشتعال مرکزی، اشتعال سریع و اشتعال برآمده از شوک. اشتعال مرکزی به دلیل بالا بودن ناپایداری ها بهره ی مناسب را به همراه ندارد. در ادامه، روش های اشتعال سریع و اشتعال برآمده از شوک مطرح شد. در این روش ها، با تعریف دو مرحله ی تراکم و اشتعال از میزان ناپایداری ها کاسته می-شود. در اشتعال سریع باریکه های ذرات پرانرژی فرایند اشتعال را راه اندازی می کنند که این ذرات ناشی از تابش لیزر پتاوات هستند. باریکه های پروتونی بهترین گزینه در این زمینه هستند که ترابرد این ذرات در هدف سوختی توسط کد mcnpx انجام شده است. نتیجه ی این ترابرد شکل گیری نقطه ی داغ، در مرکز هدف اشتعالی است که دو هدف کروی و استوانه ای مورد بررسی قرار گرفته است. جدیدترین روش در محصورسازی لختی، اشتعال برآمده از شوک است. این روش به روش میانی موسوم است. دلیل این نام-گذاری ارتباط این روش با دو روش دیگر است. ساختار ساده هدف از اشتعال مرکزی و مراحل ایجاد اشتعال از روش اشتعال سریع گرفته شده است. در این روش از دو اصل کلی و مفهومی بهره می بریم؛ که عبارتند از: افزایش فشار ناشی از همگرا شدن موج به درون هدف و برخورد دو موج. فیزیک حاکم بر این فرایند و مولفه های تعیین کننده در این روش به خوبی معرفی شده و در نهایت بهره ی حاصل از این روش به کمک روابط حاکم بر محصورسازی لختی بررسی خواهد شد. این تحلیل نشان می دهد که داشتن بهره-ای به بزرگی 80، در این روش امکان پذیر است؛ در حالی که مقدار بهره در اشتعال مرکزی دارای مقدار بیشینه ای در حدود 30 است.

اثرات غیرخطی مشاهده شده در پلاسماهای ناهمگن با استفاده از روش های متفاوت شبیه سازی شده است. از روش محاسباتی ذره در جعبه (pic) برای شبیه سازی فرآیندهای تبدیل مدهای الکترومغناطیسی مورد استفاده در گرمایش تجهیزات تولید انرژی همجوشی استفاده شده است. در ابتدا هدف این تز، شبیه سازی این فرآیندهای تبدیل مد با استفاده از روش حل دستگاه معادلات ولاسوف-ماکسول بود که با بروز مشکلات در پردازش موازی و ایجاد سطوح ساطع کننده امواج، در ادامه روش ذره در جعبه مورد استفاده قرار گرفت. با این حال، حل دستگاه معادلات ولاسوف-ماکسول برای شبیه سازی اثرات الکتروستاتیکی و الکترومغناطیسی در پلاسمای دارای مشخصه پلاسماهای فضایی استفاده شده است. روش حل دستگاه معادلات ولاسوف-ماکسول روشی است که در آن برای بررسی حرکت ذرات، از تابع توزیع ذرات استفاده می شود. معادله ولاسوف با دستگاه معادلات ماکسول جفت شده و تحول زمانی آنها محاسبه می شود. با تبدیل فوریه تابع توزیع موجود در معادله ولاسوف در فضای سرعت و حذف بلندترین مولفه فوریه از طریق شرایط مرزی جذب کننده، اثر بازگشتی را می توان به شدت کاهش داد. توابع توزیع ذرات و میدان های الکتریکی و مغناطیسی، بر روی شبکه ای متعامد متشکل از سلول های هم اندازه در فضای مکان و وارون سرعت، گسسته شده و تحول زمانی آنها با استفاده از روش رونگه-کوتای مرتبه چهارم، ارزیابی می شود. به روش حل دستگاه ولاسوف-ماکسول، یک سری از اثرات الکتروستاتیکی شبیه سازی شده است. در ابتدا امواج الکتروستاتیکی برنشتاین الکترونی در یک فضای دوبعدی شبیه سازی شده است. سپس پارادوکس