کتابهای نوشته شده با فرمت word

روشهای تدریس پیشرفته

کلیات روشها و فنون تدریس

تمرین معلمی

ظرافت های معلمی

ساختمان راکتور گداخت هسته ای

راکتور گداخت هسته­ای انرژی آزاد شده در نتیجه واکنش گداخت را بصورتی قابل­استفاده تبدیل می­کند. این راکتور بر اساس روشی طراحی شده­است که در آن پلاسما محصور می­شود. هدف از ساخت یک راکتور قدرت گداخت و استفاده از انرژی حاصل، در جهت مقاصد کاربردی است. هدف اصلی این تحقیقات در سال­های گذشته یافتن روشی پایدار برای محصورسازی پلاسما در درجه حرارت بالا بوده­است. راکتورها در درجه اول به دو گروه تقسیم­بندی می­شوند:

1-راکتورهای محصورکننده پلاسما با روش مغناطیسی

2-راکتورهای محصورکننده پلاسما با روش لختی.

ساختار این دو گروه راکتور تفاوت چندانی با هم ندارد.

راکتور­های گداخت هسته­ای که در آنها پلاسما به روش مغناطیسی محصور شده­است بر این اساس که میدان مغناطیسی تمام یا قسمتی از سطح پلاسما را بپوشاند، به دو گروه چنبره­ای ( Torus type) و انتها باز (Open-end type ) تقسیم شده­اند. همچنین بنابر نوع عملکرد راکتورها آنها را می­توان به انواع پایا، شبه پایا و تپی نیز طبقه بندی کرد.

در مرکز یک راکتور D-T گداخت، پلاسمایی با دمای بالا شامل 50% دوتریم و 50% تریتیم قرار دارد. پلاسما در دمای زیاد باید از حداقل ناخالصی برخوردار باشد، این پلاسما توسط میدان مغناطیسی در محفظه خلأ محصور می شود.

دیواره محفظه که با پلاسما در تماس است، اولین دیواره(دیواره اولیه) نامیده می­شود. ذرات پلاسما با انرژی زیاد به این دیواره برخورد می­کنند. این ذرات قادرند در این دیواره تخریب به­وجود­آورند، که خود از عمر دیواره می­کاهد و پلاسما را آلوده می­کند. جهت جلوگیری از این تخریب از یک منحرف­کننده یا پوشش گازی استفاده می­شود.

انرژی ذرات آلفای حاصل از واکنش D-T در حدودMeV  5/3 است. از آنجا که این ذرات دارای بار الکتریکی هستند، توسط میدان مغناطیسی مهار شده، انرژی خود را در برخورد با پلاسما از دست می­دهند و از پلاسمای مرکزی جدا می­شوند. ذرات نوترون خنثی با انرژی eV 1/4 از دیگر محصولات گداخت می­باشد که از دیواره اولیه عبور کرده و جذب پوششی در پشت آن می­شوند و انرژی خود را به شکل حرارت جهت تولید تریتیم که برای سوخت در راکتور مصرف می­شود، از دست خواهند داد.

پوشش توسط یک لایه حفاظتی احاطه شده­است که مانع خروج نوترون­ها و اشعه گاما می­شود. پیچه مغناطیس ابررسانا نیز در خارج لایه حفاظتی، محصورسازی پلاسما را در مرکز راکتور امکانپذیر می­کند. سیستم خنک­کننده راکتور، انرژی حرارتی جذب­شده در پوشش را جهت سردشدن به مبدل حرارتی هدایت می­کند. تریتیم تولیدی در پوشش، و تریتیم و دوتریم مصرف­نشده، که از پلاسمای مرکزی پخش شده­اند از طریق سیستم بازیابی جمع­آوری و جدا می­شوند. مغناطیس ابررسانا توسط یک سیستم برودتی خنک می­شود، پلاسمای مرکزی تا دمای لازم برای گداخت با یک سیستم حرارتی گرم می­شود. به علاوه راکتور یک سیستم سوخت­رسانی، یک سیستم اندازه­گیری و یک سیستم کنترل دارد.

بطور کلی قسمت­های اصلی یک راکتور گداخت هسته­ای به اختصار عبارتند از:

1-پلاسمای مرکزی

2-دیواره اولیه و مواد ساختاری

3-لایه پوشش و لایه حفاظتی

4-پیچه های مغناطیس ابررسانا

این قسمت­ها مجموعاً یک راکتور را تشکیل می دهند.

ذرات آلفای که در واکنش گداخت به­وجود آمده­اند به همراه مقادیر مصرف نشده یون­های T و D در دمای بالا در اثر پخش پلاسمای مرکزی را ترک می­کنند. آنها قبل از برخورد با اولین دیواره، با گاز خنثی برخورد­کرده و انرژی خود را از دست می­دهند و پس از اخذ الکترون خنثی شده، از محفظه راکتور خارج می­شوند. به این ترتیب گاز خنثی اولین دیواره را از تخریب توسط یون­های پر انرژی حفظ خواهد­کرد. ذرات پلاسمای مصرف نشده از مخفظه راکتور خارج می­شوند. مؤلفه D سوخت را می­توان به­آسانی با قیمت نازل تهیه کرد، ولی مؤلفه T، یک ماده رادیواکتیو می­باشد که در طبیعت موجود نیست و باید در پوشش گازی تولید شود. باید T را کاملاً بازیابی کرد و از نشت آن به جو جلوگیری به عمل آورد.

بطور کلی روش­هایی که برای حفاظت بکار می­روند به دو جنبه مکانیکی و غیر مکانیکی تقسیم­بندی می­شوند. روش­های غیرمکانیکی شامل تکنیک منحرف­کننده مغناطیسی و پوشش در برابر شارش گاز است. روش­های مکانیکی نیز موقعیت سطوح حفاظتی بین پلاسما و محفظه دیواره خلأ را شامل می­شود.

محصور سازی پلاسما

جهت استفاده از انرژی گداخت هسته­ای آزاد شده از پلاسما، باید آن را تا دمای بالایی گرم و محصور کرد. محفظه­ای وجود ندارد که بتواند پلاسما با دمایی در حدود 100 میلیون درجه را محصور سازد. حتی محفظه­هایی که از فلزات مقاوم در دماهای بالا ساخته شده­ باشند، تنها در دماهای پایین­تر از چندهزار درجه قابل استفاده خواهند­بود.

