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.

سیکلوترون یکی از انواع شتاب دهنده های رادیو فرکانسی به شمار می آید که در آن از میدان الکتریکی جهت شتاب دادن، و از میدان مغناطیسی جهت هدایت ذرات در مسیر دایره ای استفاده می شود. سیکلوترون معمولاً برای شتاب دادن به یون های با بار مثبت مورد استفاده قرار می گیرد.اجزای اصلی این شتاب دهنده ها شامل الکترومگنت، چشمه ی یونی، سیستم خلأ و سیستم فرکانس رادیویی هستند. هم اکنون در آزمایشگاه مرکزی دانشگاه صنعتی اصفهان و با همکاری دانشکده ی فیزیک طرح ساخت یک سیکلوترون در حال انجام است. موضوع این پایان نامه به دست آوردن مقادیر بهینه ی پارامتر های موثر در میدان مغناطیسی در راستای طراحی الکترومگنت این سیکلوترون با استفاده از نرم افزار cst و برآورد طول مسیر ذره و مقایسه ی آن با مسافت آزاد میانگین برای محاسبه ی فشار خلاء مورد نیاز در محفظه ی خلاء می باشد. با حل معادلات حرکت ذره، مسیر ذرات در صفحه x-y رسم شد و مکانی که بیشترین تمرکز باریکه را داریم به دست آمد. سپس با استفاده از آن بهترین محل برای قرارگیری منحرف-کننده باریکه مشخص شد. در ادامه شبیه سازی مگنت هایی برای سیکلوترون هایی با انرژی 1mev،2mev ،10mev که در عمل کاربردهای مختلفی از جمله پزشکی و تولید رادیوایزوتوپ دارد، در دستور کار قرار گرفت و نتایج حاصل از شبیه سازی برای استخراج پارامترهای بهینه ارائه 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.

بررسی برهم کنش های قوی هادرون ها انگیزه اصلی مطالعه اتم های اگزوتیک بوده است.‎‎‎‎‎‎‎ برای این منظور ذره ای با بار منفی که می تواند مزون یا باریون باشد‏، وارد محیط شده و جایگزین الکترون اتمی شده و اتم هادرونی بسیار برانگیخته تشکیل می شود. ذره طی فرایندهای گذار آبشاری به حالت های پایین گذار کرده و با هسته برهم کنش قوی انجام می دهد‏، که در نهایت منجر به جذب توسط هسته خواهد شد. یکی از این نوع اتم ها که از دید نظری و تجربی بسیار مورد توجه است‏، با مزون های دارای کوارک شگفت مانند کائون تشکیل می شود و به آن اتم کائونی گویند. پتانسیلی که به خوبی برهم کنش بین کائون و هسته را توصیف کرده است‏، پتانسیل اپتیکی وابسته به چگالی است که توسط فریدمن توسعه یافته است. با استفاده از این پتانسیل و به کمک روش محاسباتی نومیروف‏، معادله کلین-گوردن‏ را برای این سیستم حل کرده ایم. ‏ابتدا برهم کنش کائون با هسته قلع‏-118، به عنوان یک هسته سنگین مورد بررسی قرار گرفته است. ضمن محاسبه ترازهای اتمی این سیستم و مقایسه با داده های تجربی‏، به منظور کسب اطمینان از صحت و دقت روش به کار برده شده‏، پانزده تراز هسته ای برای این سیستم محاسبه ‏شد، که برای محاسبه چگالی آن از مدل دوپارامتر فرمی استفاده کرده ایم. سپس برهم‏ کنش کائون و کلسیم-40 به عنوان یک هسته ‏با عدد جرمی متوسط‏، مورد مطالعه قرار گرفت. تمامی ترازهای هسته ای مربوط به این برهم کنش محاسبه شد‏، که از مدل دوپارامتر فرمی برای چگالی هسته ای بهره برده ایم. پس از آن با استفاده از چگالی مدل نوسانگر هماهنگ‏، رفتار کائون در هسته سبک تر کربن-12 را مورد بررسی قرار دادیم و با محاسبه سه تراز هسته ای‏، امکان تشکیل حالت های بسیار مقید هسته ای کائون در کربن پیش بینی شد. نتایج مربوط به هسته های کلسیم و کربن را با نتایجی که توسط دیگران حاصل شده است‏، مقایسه کردیم و تطابق نسبتاً خوبی را مشاهده کردیم.‎ در پایان با استفاده از همین روش‏، برهم کنش دو ذره ای کائون و هلیم-3 را مورد بررسی قرار دادیم. برای محاسبه چگالی هلیم-3 از یک مدل مناسب‏، که از حل معادله شرودینگر برای یک سیستم سه ذره ای به دست می آید‏،‏ استفاده کردیم. ما یک حالت بسیار مقید هسته ای‏ برای این سیستم محاسبه کردیم. یامازاکی-آکایشی نیز با استفاده از ‏مدلی دیگر، تنها یک تراز هسته ای برای این سیستم کائونی محاسبه کرده اند.‎ ‎‎ با محاسبه این ترازها نشان دادیم که کائون در هسته های سبک‏، متوسط و سنگین‏، قبل از واپاشی به کانال های اصلی زمانی را به قرار گرفتن در ترازهای بسیار مقید هسته ای اختصاص می دهد‏، و از آن جایی که این ترازها دارای پهنای بسیار زیادی هستند‏، طول عمر بسیار کوتاهی خواهند داشت‏ و خیلی زود واپاشی رخ می دهد. در واقع محاسبه این ترازها‏، این ایده را که سیستم کائون-هسته قبل از نابودی از طریق کانال های واپاشی‏، ابتدا در حالت های شبه مقید قرار می گیرد‏‏، تقویت می کند‏ و انتظار می رود با روش های آزمایشی مناسب تر‏، به صورت تجربی مشاهده شوند.

یک چشمه ی نوترونی مناسب برای نوترون‏تراپی با بور(bnct) باید حداقل شار نوترون فوق حرارتی از مرتبه ی 2n/s. cm 109 را تأمین کند. شتاب گر خطی الکترون با انرژی الکترون mev 510 و جریان الکترون در ثانیه، برای تولید الکتروفوتون های با انرژی و شار لازم برای استفاده در فرآیند فوتونوترون، مورد ارزیابی قرار گرفت. تولید فوتونوترون بر پایه ی دو طراحی مختلف صورت گرفت: هدف های نازک و هدف های ضخیم. برای این منظور تولید الکتروفوتون ها و فوتونوترون ها با استفاده از کد mcnpx شبیه سازی شد و در نهایت شرایط بهینه ی هدف از نظر نوع ماده، هندسه و ابعاد برای تولید نوترون با شار بالا به عنوان چشمه ی نوترون در bnct تعیین شد.