مطالعه اثرات باریکه الکترون های نسبیتی در فرآیند همجوشی به روش فشردگی اینرسی

با توجه به سیر صعودی نیاز جامعه صنعتی به انرژی، تعیین منابع انرژی کافی، امن وپاک، یکی از اهداف بزرگ جامعه امروزی می باشد. اگر چه با بهره گیری از راکتور های شکافت در چند دهه اخیر، راهی برای دست یابی به منابع انرژی شکافت هسته ای مهیا گردیده است ولی با توجه به محدود بودن منابع سوخت اورانیوم و همچنین آلودگی های حاصله، توجه متخصصان به منابع دیگر انرژی جلب شده است. از جمله این منابع، فرآیند همجوشی یون های سبک همچون ایزوتوپهای هیدروژن می باشد. با توجه به بی پایان و پاک بودن منابع سوخت همجوشی استفاده از روش های مختلف همجوشی از جمله همجوشی به روش محبوس سازی لختی (icf) یکی از روش های قابل توجه در سال های اخیر بوده است. در این روش جهت غلبه بر دافعه کولنی هسته های همجوشی کننده، لازم است قرص سوخت تحت گرمایش و فشردگی شدید قرار گرفته تا شرایط ایجاد اشتعال در آن مهیا گردد. استفاده از لیزر های بسیار پر قدرت، باریکه ای از یون های سنگین و الکترون های نسبیتی مواردی هستند که این عمل را محقق می سازند. لیزرهای چیرپ شده فعلی قادرند در زمان هائی نوعا" از مرتبه ps توانی از مرتبه tw را به قرص سوخت منتقل کنند. یکی از چالش های اصلی تابندگی، طراحی دقیق آرایه ای از لیرز های تابنده است که علاوه بر همزمانی دقیق، تقارن بسیار بالائی از نظر شدت را نیز در فرآیند تابندگی ایجاد کنند. سازوکار اصلی فرآیند به این صورت است که تابش لیزر به لایه بیرونی قرص سوخت و تولید جو پلاسمائی که در حال جذب انرژی لیزر است منجر به تولید انفجار به هر دو سمت خارج و داخل می شود. انفجار جت وار رو به مرکز قرص سوخت موجب گرمایش و تراکم بسیار بالای آن می شود و همجوشی را آغاز میکند اما وجود ناپایداری های شدید هیدرودینامیکی منجر به پیشنهاد نسخه اصلاح شده ای از فرآیند شده است که طی آن وظیفه انتقال انرژی از نقطه ای معین که دیگر لیزر قادر به پیشروی به درون پلاسما نیست به عهده الکترون های سریعی گذاشته می شود که در مرحله جذب ایجاد شده اند. این روش اشتعال سریع نامیده می شود (tabak et al 1994). در روش موسوم به اشتعال سریع برای کاستن از لزوم حفظ شدید تقارن و رساندن مطلوبتر انرژی به درون قرص سوخت که منجر به کارائی بیشینه شود از تابندگی لیزری چند مرحله ای به عنوان یکی از راه های همجوشی استفاده می شود. ابتدا از لیزر متداول ?(10?^13-?10?^15 ()w)??cm?^2 جهت تولید تراکم و سپس از لیزر ابر شدید دیگر از مرتبه ?10?^16 w??cm?^2 و بالاتر برای تولید باریکه الکترون های نسبیتی استفاده می شود. به کمک تزریق باریکه الکترون های نسبیتی به محیط قرص سوخت و تخلیه انرژی در آن شرایط ایجاد جرقه و اشتعال قرص سوخت و در نهایت تولید انرژی حاصل از همجوشی مهیا خواهد شد. با توجه به پیشرفت روزافزون تکنولوژی لیزر بویژه لیزر های چیرپ شده، فرض بر این است که شدت لیزر مورد نیاز در بحث جاری در اختیار است. این رساله به چگونگی تولید ، ترابرد و تخلیه انرژی الکترون های سریع می پردازد. برهم کنش های همجوشی لیزر- پلاسما از سوئی قویا" به حوزه فیزیک پلاسما و از سوی دیگر به فیزیک هسته ای مربوط می باشند لذا چالش های بحث به هر دو حوزه مربوط می شود و این نوشتار ضمن تلاش برای مطالعه آخرین تغییرات این حوزه ها در مواردی رویکرد های مبدعانه ای نیز ارائه می نماید. در طی رسیدن به شرایط مطلوب اشتعال قرص سوخت، فرآیند های متعدد فیزیکی روی خواهد داد و سوالات زیادی مطرح می گردد که می بایستی به صورت کمی و یا با استدلال فیزیکی جواب داده شود. در زیر طرح ساختاری رساله و موارد بسیار مهمی که در این نوشتار مورد بررسی قرار گرفته اند ارائه می شود: در بررسی ساز و کارهای جفت شدگی انرژی