محصورسازی انرژی پلاسما در اجزای داخلی راکتورهای گداخت به ناخالصی تابش حاصل از پلاسما وابسته است. و مقدار این ناخالصی تقریباً با Z³ متناسب است. در جائیکه Z عدد اتمی یون­های ناخالص است. بنابراین موادی مانند گرافیت کاندیدای مناسبی برای دیواره و محدودکننده­ها هستند.

برهمکنش پلاسما با سطح

ناخالصی­ها یکی از مشکلات اساسی در پلاسمای توکامک به شمار می­روند. که این منجر به تلفات تابشی قدرت خواهد بود. زیرا این اتم­ها، شامل الکترون­های زیادی هستند و حالت شبه خنثایی پلاسما باید محفوظ بماند. ناخالصی در غلظت بالا از گرم­شدن پلاسما جلوگیری می­کند، این مسئله به­ویژه در مرحله راه­اندازی توکامک که دما پایین می­باشد، مشکل آفرین است. زیرا ناخالصی­ها در دمای پایین پیش از آنکه به شدت یونیزه شوند، با حداکثر قدرت ممکن تابش می­کنند. ناخالصی­هایی با عدد اتمی پایین در مقایسه با آنهایی که عدد اتمی بالا دارند، از اهمیت کمتری برخوردارند. به طور کلی پیدایش ناخالصی در پلاسما، به واسطه برهمکنش­های گوناگونی است که میان پلاسما و محفظه پوشش آن صورت می­گیرد. مرز پلاسما در توکامک توسط یک محدودکننده و یا منحرف کننده مغناطیسی مشخص می­شود. سطوح مغناطیسی در داخل مرز بصورت شعاعی بسته هستند و در خارج از مرز، بصورت شعاعی باز هستند. در جریان راه اندازی توکامک سطح دیواره­ها را لایه­ای از گاز می­پوشاند که در پی آن فرآیندهای واجذبی گوناگون، به ورود سطح بالایی از ناخالصی با عدد اتمی پایین نظیر اکسیژن و کربن می­انجامد. این ناخالصی­ها توازن انرژی را با تابش بخش عمده­ای از قدرت، در دست می­گیرند. به منظور جداسازی گونه­های ناخالصی از پلاسما از دو روش پاکسازی تخلیه­ای و پخت محفظه، استفاده می­شود. پخت محفظه تا دمای 300 درجه سانتیگراد، در برداشت فیزیکی گونه­های جذب شده سطحی مانند بخار آب می­تواند مؤثر باشد. در عملیات پاکسازی تخلیه­ای، این مواد به شکلی جمع­آوری می­شوند که بعداً می­توان آنها را از طریق پمپ، به خارج از سیستم هدایت کرد. روش­هایی از جمله پاکسازی تخلیه تابان، تخلیه تپی و تخلیه سیکلوترونی الکترون همه تاکنون مورد استفاده قرار گرفته­اند.

پاکسازی تخلیه­ای برای گازهایی شامل هیدروژن، هلیم، اکسیژن، آرگون و کریپتون انجام شده ­است. بکارگیری گازهای سنگین به عنوان محیط تخلیه، بهره پراکنش بالاتری را به دنبال دارد. اما از سویی گونه­های سنگین پراکنش بیشتری را از سطح موجب می­شوند، بر همین اساس با اثر جنبی پوشیده ­شدن اجزاء توکامک، مانند دریچه­ها و یا عایق­های آن با لایه­ای از فلز روبرو هستیم. در سال­های اخیر نسبت به کاربرد هیدروژن به عنوان محیط پاکسازی تخلیه استقبال بیشتری شده ­است. بنابراین اکثر این فرآیندها از نوع شیمیایی هستند، و در این جریان هیدروژن با ناخالصی­های کربن، متان تولید می­کند و با ناخالصی­های اکسیژن، آب پدید می­آورد. جداسازی هر دو فرآیند نام برده، کار بسیار ساده­ای است و می­توان توسط پمپ­های خلأ آنها را به خارج از محفظه هدایت کرد. مراحل جداسازی اکسیژن در مقایسه با کربن دشوارتر است، در صورت داغ بودن محفظه خلأ در ضمن پاکسازی تخلیه­ای، سرعت انجام فرآیند بیشتر است. وقتی یک یون و یا ذره خنثی پر­انرژی بر سطح جامدی فرود می­آید، برخوردهایی با اتم­های شبکه ساختاری خواهد داشت. پدیده پراکنش زمانی روی می­دهد که در نتیجه این برخوردهای پیاپی اتم­های سطحی، انرژی بیش از انرژی بستگی به سطح دریافت کنند. بنابراین بهره­های پراکنش با انرژی لازم برای تصعید ماده جامد نسبت عکس و با انرژی انتقال­یافته از یون برخوردی به اتم شبکه نسبت مستقیم دارند. در مورد یون­های سبکی مانند هیدروژن و هلیم بهره­های پراکنش کوچک هستند، زیرا انتقال انرژی در این حالت پایین می­باشد. انرژی انتقالی یون برخوردی به اتم­های شبکه دارای حد آستانه­ای است که اگر انرژی پایین­تر از این مقدار باشد پدیده پراکنش روی نمی­دهد.

پخش نوترون

با فرض هندسه استوانه ای شکل پلاسما را به عنوان یک چشمه در نظر می­گیرند، که s نوترون در هر ثانیه و در واحد طول ساطع می­کند، و در یک استوانه نامحدود تهی با شعاع داخلی R₀ و شعاع خارجی R₂ می­باشند. محیط استوانه­ای اول با شعاع خارجی R₁، دیواره خلأ را نشان می­دهد، درحالیکه محیط 2 نمایانگر پوشش است. هر کدام دارای سطح مقطع­های مختلفی می­باشند. از آنجا که انتظار می­رود نوترون­ها در بالای انتهای پوشش تولید شوند تا انرژی آنها استخراج گردد، باید ماده دیواره خلأ را طوری انتخاب کرد که دارای سطح مقطع جذب نوترونی خیلی پایینی باشد. البته در مورد پوشش باید برعکس عمل کرد.

