مقدمه

هدف در همجوشی محصورشدگی لختی توسط باریکههاي لیزري یا باریکههاي یون سنگین به دو صورت مستقیم وغیرمستقیم متراکم میشود.[۳-۱] باریکههاي یونی به دلیل داشتن آهنگ تکرار بالا و بازده بالا نسبت به راه اندازهاي لیزري بهتر هستند. باریکه یونی باید شکل مناسبی داشته باشد تا انرژي مورد نیاز متراکم سازي فراهم گردد. باریکه یون سنگین هنگامی که به طور مستقیم به هدف برخورد میکند در هدف نفوذ کرده و مقداري از انرژياش را به هدف منتقل میکند که با گذشت زمان انرژي جنبشی باریکه تبدیل به انرژي حرارتی شده و باعث افزایش دماي هدف میگردد و هنگامی که دماي سوخت در حد چند کیلوالکترون ولت برسد همجوشی هستهاي آغاز خواهد شد.[۲ ,۱]

در این مقاله یک نمونه هدف، توسط باریکه یونی بیسموت به طور مستقیم متراکم میشود و با استفاده از حل معادلات هیدرودینامیکی، دما و چگالی سوخت را براي یک پالس دلخواه شبیه سازي میکنیم. طراحــــی باریکه فرودي و طراحی هدف مناسب، مهمترین شرایط در همجوشی محسوب میشوند.[۵ ,۴]

شرح کار

براي بررسی هیدرودینامیکی هدف از معادلات نویر استوکس۱ استفاده میکنیم.با حل این معادلات میتوان تغییرات چگالی و دما را در طول شعاع ساچمه بدست آورد. معادلات پیوستگی جرم، نیرو و انرژي به ترتیب عبارتنداز:

__ = − ∇. (۱)

۱Navier-Stokes equation
21st Iranian Nuclear Conference 25-26Feb 2015 University of Isfahan

_ ت و ی_ ن ا س _ ه _ی ان

۶و۷ ا” د ماه ۳۹۳۱ دا+ گاه ) هان = ۰ + ∇ _
(۲)
u (3) m P E _ _
Q _
چگالی سیال، سرعت سیال، جرم یونی، فشار، انرژي هدفرا مشخص میکند و چشمه انرژي است
= ∇. +

که با محاسبه توان توقف باریکه یون سنگیـــن [۷ , ۶] در هدف مورد نظر بدست میآید. با حل معادله (۱) می توانیم تغییرات چگالی وابسته به زمان را بدستآوریم و تغییرات دما با حل معادلات ( ۲) و (۳) و معادلاتی از حالت [۸]بدست میآید. این معادلات را با روش تفاضل محدود [۹]و با استفاده از برنامهاي که در نرم افزار متلب نوشته-ایم، در مختصات کروي و به صورت یک بعدي حل کردهایم ونتایج را در ادامه گزارش میکنیم.

-۱طراحی هدف

همانطور که گفتیم یکی از موارد مهم در همجوشی محصورشدگی لختی مشخصات هدف میباشد. در هدفهاي چند لایه، ناحیه مرکزي خلأ یا گازي از سوخت است تا هنگام متراکم شدن شرایط مناسب اشتعال فراهم گردد، ناحیه مرکزي توسط لایهاي از سوخت جامد پوشیده میشود. لایه بعد را با موادي با عدد اتمی بالا قرار میدهند و لایه آخر بعنوان انتقال دهنده باریکه یون سنگین به هدف میباشد. نکته اي که باید در طراحی هدف رعایت کنیم این است که باید لایه ها ي بیرونی سنگینتر از لایههاي داخلی باشند تا عمل متراکم سازي به خوبی انجام گیرد.[۴] هدفی که ما در نظر گرفتیم یک هدف کروي است که مشخصات آن در شکل (۱) آمده است و توسط باریکه یونی بیسموت به طور مستقیم متراکم شده است.

شکل :۱ یک نمونه هدف دلخواه براي طرح راه انداز مستقیم.