معروف برنشتاین-لاندائو در مورد انتشار و میرایی امواج الکتروستاتیک در پلاسمای مغناطیده و نامغناطیده بررسی شده است و در نهایت مدهای نامیرای برنشتاین-گرین-کروسکال (bgk) ناشی از تحول غیرخطی موج الکتروستاتیکی لانگمیر نشان داده شده اند. همچنین با استفاده از این روش، موج الکترومغناطیسی مد x در پلاسمای مغناطیده با مشخصه پلاسمای فضایی شبیه سازی شده است. در روش ذره در جعبه، ذرات در فضای پیوسته مکان و سرعت و میدان ها در فضای گسسته مکان تعریف می شوند. مقادیر مربوط به ذرات و میدان ها به صورت پی در پی در زمان های مختلف به دست می آیند و این روند از شرایط اولیه آغاز می شود. برای به دست آوردن این مقادیر معادل? حرکت لورنتس نسبیتی برای به دست آوردن مکان و سرعت ذرات همراه با دستگاه معادلات ماکسول برای میدان ها حل می شوند. تبدیل مد دوگانه امواج عادی-غیرعادی-برنشتاین (o-x-b)، با استفاده از کد ذره در جعبه xoopic در استرلیتور tj-ii برای حالتی که بسامد موج ورودی 28 ghz می باشد، بررسی و شبیه سازی شده است. برای فراهم کردن شرایط tj-ii ، نمایه غیریکنواخت چگالی و میدان مغناطیسی به طور کامل مدل سازی شده است. اولین گام تبدیل مد دوگانه که تبدیل مد o-x است، قابل مشاهده است. با بررسی مولفه های موج تزریق شده به داخل tj-ii و موج بازتابیده از لایه uhr، به راحتی می توان موج مد o و موج مد x را شناسایی کرد. در ادامه با بررسی توان الکتریکی تزریقی و بازتابیده موج مد o ، بازده تبدیل مد o-x برای حالت خاصی که درآن زاویه بین راستای تزریق و میدان حلقوی استلریتور 47 درجه است به دست آمده است. مقدار به دست آمده 63% است که با موارد حاصل از شبیه سازی به روش های دیگر محاسباتی و تجربه سازگار است. تبدیل مد مستقیم x-b نیز با استفاده از xoopic در توکامک کروی nstx برای حالتی که در آن دامنه موج ورودی ?10?^5 v/m و بسامد موج ورودی 15 ghz می باشد، بررسی و شبیه سازی شده است. با چنین دامنه ای از موج ورودی، سیستم در رژیم غیرخطی قرار می گیرد. طول موج و سرعت گروه موج برنشتاین ایجاد شده در این روش از طریق شبیه سازی تعیین شده و با مقادیر به دست آمده از نظریه خطی انتشار امواج، مقایسه شده است. نشان داده شده است که مقادیر به دست آمده از شبیه سازی در حدود 10 الی 15% از مقادیر نظری بیشتر هستند. این تفاوت می تواند از اثرات غیرخطی ناشی شده باشد.

امواج سیکلوترونی الکترون به خاطر چگالی قطعی که دارند، امکان انتشار در پلاسمای فوق چگال همجوشی را ندارند. در اثر فرایند تبدیل مد که برای امواج سیکلوترونی الکترون روی می دهد، امواج برنشتین الکترون بوجود می آیند که چگالی قطع ندارند. بنابراین برای گرم کردن وهدایت جریان در پلاسمای همجوشی مناسب می باشند. در این پایان نامه ضریب تبدیل مد امواج سیکلوترونی به امواج برنشتین الکترون را محاسبه کرده ایم. برای این منظورمعادله ولاسوف و پواسون را به طور همزمان حل شده اند. روش استفاده شده برای حل معادله ولاسوف روش تبدیلات فوریه است. دلیل استفاده از تبدیل فوریه سرعت این است که حل معادله ولاسوف در فضای فاز ( ) نوسانی می شود و نمی توان آن را در یک شبکه عددی نشان داد.