صدمات تابش نوترونی در مواد راکتور

نوترون­های گداخت علاوه بر همکاری مطلوبی که در تولید قدرت و زایش تریتیم دارند، می­توانند باعث خسارت تابشی جدی در مواد سازنده راکتور گداخت شوند. این نوترون­های پرانرژی با اتم­های مواد برخورد کرده و آنها را از شبکه­هایشان جابجا می­کنند. خسارت به­جا­ مانده، به کنده شدن اتم­های برگشتی بستگی دارد. در ضمن کنده ­شدن تا توقف، این اتم­های برگشتی با اتم­های دیگر ماده هدف برخورد کرده و غالباً آنها را از محل­های شبکه­ی عادیشان دور کرده و ضمن بازگشتشان کند می­شوند. در این فرآیند کاسکید اتم های جابجا شده همراه با تعداد برابری از شبکه محل­های خالی تولید می­شوند. از آنجا که برخوردهای اتمی غیرالاستیک هستند، باعث تحریک و یونیزاسیون الکترون­ها در ماده خواهند شد، اما به خاطر کوچک­بودن، انرژی جنبشی­شان قادر به جابجا کردن اتم­هایشان نمی­باشند. در فلزات تحرک الکترونی صدمه­ای وارد نمی­کند مگر اینکه کاسکید جابجایی باعث تلفات انرژی شود. عیب­های نقطه­ای تولید ­شده در کاسکید جابجایی، بسته به دمای هدف و غلظت آنها ممکن است، باعث نابودی همدیگر شده، داخل خوشه­ها یا عیب­های مختلف گسترش یافته به همدیگر بچسبند و یا اینکه با اتم­های ناخالصی یا با جابجایی­های موجود قبلی برهمکنش کنند. عیب­های باقیمانده و برهمکنش­هایشان، تغییرات مشاهده شده در خواص فیزیکی موادی را که مورد تابش نوترون واقع شده­اند، معین می­کنند.

دیواره اولیه

از میان اجزاء ساختاری راکتور قدرت گداخت، اولین قسمتی که در معرض پلاسمای مرکزی قرار می­گیرد، دیواره اولیه نامیده می­شود. از آنجا که دیواره اولیه تحت شرایط سختی قرار دارد، مسائل فنی آن ابتدا مورد بررسی قرار داده می­شود.

سوخت مصرف نشده D و T، محصولات گداخت هسته­ای یعنی ذرات آلفا و نوترون­ها، اتم­های ناخالصی و امواج الکترومغناطیسی چون اشعه ایکس و گاما به دیواره اولیه برخورد می­کنند. پشت و اطراف دیواره را یک پوشش فلزی از فلز لیتیم یا نمک­های لیتیم مذاب، در دمای بالا فرا گرفته­است، این فلز خاصیت خورندگی شدیدی دارد. در حالیکه راکتور از نوع عملکرد تپی یا شبه پایا باشد، این دیواره باید تنش­های حرارتی مکرر را نیز تحمل­کند. بنابراین ماده انتخاب­شده در این دیواره باید از خصوصیات مکانیکی، شیمیایی، حرارتی و هسته­ای کاملاً استثنایی برخوردار باشد.

تلاش بسیاری جهت تولید انرژی قابل­استفاده از واکنش D-T با بزرگترین در دمای پایین صورت گرفته ­است. در این واکنش­ها لیتیم مورد استفاده قرار می­گیرد، زیرا تریتیم در طبیعت یافت نمی­شود. در صورت امکان واکنش­های گداخت D-D مزیت دارند، چون دوتریم را به آسانی می­توان از آب دریا تهیه کرد. ولی احتمال آلودگی جو توسط تریتیم تولید­شده از واکنش­های D-D وجود خواهد داشت. همچنین نوترون­های حاصله، قسمت اعظم انرژی واکنش را با خود حمل می­کنند بدون آنکه در گرم­کردن پلاسما شرکت داشته­باشند، زیرا به واسطه نداشتن بار الکتریکی بلافاصله محیط پلاسما را ترک خواهند­کرد. با توجه به خنثی­بودن نوترون­ها از نظر الکتریکی، روش مستقیمی برای تبدیل انرژی جنبشی نوترون­ها به انرژی الکتریکی وجود ندارد. از سوی دیگر با توجه به اینکه نوترون­ها سطح مقطع برخورد پایینی با مواد دیواره راکتور دارند، ممکن است از راکتور به خارج نشت پیدا کنند که در این صورت برای انسان خطرآفرین خواهند­بود. بنابراین باید پلاسما را توسط دیواره ضخیمی از ماده­ای سنگین که جاذبی خوب برای نوترون­ها می­باشد محافظت کرد.

اگر نسل سوم واکنش­های هسته­ای مورد استفاده قرار­گیرد، در این صورت تنها محصولات گداخت، ذرات باردار غیر­رادیواکتیو خواهند­بود. چنانچه یک روش تبدیل مستقیم به کار گرفته ­شود آهنگ تبدیل انرژی بالایی از این واکنش­ها می توان انتظار داشت.

بارگذاری دیواره

منظور از بارگذاری دیواره، شارهای انرژی مختلفی است که مطابق شرح بالا، با اولین دیواره در واحد سطح و در واحد زمان، برخورد می­کنند. اگر فقط شار نوترونی را در نظر بگیریم، صحبت از بار نوترونی دیواره است. بار دیواره، معیاری از شرایطی است که دیواره در تماس با پلاسما تحمل می­کند. وقتی بار دیواره زیاد باشد، تخریب شدید است و عمر دیواره کوتاه خواهد­شد. اما جهت کاهش بار دیواره باید ابعاد راکتور افزایش یابد تا سطح دیواره برای همان خروجی وسیع­تر شود. تعیین میزان بار دیواره مستقیماً به اقتصاد راکتور بستگی دارد. در مراحل مقدماتی طراحی راکتور برای بار دیواره مقادیر بزرگی نظیر MW/m² 10در نظر­گرفته می­شد. این مقدار پس از تخریب شدیدی که در اثر تابش بر دیواره به وقوع پیوست، با عبور شار انرژی قویی از آن به میزان مناسبی کاهش داده­شد. اما امروزه میزان MW/m² 3-1 یک بار معقول، برای راکتور به شمار می­رود. در حال حاضر اثر تخریب تابش شارها به دیواره و راه­های جلوگیری از آن مورد بررسی قرار­گرفته ­است، این تخریب به اثر ناشی از اتم­ها و نوترون­ها تقسیم شده­است.