لیزر – پلاسما، تعیین میزان وابستگی مشخصات مربوط به پلاسما نظیر پروفایل چگالی ذرات و طول مقیاس آن و نیز مشخصاتی که به لیزر وابسته است نظیر شدت ، دوره و شکل تپ ، پارامتر های مهمی هستند که بر روی فرآیند جذب تاثیر می گذارند. در فرآیند جذب، حد شرایط لیزر- پلاسما تعیین کننده رویکرد محاسباتی است از جمله این که در بسیاری از متون معتبر، محاسبات صرفا" در محدوده بکارگیری تقریبwkb است اما در این رساله انتظا ر میرود فرآیند جذب تمام محدوده ها و ساز کار حل آنها، با ارائه رویکرد نوین در برخی محدوده ها ارائه شود (فصل 1). در شدت های بسیار بالای موضوع بحث، پدیده های غیر خطی نیز مهم می شوند، یکی از مهمترین آن ها نیروی پاندروموتیو است. این نیرو با وجود گرادیان بالا در پروفایل شدت لیزر ایجاد می شود و میتواند هم در جهت طولی انتشار باریکه الکترونی (الکترون های پلاسمای زمینه یا الکترون های داغ تولیدی)و هم در جهت عرضی، آن ها را تحت تاثیر قرار دهد. بررسی نحوه تاثیر این نیروی مهم روی پارامتر های پلاسما نظیر تابع توزیع سرعت ذرات و ضریب شکست پلاسما و نیز استفاده از نوعی مد تابش لیزر تابنده که بدون انحراف عرضی باریکه الکترون ها ی داغ را تا حد بسیار بالائی شتاب دهد در دستور کار این رساله قرار دارد. در بخش دیگری از این فصل نیز مدهایی از لیزر پیشنهاد می شود که برای مراحل اشتعال و حفره سازی در فرآیند اشتعال سریع مناسب می نمایند.(فصل2). پس از آنکه الکترون های داغ(نسبیتی)تولید می شوند (عمدتا" در سطح بحرانی لیزر – پلاسما) با حرکت خود در محیط پلاسمائی باعث ایجاد خود- میدان های الکتریکی و مغناطیسی می شوند و نیروهای وابسته به این خود میدان ها، شکل و شدت باریکه و حتی پارامتر های پلاسمای زمینه را نیز قویا" تحت تاثیر قرار می دهند و در نتیجه شرایط در محل توزیع انرژی باریکه در لکه داغ قرص سوخت را متفاوت می سازند، در این رساله به بررسی نیروهای مربوطه در حد شدت های بالا پرداخته می شود تا سازو کاری برای کنترل باریکه ضمن عبور از محیط پلاسمای ابر چگال قرص سوخت تعیین شود (فصل3) . ذرات پلاسمای داغ زمینه و یا الکترون های داغ تولیدی منبع قدرتمندی برای گسیل تابش هستند که می توانند موجب سرمایش پلاسما و به خطر افتادن شرایط لازم برای حصول به یک همجوشی خود نگهدار شوند، در فصل4 راه مناسب و دقیقی برای تعیین نحوه توزیع تابش و نیز باز جذب آن ارائه می شود. در فصل 5 فرآیند توقف و پراکندگی باریکه الکترون های سریع در حال عبور از یک پلاسمای ابر چگال به صورت عددی بررسی می شود. از آخرین معادلات بهبود یافته سطح مقطع که در بر گیرنده اثرات اسپین و حائل سازی است با در نظر گرفتن اثرات جمعی و دوتائی استفاده میشود. پارامترهای ترابرد باریکه، نظیر برد ، عمق نفوذ ، پهن شدگی طولی و عرضی بر حسب انرژی الکترون های فرودی و پارامترهای پلاسما تعیین می شوند. پارامتر های باریکه در حال انتشار در پلاسما بویژه در رژیم نسبیتی (e>1 mev) و ابر نسبیتی (e?p c) به صورت عددی تحلیل می شوند و مشخص می گردد که چه پارامتر هائی با در نظر گرفتن پهن شدگی طولی و عرضی بطور همزمان درگیر در کنترل شکل باریکه هستند. در فصل 6 به برآورد شرایط لازم برای پارامتر های قرص نظیر دما و چگالی جهت ایجاد اشتعال و تعیین شرایط لازم برای بهینه سازی شرایط جرقه اشتعال و بالاخره به کمک یک مدل هیدرودینامیکی مشخصات دقیق لکه داغ محاسبه می شود. نتایج بدست آمده و پیشنها های قابل طرح در انتهای این رساله مرور می شوند. نتایج نشان می دهند چگونه می توان در مراحل تولید، ترابرد و تخلیه انرژی الکترون های نسبیتی بخاطر تاثیر متقابل لیزر – پلاسما – باریکه الکترون های نسبیتی ملاحظات مربوط به کنترل باریکه را در نظر گرفت و به بهینه سازی قرص سوخت و بهره آن منجر شد .