آوادرخش پدیده ای است که در آن حبابی که درون یک مایع تحت اثر میدان فشاری قرار دارد، دچار نوسانات شدید شعاعی شده و این خود باعث تمرکز انرژی در لحظه ی کوچک شدن حباب در ناحیه ای بسیارکوچک می شود. این تمرکز انرژی می تواند باعث تشعشع نور گردد. این پدیده به دو صورت پایدار و غیر پایدار قابل تولید است . در پدیده آوادرخش پایدار تشعشعات نوری به صورت متناوب تکرار می شوند و می توان آن را تا ساعتها پایدار نگاه داشت. فرکانس موج می تواند در محدوده صوتی و یا فرا صوتی باشد. در راستای انجام این پایان نامه بر اساس اثری که به کوبش سیال و یا اصطلاحاًٌ چکش آبی (water hammer) معروف است، مبادرت به طراحی و ساخت تجهیزاتی کرده ایم که به کمک آنها موفق به تولید آوادرخش در فرکانسهای پایین بین 30 تا 40 هرتز و در شرایطی خاص شده ایم. در این پایان نامه ضمن ارائه مراحل ساخت دستگاه آوادرخش در فرکانسهای پایین، شرایط لازم برای ایجاد آوادرخش با این وسیله را در آب مقطر، اسید ارتوفسفریک و اسید سولفوریک تعیین کرده ایم. همچنین برخی پارامترهایی را که با وسایل موجود در آزمایشگاه قابل اندازه گیری بودند، مثل نوفه ی ناشی از نوسانات شدید حباب را اندازه گیری کردیم. نوف? اندازه گیری شده در این آزمایش نشان می دهد که امکان تولید چند بار تابش در هر سیکل تحریکی نیز وجود دارد. آزمایشهای ما نشان دادند که حباب آوادرخشنده ضمن نوسان، حرکتهای انتقالی نیز دارد و بر این اساس با ارائه یک مدل، نوسانات و حرکت انتقالی آن را شبیه سازی کردیم. در ادامه نتایج مشاهدات آزمایشگاهی و شبیه سازی با یکدیگر مقایسه شد که انطباق خوبی را نشان داد. در پایان نوسانات و دمای حباب بر اساس مدل هیدروشیمیایی نیز شبیه سازی شد. البته برای شبیه سازی بهتر پیشنهاد می شود که شبیه سازی بر اساس تلفیق هر دو مدل حباب متحرک و مدل هیدروشیمیایی انجام شود. به علت گرادیان دمایی بسیار شدید ایجاد شده در ناحیه فروریزش حباب، از این دستگاه می توان به عنوان یک وسیله مناسب جهت تولید نانو ذرات، از موادی که به دلیل الاستیک بودن به راحتی قابل خرد کردن نیستند، استفاده کرد.

برای گرمایش توکامک های کروی نیاز به امواجی داریم که بتوانند تا مرکز پلاسما نفوذ کنند ولی چون پلاسمای موجود در توکامک ها در حالت پایدار نیستند امواج نمی توانند به راحتی تا مرکز پلاسما نفوذ کنند . در سال های اخیر تولید جریان های حالت پایدار در پلاسما با استفاده از امواج فرکانس رادیویی (rf) مد نظر قرار گرفته است. به خصوص پیش بینی شده است که این جریان ها به وسیله ی امواجی که سرعت های فازی چندین برابر سرعت گرمایی الکترون ها دارند تولید می شوند. این پیش بینی توسط آزمایش های متعددی که در آن جریان توسط امواج هیبریدی پایین (lh) رانده می شود تصدیق شده است. رانش جریان ، مربوط به تولید جریان الکتریکی توروئیدی در پلاسما می باشد. در توکامک مولفه میدان مغناطیسی توروئیدی در مقایسه با مولفه میدان مغناطیسی پولوئیدی بزرگ تر است. ولی هدف ما افزایش میدان مغناطیسی پولوئیدی است که منجر به افزایش جریان توروئیدی در پلاسما می شود. اگر سرعت فاز موج تقریباً برابر با سرعت فرار الکترون باشد آنگاه انرژی rf به طور موثر می تواند به انرژی میدان معناطیسی پولوییدی تبدیل شود. برهم کنش امواج فرکانس رادیویی با پلاسما به وسیله ی معادله فاکر - پلانک با اضافه نمودن یک جمله ¬ی پخش شبه خطی داده می شود. این مدل برای مطالعه ی رانش جریان rf بسیار مفید است. بنابراین