تخریب دیواره توسط اتم ها

مهمترین اثر تخریب، پراکنش و حباب­زدایی است. پدیده برخورد اتم­ها با سطح ماده دیواره، که باعث کنده­شدن اتم­ها از لایه سطحی می­شود را پراکنش(کندوپاش) می­نامند. تحقیقات روی پراکنش تاریخچه طولانی دارد و نتایج بسیاری از پروژه­های نظری و عملی در این مورد تاکنون منتشر شده ­است. اما این نتایج در مواردی به­خصوص در مورد برخورد اتم­های سبک با یک سطح فلزی که دمای ذوب بالایی دارد (مانند برخورد ذرات با دیواره یک راکتور قدرت­گداخت)، با یکدیگر سازگار نبوده­اند. در تخریب معمولی دیواره اولیه، اگر فرض شود تمام اتم­های دوتریم که پلاسمای مرکزی را ترک می­کنند با اولین دیواره برخورد نمایند. تعداد اتم­های دوتریم برخوردی به این دیواره در حدود 10²⁰ ذره بر متر مربع بر ثانیه می­باشد. فرض می­شود که دیواره از جنس Nb باشد. اگر مقدار بهره پراکنش در برخورد D   Nb،^3-10× 2/4  باشد، تعداد اتم­های کنده­شده Nb، 10¹⁷× 2/4 ذره بر متر مربع بر ثانیه خواهد­بود. این تعداد مربوط به، کاهش سرعتی معادل ^12-10× 2/11 متر بر ثانیه در ضخامت سطح فلزی است. اگر اولین دیواره پس از آنکه 20 درصد از ضخامت 6 میلی­متری آن کاهش یافت باید تعویض شود، در این صورت زمان لازم برای تعویض آن 5/3 سال خواهد­بود. چون عمر دیواره بسیار کوتاه است، نیاز به توسعه تکنولوژی جدیدی برای حفاظت از آن در برابر پدیده پراکنش ضروری به نظر می­رسد.

وقتی اتم­های گاز به سطح فلزی برخورد می­کنند، به داخل فلز نفوذ­ کرده و پس از مدتی این اتم­ها، حباب­هایی از گاز در داخل فلز به وجود می­آورند. این حباب­ها رشد کرده و بعد از مدتی می­ترکند، به این ترتیب سطح فلز را از بین می­برند. این پدیده را حباب ­زدایی می­نامند. تشکیل حباب به چند عامل بستگی دارد:

1- انرژی اتم­های فرودی: که عمق نفوذ آنها را تعیین می­کند.

2- نوع اتم ها: وقتی ضریب پخش بزرگ باشد، حباب­زدایی به ندرت اتفاق می­افتد.

3- تعداد اتم­های فرودی: اندازه حباب به اتم فرودی بستگی دارد.

4- دمای اتم­های فرودی: که ضریب پخش را تعیین می­کند.

تعداد اتم­های سطحی که توسط حباب­زدایی از بین می­روند تقریباً 100 برابر تعداد اتم­هایی است که در اثر پراکنش سطحی از بین خواهند­رفت.

آلودگی پلاسما و جلوگیری از آن

پراکنش و حباب­زدایی نه تنها عمر دیواره را کوتاه می­کنند، بلکه باعث آلودگی پلاسما خواهند شد. تابش ترمزی و سیکلوترون باعث اتلاف انرژی در پلاسما می­شوند (اتلاف انرژی از طریق تابش ترمزی نسبت به تابش سیکلوترونی، وقتی پلاسما به صورت پایا گداخته شود، بیشتر می­باشد). نسبت R تابش ترمزی پلاسمایی از نوع H که ناخالصی به غلظت f و بار Z دارد، به یک پلاسمای خالص عبارت است از

R=1+f (Z+Z²)+f²Z³

اتم­های سنگین با Z بالا مانندFe ، Mo، Ni، Nb و V که به عنوان مواد دیواره مورد استفاده قرار می­گیرند. در درجه حرارت گداخت keV 10 کاملاً یونیزه شده و الکترون­های مداری آنها کنده می­شوند. وقتی چنین اتم­هایی وارد پلاسما شوند اتلاف انرژی از طریق تابش ترمزی افزایش می­یابد. اگر 1 درصد از اتم­های اکسیژن با پلاسمای H مخلوط شود، مقدار انرژی از دست­رفته در اثر تابش ترمزی 77 درصد بیشتر خواهد ­شد. برای آنکه در راکتورهای عملی این مقدار زیر 10 درصد باشد باید غلظت Nb در پلاسمای H کمتر از ^5-10× 8/5 باشد، که میزان بسیار پایینی است.

با در نظر داشتن مطلب بالا راکتور باید طوری طراحی شود که پلاسمایی که از ناحیه مرکزی پخش می­شود، برخورد مستقیم با اولین دیواره نداشته باشد. پوشش گازی این نقش را ایفا کرده و دیواره را از برخوردهای مستقیم پلاسما حفظ می­کند. دو ابزار دیگر برای این منظور محدودکننده و منحرف کننده هستند. محدودکننده­ها انبساط ستون پلاسما را محدود کرده و به این ترتیب دیواره را از بمباران مستقیم ذرات پلاسمایی محافظت می­کنند. مقاومت الکتریکی پلاسما با ازدیاد دما به سرعت کاهش می­یابد. وقتی میدان الکتریکی اعمالی به پلاسما زیاد باشد، سرعت سوق و پویش آزاد میانگین الکترون­ها نیز بطور قابل ملاحظه ای افزایش پیدا می­کنند. بنابراین الکترون­های سوق یافته می­توانند مسافت زیادی را بدون برخورد، با سرعت بالایی طی نمایند. به­این­گونه الکترون­ها، الکترون های فراری گفته می­شود. در توکامک این الکترون­ها توسط میدان الکتریکی چنبره­ای شتاب گرفته و از مسیر اصلی منحرف می­شوند و میدانی در جهت شعاعی به وجود می­آوردند که باعث پخش یون­ها، از میدان­های مغناطیسی خواهد­شد. محدودکننده اولاً مانع انخراف الکترون­ها از مسیر خود می­شوند، ثانیاً پلاسما را در شعاع کوچکی محدود می­کند. علاوه بر صفحه محدودکننده فلزی یک محدودکننده مغناطیسی که بتواند با استفاده از یک میدان مغناطیسی انبساط ستون پلاسما را محدود سازد، تحت بررسی قرار گرفته است. کار صفحات محدودکننده با اتصال آنها به یک پمپ خلأ انجام می­گیرد.

