آزمایش‌هایی در گداخت همراه با محصورساختن لخت



 آزمایش‌هایی در گداخت همراه با محصورساختن لخت

 

مترجم: فرید احسانلو
منبع:راسخون
 
اساس روش گداخت با محصورسازی لخت، تراکم و گرم کردن مخلوطی از دوتریوم و تریتیوم(DT) در یک کپسول کوچک تا شرایط اشتعال است. انرژی محرک را می‌توان از لیزری کانونی شده و یا از باریکه‌های ذره‌ای فراهم آورد، ولی در حال حاضر بیشتر آزمایش‌ها با لیزرهای کوتاه موج و پرقدرت انجام می‌گیرد. تحقق کامل مزایای بالقوه گداخت با محصورسازی لخت (ICF) مستلزم رسیدن به بهره زیاد است – یعنی رسیدن به بازده ۵۰۰ – MJ1000 به کمک یک محرک چند مگاژولی. رسیدن به اشتعال و شرایط سر به سر یک دستاورد علمی است، ولی بهره زیاد لازم است تا بتوان به چنان شارهای زیاد پرتو x و نوترونی دست یافت که هم کاربردهای نظامی و غیر نظامی داشته باشد و هم امکان علمی تولید اقتصادی نیرو با ICF را محرز کند.
برای حصول به بهره زیاد با انرژی محرک ۵ تا MJ10، شرایط لازم برای تراکم سریع کپسول محدود است. چند میلی‌گرم سوخت DT باید تا چگالی حدود ۳cm/g200 متراکم شود و حاصلضرب چگالی – شعاع (پارامتری شبیه پارامتر محصورسازی nτ در گداخت با محصورسازی مغناطیسی) در حدود ۳cm/g3 است. احتراق گرما هسته‌ای باید در دمای زیاد (۳-keV5) در نقطه سوزان مرکزی (که چند درصد حجم سوخت را تشکیل می‌دهد) آغاز شود؛ ذرات آلفای تولید شده انرژی خود را به طور موضعی از دست می‌دهند و سبب سوختن در قسمت اصلی و متراکم سوخت که این نقطه را احاطه کرده است، می‌شوند. سرعت تراکم سریع کپسول کروی باید به دقت ۱% یکنواخت باشد تا یک تراکم متقارن ایجاد کند، و سهم ناپایداری شاره‌ای سربه‌سر ذوب کننده به حداقل برسد. برای حصول به کمترن انرژی محرک، پیوند محرک – هدف باید بسیار مؤثر و پیش‌گرمایی سوخت، کم باشد. پیش‌گرمایی حاصل از ضربه‌های اولیه، پرتوهایx و الکترون‌های داغ باید به حداقل رسانده شود تا سوخت در طول تراکم سرد بماند. ترکیب ناپایداری شاره‌ای و مسائل مربوط به پیشگرمایی ایجاب می‌کنند که شکل دادن به تپ محرک به تدریج صورت گیرد.
دو روش اصلی برای تراکم سریع ساچمه‌های JCF وجود دارد؛ رانش مستقیم و رانش غیر مستقیم. در رانش مستقیم، انرژی محرک، مستقیماً بر ساچمه سوخت متمرکز می‌شود و نواحی خارجی آن را ذوب و تبخیر می‌کند و این امر سبب تراکم سریع میشود. در رانش غیر مستقیم انرژی محرک به شاری از پرتوهای x نرم تبدیل می‌شود که آن هم تراکم سریع کپسول سوخت را موجب می‌شود.
از انگیزه‌های پژوهش JCF در سراسر جهان یکی به فیزیک برهم‌کنش لیزر پلاسما مربوط می‌شود، که عبارت از جذب انتقال و افراز انرژی و تبدیل انرژی محرک به پرتو x است. به خصوص در زمینه فهم رابطه مقیاس این فرایندها با اندازه پلاسماهایی که با هدف‌های پر بهره ICF متناظر است. پیشرفت‌هایی حاصل شده است. شرایط و روش‌های لازم برای ایجاد تراکم‌های سریع متقارنی که با رشد ناپایداری‌های دینامیکی شاره، به شدت نفرساید نیز از حوزه‌های اصلی مطالعه است. برای اندازه‌گیری دقیق چگالی و دمایی که در سوخت متراکم شده تحقق می‌یابد، تکنیک‌های تشخیصی (دیاگنوستیکی) تعبیه شده است.
دستگاه لیزر شیشه – نئودیمیوم Nova از رده TW100، با انرژی kJ100 در آزمایشگاه ملی لاورنس – لیورمور آماده انجام آزمایش‌هایی با نور (فرکانس تبدیل یافته) به طول موج‌های ۵۳ر۰ و μm35ر۰ در اتاقک‌های دوهدفی است. این دستگاه امکان بسط آزمایش‌های مربوط به برهم‌کنش لیزر موج کوتاه با هدف و آزمایش‌های تراکم سریع را به مقیاس‌هایی فراهم آورده است که با هدف‌های پر بهره نهایی بیشتر مناسبت دارد. نتایج اخیر مربوط به برهم‌کنش اساسی لیزر ۰ هدف شامل تعیین کارایی تبدیل پرتو x برحسب شدت لیزر است.
Nova با رانش مستقیم در حباب‌های ریز شیشه‌ای پر از DT بازده گداخت بی سابقه ۱۰۱۳ نوترون را برای ICF (متناظر با بهره گداخت ۱۸ر۰%) فراهم آورده است. منظور از این هدف‌ها این است که به عنوان چشمه‌های نوترون MeV14 برای کارهای تشخیصی نوترونی به کار گرفته شوند.