پلاسما را دارای تقارن محوری حول خطوط میدان مغناطیسی در نظر می گیریم . پس معادله فاکر – پلانک به یک معادله در بعد زمان و دو بعد سرعت (یا تکانه) کاهش می یابد . در این پایان نامه ما بر هم کنش امواج هیبریدی پایین را در دو توکامکalcator c – mod و nsst بررسی کردیم. برای انجام این کار پس از پیدا کردن فرکانس و توان بهینه برای موج هیبریدی پایین، شرایط گرمایش و رانش جریان را در این دو توکامک مورد بررسی قرار دادیم. بررسی های انجام شده به ما نشان می دهند که با توجه به این که nsst یک توکامک کروی است شرایط موج هیبریدی پایین در آن مناسب تر از توکامک چنبره ایalcator c – mod است. بنابراین در توکامک nsst شرایط برای انجام فرآیند همجوشی با توان و کارایی بالا فراهم تر از توکامک alcator c –mod می باشد. کلمات کلیدی: امواج هیبریدی پایین، معادله فاکر – پلانک، رانش جریان، گرمایش

سرطان کبد یکی از رایج¬ترین سرطان¬ها در دنیاست که تاکنون روش¬های مختلفی برای درمان آن به کار رفته است. در میان این روش¬ها، پروتون درمانی به دلیل واگذاری بیشترین انرژی پرتو در قله براگ و داشتن برد کوتاه، بر سایر روش¬ها برتری دارد. با این وجود به دلیل برهم¬کنش¬های هسته¬ای پروتون با هدف، ذرات ثانویه مانند نوترون تولید می¬شوند. این ذرات خطر ابتلا به سرطان¬های ثانویه را افزایش می¬دهند. لذا در این پژوهش، قصد داریم دز پروتون و نوترون جذب شده در تومور و بافت سالم کبد را در پروتون درمانی تومور کبد محاسبه نماییم. بنابراین به منظور ساده¬سازی، ابتدا چشمه پروتون را به صورت دیسک در نظر گرفته و آن را در مقابل فانتوم mird قرار می¬دهیم. هدف درمانی به صورت توموری کروی با قطر cm 5/0 در عمق¬های cm5/2، 5 و 9 از سطح کبد طراحی شده است. سپس شبیه¬سازی درمان با انرژی¬های مختلف چشمه انجام شده و انرژی بهینه برای درمان این تومورها mev 86، 106 و 133 تعیین شده است. سپس با به کارگیری انرژی بهینه درمان برای هر تومور، دز پروتون، نوترون و گامای جذب شده در تومور و بافت سالم کبد تعیین شده است. در مرحله بعد دستگاه پروتون درمانی با سیستم پراکندگی منفعل شامل چرخ تعدیل برد، پراکنده¬ساز شکل¬یافته، تغییردهنده برد و کلیماتورها طراحی شده و در مقابل استوانه از جنس بافت نرم قرار گرفته است. سپس با شبیه¬سازی هریک از هشت گام اول چرخ تعدیل برد، منحنی عمق-دز پروتون برای هریک از گام¬های چرخ تعدیل برد رسم شده است. در نهایت منحنی عمق-دز کلی از برهم¬نهی منحنی عمق-دز گام¬های مختلف به دست آمده و رسم شده است. نمودار عمق-دز نشان می¬دهد که از برهم¬نهی منحنی عمق-دز هشت گام اول چرخ تعدیل برد، ناحیه¬ای با دز یکنواخت و با عرض cm 5 ایجاد می-شود. چنانچه تومور در این محدوده مکانی قرار گیرد، دز یکنواخت بالایی دریافت خواهد کرد. سپس شبیه¬سازی درمان برای تومورهای کبد انجام شده است. به این منظور ابتدا تومور کروی با قطر cm 5 در عمق cm 11 از سطح کبد طراحی شده است. در ادامه چشمه به صورت تابعی گاوسی با انرژی متوسط mev 200 در نظر گرفته شده و پس از تعیین تغییر دهنده برد مناسب دز پروتون جذب شده به ازای هر ذره پروتون در تومور و بافت سالم کبد برابر gy/par.s 12-10× 32/3 و 13-10× 57/4 به دست آمده است. همچنین به منظور بررسی اثر تابش¬های ثانویه، دز نوترون جذب شده در تومور و بافت سالم کبد محاسبه شده است. طبق نتایج، دز نوترون جذب شده در تومور برابر /par.s sv 14 -10× 37/3 و دز نوترون جذب شده در بافت سالم کبد برابر/par.s sv 14-10× 85/1 است.