لایه حفاظتی پوشش

پوشش به عنوان لایه حفاظتی سه عمل انجام می­دهد:

نوترون­های پر­انرژی تولید ­شده در اثر واکنش دوتریم- تریتیم را کند کرده و انرژی آنها را جذب می­کند، این انرژی به خنک­کننده منتقل­شده تا از طریق آن به مبدل حرارتی خارج راکتور فرستاده شود.

1- تریتیم تولید می­کند، تریتیم در طبیعت موجود نیست.

2-از رسیدن شار نوترون­ها و شار اشعه گاما به مغناطیس ابررسانا جلوگیری می­کند.

اگر مغناطیس ابررسانا در معرض تابش این پرتوها قرار­گیرد با افزایش دما از قدرت ابررسانایی آن کاسته خواهد­شد. پوشش در یک راکتور گداخت هدف خیلی مهم، زایش تریتیم را بر عهده دارد. قسمت اعظم انرژی گداخت در یک سیکل D-T توسط نوترون حمل می­شود، از این نظر استخراج انرژی از یک راکتور گداخت مشابه راکتور شکافت می­باشد، که در آن انرژی نوترون باید توسط یک سیکل حرارتی به طریقی از پوشش استخراج شود. به­خاطر این دلایل و نیز به علت تقریب اثرات تابش­دهی نوترون در داخل اجزاء داخلی راکتور گداخت، اطلاعات تفصیلی مربوط به تغییرات فضایی شار و انرژی نوترون واقعاً مهم می­باشند. نوترون­ها ممکن است در نفوذ شان به مواد مختلفی که دیواره خلأ و پوشش را تشکیل می­دهند، پراکندگی الاستیک، پراکندگی غیرالاستیک و یا جذب شوند که در حالت جذب نیز واکنش­های هسته­ای القاء شده نوترونی مختلف و جابجایی­های اتمی را باعث می­شوند.

 توسط : الناز احمدی

مراجع:

 ت. کاماشی، "اصول و تکنولوژی فیزیک راکتور گداخت" ترجمه ر. امراللهی و  ا. فرشی، سازمان انرژی اتمی ایران، تهران، 1373.

 Yoshio GOMAY, Hideo KOIZUMI," Thermal Testing of TiC and TiN Coating Materials for Tokamak Limiters and Walls ", Journal of NUCLEAR SCIENCE and TECHNOLOG, 1982, PP. 40-47

Tetsuji Noda, Fujio Abe, Hiroshi Araki and Masatoshi Okada, " Materials selection for reduced activation of fusion reactors  ", Journal of Nuclear Materials, 1988, Pages 581-584

رفتار موجی- ذره ای

این قسمت را با یک مثال شروع می کنیم:
فرض کنید قادر باشیم در یک اتاق خلا یک تک الکترون را شلیک کنیم. می خواهیم رفتار الکترون را در یک حالت خاص بررسی نماییم. برای این کار الکترون را بر سر یک دو راهی قرار می دهیم ، تا نحوه ی انتخاب آن مشخص شود. (مانند شخصی که به یک دو راهی می رسد). فاصله ی این دو راه از یکدیگر نباید زیاد باشد زیرا آن گاه انتخاب مسیر معنا نمی دهد. یعنی الکترون در آن واحد باید در جلوی خود دو راه یا 2 انتخاب را ببیند. هم چنین عرض هر کدام از این دو راه نباید بیش از اندازه بزرگ باشد، چون در این صورت هر کدام از آنها، راه های متعدد دیگری به حساب می آیند. این دو مسیر یا دو انتخاب همان دو شکاف یانگ هستند که برای تداخل سنجی مورد استفاده قرار می گیرند. اندازه شکافها و فاصله انها از هم معمولا توسط طول موج الکترون مشخص می شوند. اگر عرض هر کدام از این دو سوراخ یا شکاف از طول موج الکترون تابیده شده بیشتر باشد، طرح تداخلی ایجاد نمی شود. طول موج و عرض شکافها باید قابل قیاس با هم باشند. هم چنین فاصله آنها از یکدیگر نیز نباید زیاد باشد.