نتایج اولین تراکم سریع با رانش غیرمستقیم (پرتو x) که در Nova انجام شده با مقادیر محاسبه شده کمیت چگالی – زمان در گستره چگالی ۳cm/s1014×۳-۵ر۱ در دمای یونی اندازه‌گیری شده keV7ر۱ – ۵ر۱، توافق دارد. برای به دست آوردن این نتیجه، KJ18 نور، به طول موج μm35ر۰ به کار رفته است. نتیجه هر دو آزمایش، با شبیه سازی‌های کامپیوتری قبل از آزمایش، کاملاً سازگار است. انتظار می‌رود که در آینده با استفاده از ظرفیت کامل Nova (تپ‌های ۵۰ تا KJ80، μm35ر۰، ۵ر۱ تا ns3) و هدف‌های بهینه شده، بهبود قابل ملاحظه‌ای در کیفیت کار هدف حاصل شود.
بررسی جامع برنامه ICF ایالات متحده را یک کمیته بررسی فنی زیر نظر آکادمی ملی علوم انجام داده است. کمیته بررسی قبلی هدف‌های تحقیقاتی زیر را برای پیشرفت ICF، مهم شمرده بود؛ (۱) ضرورت استفاده از لیزرهایی با طول موج کوتاه‌تر؛ (۲) یک برنامه آزمایشگاهی جدی، برای پی بردن به مسائل مربوط به پیوند انرژی لیزری به کپسول؛ (۳) اجرای مجددانه برنامه‌ای برای بررسی مشخصات طرح هدف‌های کارای ICF و توجه بیشتر به ساختن هدف؛ (۴) پژوهش در زمینه محرک‌های یونی، کمیته فعلی، ضمن بررسی متوجه شد که پیشرفتی قابل ملاحظه در زمینه پیشنهادهای فوق صورت گرفته است.
مطالب زیر گزیده‌هایی از خلاصه گزارش نهایی است: از زمان بررسی تاکنون روشن شده است که تعداد زیاد الکترون‌های داغی که توسط تابش لیزر ۲CO موج بلند μm10، تولید می‌شود هدف‌ها را بیش از آن گرم می‌کنند که تراکم‌های سریع پر بهره حاصل شود. به همین دلیل به کار لیزر ۲CO در آزمایشگاه ملی لوس آلاموس (LANL) پایان داده شده است.
آزمایش‌هایی که در دانشگاه راچستر (UR) و آزمایشگاه ملی لاورنس لیورمور (LLNL) با استفاده از تابش لیزر شیشه – نئودیمیوم دوبرابر (μm53ر۰)، سه برابر (μm25ر۰) انجام شده‌اند مؤید آن بوده‌اند که پیوند با هدف در طول موج‌های کوتاه‌تر بهبود پیدا می‌کنند. حال دیگر می‌توان گفت که با توجه به سازگاری پیش بینی‌ها و مشاهدات فیزیک پلاسمای جذب اصلاح شده را درک کرده‌ایم.
لیزر نوا تکمیل شده است و می‌تواند KJ60 تابش با طول موج μm0ر۱ و KJ25 تابش با طول موج μm35ر۰ تولید کند. یک لیزر KrF که مستقیماً KJ10 تابش با طول موج μm25ر۰ تولید می‌کند در لوس آلاموس ساخته شده است. برای کوتاه کردن طول تپ طبیعی KrF از ns500 به چند ns که برای رانش هدف لازم است، باید تکنیک‌هایی تعبیه شود. یک روش امیدبخش و جدید برای کاهش ناپایداری‌های پلاسما و بهبود ناهمدوسی فضایی القایی (ISI) ناشی از تقارن که با لیزرهای باند پهن به کار می‌رود، در آزمایشگاه پژوهشی نیروی دریایی (NRL) به نتیجه رسیده است. لیزر ۲۴ باریکه‌ای اومگا در UR تکمیل شده است و در آینده نزدیک در دستگاه اصلی رانش مستقیم ایالات متحده امریکا به کار گرفته خواهد شد. شرکت فیوژن، تنها مؤسسه خصوصی که در برنامه ICF دخالت دارد در کار ساخت هدف و روش‌های تحقیق فیزیک پلاسمای هدف‌ها پژوهش‌های مهمی انجام داده و می‌دهد.
شتاب‌دهنده یون سبک PBFAII آزمایشگاه ملی سندیا (SNL) بالقوه می‌تواند ۱ تا ۲ مگاژول در مدت ns10 انرژی به هدف بدهد. ساختمان اصلی این دستگاه تکمیل شده است و آزمایش‌های اولیه سیستم الکتریکی آن در حال انجام است. متمرکز کردن یک باریکه یونی بر روی هدفی با شکل تپ مناسب، مستلزم کار خیلی زیادتری است. اگر چه کمیته NAS شتاب دهنده یون‌های سنگین را برای ICF در نظر نگرفته است، آزمایش‌ها و بررسی‌های اخیر نشان می‌دهد که احتمالاً می‌توان جریان‌های باریکه‌ای بزرگ‌تری را نسبت به آنچه قبلاً تصور می‌رفت، انتقال داد و کانونی کرد. این مطلب امکان ساخت یک محرک یون سنگین را در گستره ۵ تا ۱۰ مگاژول با نخارجی کمتر از آنچه قبلاً گمان می‌شد، به طور قابل ملاحظه‌ای افزایش داده است. چشم انداز موفقیت نهایی ICF هرگز روشن‌تر از این نبوده است.

 



لینک منبع

اشتراک گذاری مطلب

انتشار مطالب با ذکر منبع مجاز می باشد.