در مرحله بعد تومور کروی با قطر cm 5 در عمق cm 6 از سطح کبد جایگزین شده است. سپس شبیه¬سازی درمان برای چشمه با انرژی متوسط mev 180 انجام شده است و دز پروتون جذب شده در تومور و بافت سالم کبد برابر gy/par.s 12-10× 94/1 و 13-10× 04/2 محاسبه شده است. همچنین دز نوترون جذبی در تومور و بافت سالم کبد، برابر /par.s sv 14-10× 61/1 و 15-10× 34/6 به دست آمده است.طبق نتایج به دست آمده، برای تومور در عمق cm 11 از سطح کبد، دز پروتون جذب شده در تومور حدود 26/7 برابر دز پروتون در بافت سالم کبد است. همچنین برای تومور در عمق cm 6 از سطح کبد، این ضریب تقریباً برابر 9 است. این نتایج نشان می-دهد چنانچه از پروتون درمانی برای درمان تومورهای سرطانی کبد استفاده شود، می¬توان دز پروتون بالایی بر تومور متمرکز کرد، در حالی که دز پروتون جذب شده در بافت سالم کبد بسیار کم است. همچنین از آنجا که دز جذبی ناشی از نوترون می¬تواند منجر به سرطان¬های ثانویه شود، بررسی روش¬های کاهش این دز بسیار مهم است.

طی سال های اخیر روش های مختلفی برای استفاده از انرژی همجوشی پیشنهاد شده و مورد آزمایش قرار گرفته است. یکی از این روش ها، روش اشتعال سریع می باشد. در این روش مراحل متراکم کردن ساچمه و اشتعال آن جداگانه انجام می گردد. ابتدا ساچمه با باریکه های یونی یا لیزری تا چگالی سطحی بالای سوخت،دردمای پایین متراکم می گردد. در این مرحله فقط سوخت تا حد زیادی متراکم می شود ولی اشتعال صورت نمی گیرد و ناپایداری هیدرودینامیکی رخ نمی دهد، سپس با فاصله زمانی 50-10 پیکوثانیه از باریکه ی لیزر با توان بالا و طول موج کوتاه 0.2 میکرومتر برای گرم کردن ناحیه مرکزی استفاده می شود. در این روش یک ناحیه مخروطی شکل با پوشش ورقه طلا یا عناصر دیگری مثل آلومینیوم ایجاد می گردد، باریکه ی لیزری به ناحیه تابانیده می شود و پالس لیرزی، الکترون ها و یون های محیط را تا رسیدن به چندین mev انرژی شتاب می دهد. الکترون های نسبیتی ایجاد شده 100-10 کیلو ژول انرژی به ناحیه مرکزی منتقل می کنند و اشتعال با تشکیل پلاسما صورت گرفته به ناحیه سوخت سرد پیشروی می کند .ما در این پژوهش نمودار شار، آهنگ انتقال انرژی و توان توقف را برای دو حالت بدون ورقه آلومینیوم و بعد از قرار دادن ورقه آلومینیومی در ناحیه سوخت محاسبه و باهم مقایسه می کنیم.روش دیگری که در این پروژه برای همجوشی هسته ای به کار می بریم، روش اشتعال شوکی می باشد.روش اشتعال شوکی در دو مرحله انجام می گیرد، در مرحله ی اول ساچمه سوخت توسط لیزر، یون های سنگین و یا یون سبک پرتودهی می شود. این پرتوهای محرک باعث متراکم شدن ساچمه سوخت می شوند به همین دلیل مرحله نخست، مرحله ی تراکم نام گذاری می شود. در این مرحله از پرتوهای با توان پایین تری نسبت به مرحله ی دوم، که مرحله ی اشتعال است، استفاده می شود.در مرحله دوم موسوم به مرحله ی اشتعال، دقیقا زمانی که در انتهای مرحله تراکم قرار داریم، یک پالس با شدت بالاتری نسبت به مرحله ی تراکم ؛ به هدف متراکم شده تابانیده می شود. ما در این پژوهش روابط مربوط به اشتعال شوکی را با داده های مختلف بررسی می کنیم. از مقایسه نتایج دو روش اشتعال سریع واشتعال شوکی برای یک ساچمه سوخت معلوم می گردد که انرژی مورد نیاز برای رسیدن به شرایط اشتعال در روش شوکی تا حدود 30 درصد کمتر از اشتعال سریع است و در نتیجه بهره ی انرژی این روش نیز بالاتر از حالت اشتعال سریع خواهد بود.