حالا فرض کنید یک تک الکترون به این دو شکاف یا 2 انتخاب می رسد. به نظر شما از کدام یک عبور میکند؟ می توان گفت به احتمال 50 درصد از اولی و 50 درصد از دومی عبور خواهد کرد. هیچ دلیل خاصی برای ارجهیت دادن این دو مسیر وجود ندارد. اگر الکترون از مسیر اول عبور کند، وجود و یا عبور آن از مسیر دوم منتفی است و برعکس. به هر حال الکترون بعد از عبور از یکی از این دو شکاف به یک پرده یا آشکار ساز برخورد کرده و یک نقطه روشن باقی می گذارد( فرض اینکه تا آخر آزمایش باقی می ماند). حالا الکترون بعدی را می فرستیم. آن هم همینطور، بعد از عبور از یکی از شکافها به پرده می رسد و یک نقطه روشن باقی می گذارد. ما اصلا درباره اینکه الکترون بعدی به کدام نقطه از پرده برخورد میکند و کدام نقطه را روشن میکند، نمی توانیم اظهار نظر کنیم. یعنی فعلا نمی توانیم رابطه ای برای پیدا کردن مکان الکترونهای بعدی بیابیم. حالا فرض کنید شلیک الکترونها ادامه پیدا کند. پس از مدتی که به پرده نگاه کنیم، مشاهده می کنیم که یک سری نوارهای روشن و تاریک دایروی شکل روی پرده ظاهر شده است. نوارهای روشن جایی است که تعداد الکترونهای بیشتری بدان نقطه برخورد کرده اند و نوارهای تاریک مکانهایی هستند که الکترونهای کمتری به انجا برخورد کرده است. این طرح به اصطلاح تداخلی را چگونه می توان توجیه کرد؟ خوب احتیاج به توجیه نیست. بلکه فقط لازم است رابطه ای برای آن بیابیم. این طرح تداخلی ما را به یاد تداخل دو موج می اندازد. دو موج با مشخصات یکسان که از دو منبع (دو شکاف) به طور همزمان منتشر شوند با یکدیگر تداخل می کنند. در برخی نقاط تداخل سازنده است و موج نهایی حاصل جمع دامنه دو موج است( نوار روشن) و در برخی نقاط تداخل ویرانگر است و نتیجه موج نهایی یا دامنه صفر خواهد بود (نوار تاریک). البته مرز بین نوار روشن و تاریک ناگهانی و تیز نیست. یعنی اینکه از نوار روشن کم کم به طرف نوار تاریک می رسیم و برعکس. یعنی احتمال این وجود دارد که در نقاط تاریک چند الکترونی برخورد کرده باشند، اما احتمال آن بسیار کم است. در مرکز نوار روشن احتمال برخورد الکترون 100 درصد است.
با این فرض که الکترونها در این حالت همانند یک موج رفتار میکنند، می توانیم با توجه به فاصله دو شکاف از یکدیگر و فاصله پرده از دو شکاف و طول موج الکترون تابیده شده، مکان نوارهای تاریک و روشن وتعداد انها را مشخص کنیم. یعنی توانسته ایم پیش بینی کنیم چه اتفاقی رخ می دهد. پس در اینجا دیگر حرف از ذره نیست. الکترون هنوز یک ذره است و جرم دارد، ولی در حالت دو شکاف یانگ از خودش رفتار موج گونه بروز میدهد. به اصطلاح گفته می شود که الکترون دارای رفتار دو گانه است. این حالت برای نور که از بسته های کوچک به نام فوتون تشکیل شده نیز صادق است.
حالا اگر یکی از شکافها را بپوشانیم، آنگاه الکترون فقط یک انتخاب دارد و فقط یک نقطه از پرده را روشن می کند. یعنی طرح تداخلی از بین خواهد رفت.

منبع: طبیعت زنده ( فیزیک)

مسائل ایمنی هسته ای و غیر هسته ای

از مسائل ایمنی هسته­ای، تریتیم موجود در سوخت و رادیواکتیو­شدن مواد ساختاری در اثر تابش نوترون­هاست.

۱- تریتیم: تریتیم یک ماده رادیو­اکتیو است که با نیمه عمر 12 سال فروپاشی از نوع بتا دارد. بیشینه انرژی تابش بتا keV 6/18 و متوسط انرژی آن keV 7/5 است. حتی با وجود این رادیواکتیویته ضعیف، باید تریتیم تحت محافظت قرار­گیرد زیرا به­آسانی بصورتی از آب­های (THO, T₂O) پخش می­شود. در دماهای معمولی تریتیم در محفظه­ای قابل نگهداری است، اما در دماهای بالاتر نشت پیدا خواهد­کرد. این ماده در بدن برای مدت طولانی باقی­مانده و اثرات خاصی بر اندام­های تولید­مثل آن می­گذارد. از نقطه نظر ایمنی باید مقدار تریتیم ذخیره شده در یک محفظه با دمای بالا را کاهش داد. اگر ترکیبات جامد لیتیم (Li₂Al₂O₄, Li₂O) به عنوان ماده زاینده تریتیم مورد­استفاده قرار­گیرند، می­توان از مقدار تریتیم موجود در هر محفظه کاست.

در طرح­های حفاظتی تریتیم تمامی جوانب ممکن مورد ­بررسی قرار­گرفته­اند. به عنوان مثالی از عملیات پایه، روشی است که در آن به جای یک محفظه از چند محفظه کوچکتر استفاده می­کنند تا اثرات ناشی از حوادث به فضای کوچکتری محدود شود. در این روش ذخیره­سازی چند سیستم مونیتور و رسام مورد استفاده قرار می­گیرد.

2-رادیواکتیویته القایی: مواد ساختمانی یک راکتور قدرت گداخت، در اثر تابش نوترونی رادیواکتیو می­شوند. این مواد رادیواکتیو را باید جمع­آوری و سپس خارج­ کرد. رادیواکتیویته این مواد طول عمر راکتور را افزایش می­دهد، همچنین در ضمن فروپاشی آنها انرژی حرارتی آزاد می­شود در نتیجه لازم است آنها را خنک کرد. مسئله ایمن­سازی راکتور از نظر این رادیواکتیویته ایجاد شده بسیار حائزاهمیت است، چون مهندسان به منظور تعویض و تعمیرات ضروری نمی­توانند به راکتور نزدیک شوند.

رادیواکتیویته ایجاد شده، به نوع ماده بستگی دارد. بنابراین از نقطه نظر ایمنی این نکات اهمیت دارند پس باید، مواد بصورتی انتخاب شوند که رادیواکتیویته آنها نیمه عمر بلندی نداشته باشد، سریع تبخیر نشود و در بدن موجودات زنده تمرکز پیدا نکند. بر اساس تحقیقات صورت گرفته Nb از نظر ایمنی دارای کمترین ارزش است، از سوی دیگر Al, V, SiC و C می­توانند در برابر مقادیر خفیف رادیواکتیو با نیمه­عمرهای بلند مقاومت کنند. وقتی Nb در راکتور مورد­استفاده قرار می­گیرد انرژی حرارتی آزاد شده حدود چند صدم کل قدرت راکتور است و در حالت استفاده از V کمتر از یک هزارم آن خواهد بود. در مقایسه با یک راکتور شکافت، انرژی حاصل از واپاشی هسته­ها در یک راکتور گداخت مسئله مهمی به شمار نمی­آید.

مسائل ایمنی غیرهسته ای

1- پلاسما در مرکز راکتور:

اولین مسئله ایمنی، انفجار هسته­ای پلاسما می­باشد. در روش محصورسازی مغناطیسی پلاسما، آهنگ واکنش هسته­ای ذرات پلاسما، از آنجا که فشار پلاسما با فشار مغناطیسی به تعادل می­رسد، در نواحی خاصی نمی­تواند افزایش پیدا کند. به عنوان مثال اگر چگالی یا دمای یون در اثر یک ناپایداری به صورت موضعی یا لحظه­ای افزایش یابند، این افزایش در سراسر پلاسما گسترش پیدا نمی­کند و نمی­تواند برای مدت زمان طولانی دوام داشته­باشد. وقوع یک حادثه معمولاً زمان محصورسازی پلاسما را کاهش می­دهد یا بر ناخالصی­های موجود در آن می­افزاید، در نتیجه خروجی راکتور را کاهش خواهد­داد. با پایین­بودن چگالی پلاسمایی مانند 1020 ذره بر متر مکعب، جرم کل سوخت راکتور چندان زیاد نخواهد بود. تحت چنین شرایطی وقوع یک انفجار هسته­ای بعید به نظر می رسد.