-۲باریکه یون سنگین

مشخصات باریکه یونی هم یکی دیگر از عوامل مهم در همجوشی محصورشدگی لختی میباشد. باریکه یونی به صورت دو پالس ضعیف و قوي به هدف منتقل میشود. پالس ضعیف به ساچمه برخورد کرده اولین موج شوك را به وجود میآورد و سپس پالس قوي به هدف تابیده میشود و باعث ایجاد شرایط مناسب همجوشی میگردد که ما در این مقاله به بررسی تأثیر پالس قوي بر روي هدف پرداختهایم. شکل (۲) نشان دهنده شکل پالـــس ورودي میباشد.

۲۱st Iranian Nuclear Conference 25-26Feb 2015 University of Isfahan

_ ت و ی_ ن ا س _ ه _ی ان

۶و۷ ا” د ماه ۳۹۳۱ دا+ گاه ) هان

شکل:۲ توان ورودي باریکه یون بیسموت با انرژي یونی ۱۰ گیگا الکترون ولت که به صورت دو پالس ضعیف و قوي است.

نتایج

ماP1را برابر با مقادیر مختلف ۲۰۰TW، ۵۰۰TW و۷۰۰TW در نظر گرفته که به ترتیب انرژي۱/۲، ۳/۰۱۶و ۴/۲ مگاژول را به هدف وارد میکند وتأثیر آنها را بر روي مقادیر دما و چگالی هدف مورد بررسی قرار میدهیم.در شکلهاي ۳، ۴ و ۵ تغییرات چگالی را برحسب لایههاي سوخت و گام زمانی براي سه مقدار مختلف توان رسم شده است.

beam=Bi,target=Pb-AL-DT-Void

beam=Bi,target=Pb-AL-DT-Void

۵۰۰
۴۰۰
]
۳
۳۰۰ [gr/cm
density
200

۴۰۰
۳۵۰
۳۰۰
]
۲۵۰ ۳
[gr/cm
200
150 density

۱۰۰

۱۰۰ ۵۰

۰ ۰
۲۴۰
۲۴۰

۴۰۰ ۲۳۰ ۴۰۰ ۳۵۰ ۲۳۰
۳۵۰ ۲۲۰ ۳۰۰ ۲۲۰
۳۰۰ ۲۱۰ ۲۱۰
۲۵۰ ۲۵۰
۲۰۰
۲۰۰ ۲۰۰ fuel cells 200 fuel cells
time step time step
شـــــکل:۳

تغییرات چگالی هدف براي توان ورودي .P1=200 TW شکل:۴ تغییرات چگالی هدف براي توان ورودي .P1= 500 TW
beam=Bi,target=Pb-AL-DT-Void
400
350
300
]
250 3
[gr/cm
200
150 density

۱۰۰
۵۰
۰
۲۴۰
۴۰۰ ۲۳۰
۳۵۰ ۲۲۰
۳۰۰
۲۱۰
۲۵۰

time step 200 200 fuel cells

۲۱st Iranian Nuclear Conference 25-26Feb 2015 University of Isfahan

_ ت و ی_ ن ا س _ ه _ی ان

۶و۷ ا” د ماه ۳۹۳۱ دا+ گاه ) هان

شکل:۵ تغییرات چگالی هدف براي توان ورودي . P1=700TW

با توجه به این شکلها، چگالی براي پالس وروديP1=200TW با زمان افزایش بیشتري نسبت به دو پالس ورودي دیگر پیدا میکند. دلیل این برتري این است که موج شوکی که در اثر پالس قوي به وجود میآید باعث به وجود آمدن گرماي اضافه میشود و به همین دلیل هدف زودتر به دماي همجوشی میرسد که این نتیجه مشابه نتایج بدست آمده در مقاله تهیر۲ و همکارانش می باشد.[۵] بنابراین شکل ۴ و۵ چون داراي توان بیشتري هستند زودتر به دماي همجوشی میرسند و این امر موجب میشود تا چگالی شکل ۴ و ۵ نسبت به شکل ۳ کمتر باشد.