شتاب دادن ذرات باردار در شتاب دهنده های بزرگ و کوچک یکی از مسایل جذاب مورد بررسی در حال حاضر می باشد. به دنبال اختراع لیزر هایی از مرتبه پتا وات (?10?^(-15) w)، رویکرد جدیدی برای تولید ذرات باردار پر انرژی مطرح شد. شتاب دهنده های جدید بر پایه برهم کنش لیزر با محیط پلاسما می باشند. هنگامی که یک پالس لیزر پر توان به هدف برخورد می کند، هدف به سرعت یونیده می شود و به پلاسما تبدیل می شود. میدان های الکتریکی بسیار قوی ایجاد شده در محیط پلاسما با دامنه های بسیار زیاد در حدود tv/m رکن اصلی شتاب دهی ذرات در این نوع شتاب دهنده ها می باشند. مقدار این میدان ها 10000 برابر بیشتر از میدان های تولید شده به وسیله شتاب دهنده های خطی می باشند. روش های متفاوتی برای شتاب دهی الکترون و یون وجود دارد که در این پایان نامه به توضیح آنها پرداخته ایم. الکترون ها و یون های شتاب داده شده در شتاب دهنده های لیزر- پلاسما در زمینه های مختلفی مانند همجوشی به روش اشتعال سریع و درمان تومورهای سرطانی کاربرد دارند. در این پایان نامه با استفاده از نرم افزار شبیه سازی دو بعدی ذره در جعبه xoopic، برهم کنش پالس لیزر با محیط جامد را شبیه سازی کردیم. در این شبیه سازی یک پالس لیزر قطبیده خطی با شدتی برابر با 4×?10?^19 w/?cm?^2 را بر هدف جامد کربن با ضخامت 400 نانومتر تاباندیم. در بر هم کنش پالس لیزر با یک هدف جامد، چون محیط جامد در برابر عبور پالس لیزر کدر است، بنابراین پالس لیزر نمی تواند از هدف عبورکند. در این مورد، انرژی لیزر توسط باریکه های الکترون های داغ به قسمت های مختلف هدف انتقال داده می شود. در شبیه سازی انجام شده چون ضخامت هدف نسبتاً زیاد است، بنابراین فشار تابشی پالس لیزر، یک تغییر شکل سهمی وار در سطح پلاسما ایجاد می کند. این تغییر شکل سبب نفوذ پالس لیزر به قسمت های داخلی هدف می شود، این فرآیند را حفر سوراخ می نامند. حفر سوراخ، یک کانال یونی در هدف ایجاد می کند، بنابراین محیط برای عبور پالس لیزر شفاف می شود و سبب شتاب دهی الکترون ها و یون ها می شود.ما چگونگی فرآیند حفر سوراخ توسط پالس لیزر، در هدف را مشاهده کردیم و توانستیم الکترون ها و پروتون ها را شتاب دهیم.

کسر جذب انرژی به¬ صورت نسبت مقدار انرژی جذب شده در یک ماده به مقدار انرژی گسیل شده از چشمه انرژی تعریف می¬ شود. در این پایان نامه با استفاده از کد محاسباتیmcnp، کسر جذب انرژی برای چندین هندسه متفاوت حاوی مواد گوناگون که چگالی همه آنها 1 در نظر گرفته شده محاسبه شده است. چشمه، پرتوهای گاما تابش می¬ کند و به¬ صورت نقطه¬ ای یا دارای توزیع یکنواخت است. انرژی چشمه از mev02/0 تا mev 75/2 متغیر است. کسر جذب محاسبه شده توسط کد با آنچه که توسط دیگر کارهای انجام شده به¬ دست آمده است در مواردی دارای سازگاری خوبی است. این موارد هنگامی است که هندسه مورد نظر ساده باشد مثل کره، ولی در دیگر هندسه¬ ها مثل بیضی¬ گون مقدار اختلاف بیشتر است. دلایل وجود اختلاف بین محاسبات مربوط به کد که در این رساله محاسبه شده¬ اند و دیگر کارها مورد بررسی قرار گرفته است. چگونگی تغییر کسر جذب انرژی با انرژی چشمه، هندسه و جرم ماده هدف، نقطه¬ ای یا دارای توزیع یکنواخت بودن چشمه و نوع فرایند¬های موجود در مساله نیز مورد بررسی قرار گرفته¬ اند. علاوه بر این، تاثیر محیط اطراف هندسه¬ ای که کسر انرژی جذب شده در آن محاسبه می¬ شود بر روی نتیجه محاسبات بررسی شده است.