در راکتور گداختی که از محصورسازی لختی استفاده می­کند سوخت به شکل قرص­های کوچک تهیه شده­است. در این نوع راکتور به عنوان مثال افزایشی در جرم سوخت هدف یا افزایش انرژی محرک، عدم توازنی در تطبیق شرایط عملکرد راکتور به وجود می­آورد که در نتیجه باعث افت توان خروجی راکتور خواهد­شد.

کل انرژی حرارتی پلاسما J 10⁸×4/6 برای راکتور UWMAK اگر به شکل غیر­یکنواخت به دیواره اولیه برسد، بار دیواره به میزان J/cm²25 افزایش پیدا­خواهد­کرد. چنین شار انرژی دمای دیواره با ضخامتcm 1 را فقط چند درجه بالا می­برد. اما اگر این شار در ناحیه کوچکی از دیواره تمرکز پیدا کند باعث ذوب یا تبخیر مواد آن خواهد­شد. که این خود مقدمه حوادث بزرگتری می­تواند باشد به همین جهت پوشش دیواره اول به واحدهای کوچکی تقسیم شده تا به آسانی تعویض شوند.

2-لیتیم: لیتیم از نظر شیمیایی بسیار فعال است. وقتی در معرض هوا قرار می­گیرد می­سوزد، همچنین با بسیاری از مواد واکنش شدید انجام می­دهد. در طراحی راکتور اگر از ترکیبات غیر­فعال استفاده­شود، مشکل ایمنی راکتور از نظر لیتیم برطرف خواهد­شد.

3-مغناطیس­های ابررسانا: مقادیر عظیمی از انرژی مغناطیسی و هلیم مایع در یک مغناطیس ابررسانا موجود است. اگر خاصیت ابررسانایی مغناطیس از بین­برود و مانند آهنربای معمولی عمل کند، ماده ابررسانا در اثر حرارت آسیب­دیده و هلیم مایع به نقطه جوش می­رسد.

یک مغناطیس ابررسانا گرانقیمت است و خنک­کردن آن برای بازگشت خاصیت ابررسانایی احتیاج به زمان دارد. بنابراین باید تا حد ممکن از بروز حوادث احتمالی در مغناطیس جلوگیری­کرد. اگرچه تسهیلات بسیاری در کاربرد مغناطیس­های ابررسانا از طریق اعمال روش­های پایدارکننده به وجود آمده­اند، اما باید تکنولوژی تشخیص حالات غیرمعمول ابررسانا و در نتیجه حفاظت از آن نیز مورد بررسی قرار­گیرند. روش­های زیر برای نگهداری از مغناطیس مطرح شده اند:

1-انرژی ذخیره­شده در مغناطیس از طریق کریوستا (سرماپای) طی چرخه­ای در مدت زمانی خارج شود که در آن هیچگونه ولتاژ غیر معمول ایجاد نشده و همچنین دما به بیش از حد مجاز افزایش پیدا نکند.

2-هر پیچه به قطعات کوچکتری تقسیم شود تا تقارن مورد نیاز برای ورودی تأمین شده و تعادل جریان­ها نیز حفظ شود. در نتیجه کاربرد این روش در هنگام مغناطیس­کردن پیچه­ها، نیروهای الکترومغناطیسی تولید شده توسط مغناطیس­های ابررسانا، وقتی جریان مغناطیس کاهش می­یابد، متعادل خواهند بود. جهت جلوگیری از جوشیدن هلیم یک پوشش شکستنی در راکتور مورد استفاده قرار می­گیرد.

این اطلاعات سودمند در نتیجه کار با مغناطیس­های کوچکی که قابل­مقایسه با اندازه­های واقعی نیستند، بدست آمده­اند که به این­ترتیب تکنولوژی مربوط به حفاظت از مغناطیس­های بزرگ نیز توسعه داده شده­است.

چرخه سوخت

چرخه سوخت D-T در یک راکتور قدرت گداخت هسته­ای به صورت زیر است:

1- واکنش D-T در یک راکتور

2- تولید D در پوشش

3-واکنش افزاینده­ی نوترون

در یک واکنش D-T نوترون­های ایجاد شده در اثر واکنش، در پوشش محافظ تریتیم تولید می­کنند. به عبارت دیگر سوخت راکتور D-T حاوی D و Li است. D و Li هر دو ایزوتوپ­های پایداری می­باشند و به ترتیب مقدار 5/7 درصد و 5/92 درصد لیتیم طبیعی را تشکیل می­دهند. اگر فقط از Li در سوخت استفاده کنیم توازن قدرت راکتور افزایش می­یابد و راکتور با راندمان بالایی کار خواهد­کرد. استفاده منحصر از Li با وجود هزینه مربوط به جمع­آوری آن باعث کاهش مصرف لیتیم طبیعی خواهد شد اما از نقطه نظر تولید، کاربرد آن به تنهایی اقتصادی نخواهد­بود. در اینجا اقتصادی­بودن به این معناست که نوترون­ها با نسبت تولیدی بیش از واحد افزایش پیدا کنند بطوریکه کنترل و استفاده از نوترون­های ایجاد­شده در راکتور راندمان بالایی داشته باشد.