در این رساله انتشار امواج الکتروستاتیک در راستای موازی و عمود بر میدان مغناطیسی در پلاسمایی که از آمار نافزونور سالیس تبعیت می کند بررسی شده است. چون سیستم مورد مطالعه پلاسمایی است با دمایی غیرهمگن که در حالت تعادل آماری قرار ندارد رفتار امواج الکتروستاتیکدر مقایسه با پلاسماهای ماکسولی به طور قابل ملاحظه ای تغییر میکند. برای انتشار در جهت موازی با میدان مغناطیسی روابط پاشندگی و آهنگ میرایی موج صوتی یونی به صورت تابعی از پارامتر q که درجه نافزونوری سیستم را تعیین میکند استخراج شده است و رفتار موج پلاسما الکترونی مورد بررسی قرار گرفته است. با کاهش مقدار q که متناظر با افزایش تعداد ذرات فوق حرارتی در سیستم است، فرکانس، سرعت فاز و سرعت گروه امواج پلاسما الکترونی و صوتی یونی افزایش می یابد. افزایش تعداد ذرات فوق حرارتی و ذراتی با سرعت پایین می تواند علت شدت و ضعف میرایی این امواج در سیستم را توضیح دهد. پراکندگی رامان تحریکی نیز به صورت تحلیلی و عددی در پلاسمای نافزونور مورد مطالعه قرار گرفته است. اعداد موج تعمیم یافته و آهنگ رشد پراکندگیهای رامان پیشرو و پسرو بر حسب پارامتر q استخراج شده است. نتایج نشان می دهد تکامل زمانی پراکندگی رامان به شدت تحت تاثیر تعداد ذرات فوق حرارتی و ذراتی با سرعت پایین در سیستم قرار دارد. برای انتشاردرجهت عمودبرمیدان مغناطیسی رابطه پاشندگی امواج برنشتاین درچارچوب آمار نافزونوراستخراج شده است. رابطه پاشندگی تعمیم یافته امواج برنشتاین وابستگی قابل ملاحظه ای به پارامتر q دارد به طوری که کاهش تعداد ذرات فوق حرارتی منحنی های پاشندگی را به سمت طول موج های بزرگتر سوق می دهد. برای هماهنگ هایی که فرکانس آنها بیشتر از فرکانس دورگه بالاست افزایش مقدار q فرکانس بیشینه و عددموج متناظر با آن را افزایش می دهد. برای مدهایی که با فرکانسی کمتر از فرکانس دورگه بالا منتشر می شوند کاهش مقدار q یا افزایش تعداد ذرات فوق حرارتی باعث افت سریعتر فرکانس می شود. امواج برنشتاین الکترونی تعمیم یافته در رژیم هایی با میدان مغناطیسی بسیار قوی و بسیار ضعیف نیز مورد مطالعه قرار گرفته اند. نتایج نشان می دهد در میدان مغناطیسی ضعیف گستره تغییرات فرکانس همه فضای بین دو هماهنگ متوالی را در برمی گیرد و پارامتر q تاثیر بسزایی در منحنیهای پاشندگی دارد. از سوی دیگر در میدانهای مغناطیسی قوی گستر تغییرات فرکانس به شدت محدود می شود و پارامتر q تاثیر چندانی در مقدار فرکانس ندارد.

ساچمه های سوخت d-t که با پرتوهای یون سنگین متراکم می گردند، در طراحی به روش لختی حائز اهمیت هستند. با بکار بردن ساچمه های چهارلایه ای با جرم های مناسب و استفاده از روش اشتغال جرقه ای بهره انرژی بالایی به دست می آید. از کاربرد معادلات هیدرودینامیکی وابسته به زمان یک بعدی در شرایط بهینه، بهره انرژی بیش از 400 حاصل می شود. مشاهده می شود که بهره ساچمه به طور قوی به نسبت اندازه شعاع نقطه داغ به شعاع اولیه ساچمه وابستگی دارد. اثر پیش گرمی توسط تابش ها و الکترون های داغ کمتر از 15 درصد انرژی کل آزاد شده به وسیله تابش ها می باشد.

در این پایان نامه فرآیند سایش در تزریق ساچمه های سوخت در پلاسمای همجوشی به صورت وابسته یه زمان شبیه سازی شده است . در شبیه سازی اثرات شار حرارتی، هندسی و میدان مغناطیسی بر روی آهنگ سایش بررسی شده است . توزیع انرژی الکترونهای فرودی(محرک سایش ) به صورت توزیع ماکسولی است و درراستای خطوط میدان مغناطیسی در نظر گرفته شده است . در دماهای همجوشی به دلیل کاهش سد الکتروستاتیکی در فصل مشترک ابرسایش و پلاسمای زمینه، آهنگ سایش به میزان 4 برابر افزایش می یابد. به دلیل غیرهمسانگرد بودن شار حرارتی فرودی بر روی سطح ساچمه، آهنگ سایش به میزان 50 درصد نسبت به حالتی که تقارن ابر کروی است کاهش می یابد. اثر میدان مغناطیسی باعث افت شدیدی در آهنگ سایش می شود . علت آن افزایش انتگرال خطی چگالی در امتداد خطوط میدان می باشد. آهنگ سایش موضعی در اثر میدان مغناطیسی در یک پلاسما به شعاع 30 سانتیمتر، مقدار بیشتری را در دماهای همجوشی و مقدار کمتری را در دمای پایین نسبت به کار دیگران پیش بینی می کند.

در این پایان نامه رفتار پلاسمای انبساطی در یک حفره در راکتور گداخت d-3he مورد تحلیل قرار گرفته است . یک میدان مغناطیسی درون حفره جهت کند کردن و منحرف کردن یونهای پلاسما به کار می رود. شبیه سازی هیبرید ذره نشان می دهد که آهنگ رشد ناپایداری رایلی - تیلور آهسته است و دیواره راکتور آسیب نخواهد دید. بوسیله روش ذره در سلول چگونگی تحول زمانی یونهای پلاسما کنترل می شود. این مطالعه بوسیله یک طرح فرضی از راکتور d-3he صورت می گیرد. مسئله اصلی در اینجا ناپایداری رایلی تیلور است . نتایج بدست آمده به صورت زیر خلاصه می شود: 1 - ناپایداری برای شکل بندی فرضی در راکتور d-3he نمی تواند مسئله ساز باشد. 2 - هیچ پخشی از ذرات پلاسما در عرض میدان مغناطیسی صورت نمی پذیرد. 3 - آهنگ رشد ناپایداری بسیار آهسته است به طوری که دیواره راکتور تخریب نمی شود. به هر حال نتایج نهایی در مورد این راکتور به یک بررسی سه بعدی نیاز دارد.

در مقایسه با یک راکتور گداخت d-t یک راکتور گداخت d-3he از مزیت های فراوانی برخوردار می باشد. از جمله اکتیویته القائی بسیار پایین، تبدیل بسیار زیاد انرژی، استفاده مستقیم از انرژی پروتون، و انعطاف پذیری در طراحی راکتور می باشد. از طرفی سطح مقطع برهمکنش گداخت d-3he با یک مرتبه بزرگی در عبارات دما و مقادیر n یا pr نسبت به برهمکنش d-t چند برابر می شود. در این پایان نامه ترابرد پروتون های 14/7 mev که به وسیله برهمکنش d-3he تولید می شوند در یک ساچمه سوخت گداخت در روش محصورسازی لختی بررسی می شود. در شبیه سازی کامپیوتری از روش گسسته سازی متغیرها استفاده شده است . دو حالت در نظر گرفته می شود، ابتدا فقط برخوردهای کولنی در نظر گرفته می شوند و سپس پراکندگی کولنی همراه با پراکندگی الاستیک هسته ای(nes) در نظر گرفته شده است . انتقال انرژی برای هر دو حالت بدست آمده است . در محاسبات انجام شده نشان داده می شود که وقتی برخوردهای الاستیک هسته ای در نظر گرفته شوند انتقال انرژی به ساچمه سوخت بسیار بیشتر از حالتی است که فقط برخوردهای کولنی در نظر گرفته می شوند.