اجزای لیزر

آیینه ها:
قسمت مهم یک لیزر آیینه های آن میباشد. برای عمل وارونی جمعیت تنها لامپهای پر انرژی کافی نیست. برای اینکه ماده ما به یک ماده فعال تبدیل شود یعنی تعداد ترازهای با انرژی بالاتر، از تعداد ترازهای با انرژی پایین تر، بیشتر شود، از دو آیینه با بازتاب نزدیک به 100 استفاده می شود. آیینه های معمولی بارتابنده قوی نیستند. یعنی نوری که به انها تابیده می شود مقدار قابل توجهی از ان را عبور می دهند. ولی در لیزر دو آیینه با تکنولوژی بالا ساخته می شود که هر نوری به آنها تابیده شود به طور 100 در صد بازتاب میشود. البته یکی از آیینه ها را با بازتاب 99.9 می سازند. دلیل این امر هم این است که نور لیزر تولید شده بتواند به بیرون راه پیدا کند. هم چنین اینکه آیینه ها کاملا با هم موازی باشند خیلی مهم است. در برخی لیزرها مانند هلیوم نئون، آیینه ها طوری قرار داده می شوند تا با پرتو فرودی به آنها زاویه بروستر بسازند و از این طریق تمام پرتو منعکس می شود.

تولید نور لیزر:
حال چه اتقاقی می افتد؟ ما یک کاواک استوانه ای شکل داریم که سطح داخلی ان بازتابنده است. درون این استوانه دقیقا در مرکز ان ماده فعال را که به صورت میله ای است، قرار داده و سپس لامپ درخشی را در اطراف این ماده قرار می دهیم. لامپ بین ماده فعال و کاواک استوانه ای قرار می گیرید. نورهایی که از لامپ درخشی به اطراف بازتاب می شوند، توسط سطح بازتابنده داخلی کاواک دوباره فرصت تابیده شدن به ماده فعال را دارند. پس تقریبا نور یا انرژی ای به بیرون درز نمیکند. تمام تلاش ما این است که تا می توانیم در زمان بسیار بسیار بسیار کمی، مقدار قابل توجهی انرژی نورانی به ماده فعال بتابانیم تا درون آن وارونی جمعیت رخ دهد.
از طرف دیگر در دو طرف این کاواک استوانه ای دو آیینه بازتابنده را قرار می دهیم. نقش این دو علاوه بر تقویت نور، همدوس کردن ان نیز می باشد. لامپ در خشی روشن می شود و در کسری از (میلیونیوم) ثانیه مقدار قابل توجهی فوتون به ماده فعال میرسد. مقداری از نورها دوباره توسط سطح داخلی کاواک بازتاب می شوند و به ماده فعال می خورند. هم چنین نورهای پراکنده شده توسط دو ایینه بازتاب کامل شده و به دورن ماده فعال بر میگردند. با این کار تعداد اتمهای بسیار بالایی برانگیخته می شوند. علاوه بر این، در این بین اتمهایی که برانگیخته شده اند، وقتی به حالت اولیه بر میگردند، بازهم نور ساطع می کنند. تمام این نورها(که در جهتهای مختلف تابیده می شوند) به اتمهای دیگر بر خورد میکنند. در اینجا یک اتفاق رخ می دهد و آن این است که به یک اتم هنگامی که در حالت برانگیخته است، ممکن است یک فوتون دیگر تابیده می شود که باعث میشود این اتم هنگامی که به حالت پایه بر میگردد، 2 فوتون همدوس و هم جهت و هم انرژی ساطع کند. به این پدیده گسیل القایی نیز میگویند. پس حجم فوتون تولیدی به ازای هر اتم 2 برابر می شود. تمام این فوتونهای همدوس دوباره به ایینه های بازتابنده برخورد میکنند و دوباره به دورن ماده فعال بر میگردند و باعث میشود که اتمهای بیشتری گسیل القایی کنند.
از هر ماده ای نمی توان به عنوان ماده فعال استفاده کرد. برای مثال اولین لیزر از جنس یاقوت مصنوعی بود. لیزری که علی جوان اختراع کرد، جنس ماده اولیه اش ترکیبی از گاز نئون و هلیوم بود که به همین نام نیز معروف شد. درک ساختار ماده و نحوه چیدمان ترازهای انرژی یک ماده در اینجا اهمیت بسیار دارد.

تقویت:
 عمل تولید فوتون و بازتابش آن توسط آیینه ها اینقدر ادامه پیدا می کند تا درون ماده ما وارونی جمعیت رخ دهد و خود ماده نیز بتواند فوتون و انرژی اضافی تولید کند و تبدیل به ماده تابنده می شود. فوتونها علاوه بر اینکه تعدادشان زیاد می شود هم جهت و هم انرژی نیز می شوند( هم چون یک لشکر پیاده بسیار منظم که در یک جهت و با نظم زیادی حرکت میکنند) . پرتوهای نوری هم از نظر فضایی و هم از نظر زمانی همدوس می شوند. یعنی بی نظمی در پرتوها بسیار کم می شود. هنگامی که عمل وارونی جمعیت رخ داد، تعداد فوتونها و در نتیجه انرژی پرتو دورن کاواک زیاد شده و مقداری از آن توسط آیینه ای که بارتاب ان 99.9 است، به بیرون ساطع می شود که همان پرتو لیزر یا نور تقویت شده توسط گسیا القایی می باشد.
پرتو لیزر خاصیت واگرایی کمی دارد. یعنی اینکه از هنگام خروج از دهانه لیزر تا فاصله بسیار خوبی همان حالت و انرژی اولیه خود را حفظ میکند. نورهای غیر همدوس همچون نور یک چراغ قوه، واگرا می شوند و بنابراین شدت و انرژی انها در فواصل دور از منبع، کم میشود. اما نور لیزر شدت باریکه خود را (مانند یک لوله بسیار باریک) حفظ میکند. البته میزان واگرایی بسته به انرژی پرتو و طول موج نیز دارد. برخی لیزرها هستند که تا سطح کره ماه تابیده میشوند و تا آنجا تقریبا واگرا نمی شوند. یک راه برای جلوگیر از واگرایی نور لیزر استفاده از فیبرهای نوری است که در آنها پرتو نور انرژی اولیه اش را از دست نمی دهد. فیبر نوری را به دهانه لیزر  وصل میکنند انگاه هم چون یک لوله قابل انعطاف میتوانند نور لیز را به فواصل و جهتهای مختلف برسانند. از این خاصیت در هنگاهم عمل های جراحی با نور لیزر مانند عمل جراحی چشم استفاده میکنند. در جراحی چشم، پرتو لیزر باید با طول موج و شدت تعیین شده به سطح چشم بتابد. برای حفظ انرژی لیزر از فیبر نوری استفاده میکنند. 

منبع: طبیعت زنده ( فیزیک)