فیزیک پزشکی، مهندسی هسته ای و رادیولوژی

فیزیک پزشکی، مهندسی هسته ای و رادیولوژی

راکتورهای کوچک پیشرفته بدون سوخت گیری در محل

پیشرفت در توسعه فناوری انرژی هسته ای

فرآیندهای اساسی در پلاسمای یونیزه کامل و جزئی

محفظه ها، ظروف جاروبرقی، پتوها و سپرها

پرتوها و منابع ذرات باردار

علم هسته ای ماده متراکم

سیستم‌های تشخیص، جمع‌آوری داده و کنترل پلاسما

انحراف دهنده ها و برهمکنش های مواد پلاسما

الکترومغناطیسی و الکترومکانیک

سیاست انرژی

اثرات زیست محیطی نیروگاه هسته ای

هزینه های خارجی در نیروگاه هسته ای

مهندسی دستگاه فیوژن

گرمایش جهانی، کاهش دی اکسید کربن یک چالش اقلیمی

گرمایش و درایو جریان

پلاسماهای با چگالی انرژی بالا و برهمکنش آنها

مدیریت HSE در بهره برداری از نیروگاه هسته ای

درایورهای IFE، اهداف و فناوری های مرتبط

کاربردهای صنعتی، تجاری و پزشکی پلاسما

سیستم های انرژی نوآورانه، سیستم انرژی هیدروژنی، سیستم تولید همزمان، سیستم استفاده از انرژی حرارتی

سیستم های نوآورانه انرژی هسته ای، سیستم های بهره برداری هسته ای مبتنی بر چرخه سوخت، راه حل همزمان برای ایمنی، زباله های رادیواکتیو و مشکلات تکثیر

جداسازی نوآورانه و چرخه سوخت / زباله های رادیواکتیو

سیستم های تبدیل نوآورانه

تعهد بین المللی در مورد جنبه های زیست محیطی نیروگاه های هسته ای

ITER و دستگاه های آزمایشی

مهندسی آهنربا

مواد و فرآیند برای سیستم های انرژی نوآورانه

مونتاژ، ساخت و نگهداری مواد

تولید مایکروویو و تعامل پلاسما

نیاز به انرژی هسته ای؛ منبع جایگزین انرژی

طراحی دستگاه جدید و مطالعات راکتور

علوم هسته ای و پلاسما

داده های هسته ای برای علم و فناوری

آموزش هسته ای

مسائل مربوط به عدم اشاعه هسته ای

نیروگاه هسته ای و بازار جهانی انرژی

زباله های هسته ای و سرنوشت آن در برنامه ریزی برای توسعه نیروگاه های هسته ای

برنامه ریزی برای انرژی هسته ای

تشخیص پلاسما

سیستم های سوخت رسانی، پمپاژ و جابجایی تریتیوم پلاسما

سیستم های قدرت

توان پالس و سایر کاربردهای پلاسما

مهندسی رادیولوژی

فیزیک تابشی

فناوری های پخش اینترنتی رسانه های غنی برای نیروگاه های هسته ای

نقش سازمان بین المللی در حفاظت از محیط زیست، استفاده ایمن از انرژی هسته ای و آگاهی عمومی

مهندسی ایمنی و محیط زیست

ایمنی و امنیت در توسعه نیروگاه های هسته ای

توسعه پایدار و انرژی هسته ای

تأثیر ساخت هدف بر آزمایش‌های فیزیک با چگالی بالا

فیزیک هسته ای نظری و محاسباتی

هدایت حرارتی کاوشگر لیزری در خوشه‌های کهکشانی

سمت چپ: عکس هدف دینام متلاطم مستقر در تأسیسات احتراق ملی (NIF). هدف آزمایشی شامل دو فویل و یک جفت شبکه است که توسط سپرهای استوانه‌ای در کنار هم نگه داشته می‌شوند. هر هدف تقریباً به اندازه یک پنی است. سمت راست: تصویر پرتو ایکس از پلاسمای آشفته تولید شده در آزمایش‌ها، که در 28 ns پس از شلیک لیزر گرفته شده است. پلاسمای داغ پرتوهای ایکس نرمی ساطع می‌کند که محققان را قادر می‌سازد ویژگی‌های جریان آشفته را مشخص کنند و نوسانات دمای الکترون را که سرکوب شدید انتقال گرما را آشکار می‌کند، اندازه‌گیری کنند.

پلاسمای داغ، متلاطم و ضعیف، خوشه‌های کهکشانی غول‌پیکری را پر می‌کند که در مناطق بزرگی از کیهان امتداد دارند، اما دانشمندان هنوز نمی‌دانند چنین مناطقی چگونه گرمای خود را حفظ می‌کنند. یک تیم بین المللی از محققان بخشی از قدرتمندترین تاسیسات لیزری جهان را برای بازسازی شرایط شدید درون این خوشه ها به کار گرفتند.

با تولید یک میدان پلاسمایی کوچک اما متلاطم در مرکز مرکز احتراق ملی (NIF)، ایالات متحده، دانشمندان دریافتند که انتقال گرما در داخل پلاسما بسیار کمتر از حد انتظار است (Sci. Adv., doi: 10.1126/sciadv.abj6799) . محققان کشف کردند که الکترون‌های درون پلاسما در امتداد خطوط میدان مغناطیسی درهم‌پیچیده به جای برخورد با یکدیگر حرکت می‌کنند، بنابراین گرما بدون فرار باقی می‌ماند.

کاوش در شرایط اخترفیزیکی

بر اساس وب سایت آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور که NIF را در خود جای داده است، اگرچه اشتعال همجوشی هیدروژنی هدف اصلی NIF است، اخترفیزیکدانان همچنین می توانند با سیستم لیزر زمان آزمایشی برای کشف فیزیک پلاسماهای موجود در ستاره ها و سایر اجرام نجومی داشته باشند.

NIF دارای 192 لیزر شیشه ای فسفات قدرتمند است که با شلیک با هم، تا 2 مگا ژول انرژی متمرکز روی یک هدف کوچک تولید می کنند. با این حال، به گفته جیانلوکا گرگوری، محقق اصلی آزمایش خوشه کهکشانی، ماکت پلاسما تنها به کمی بیش از نیمی از زرادخانه لیزر NIF نیاز داشت. گرگوری، استاد فیزیک توضیح می‌دهد: «NIF برای استفاده از تمام 192 پرتو برای آزمایش‌های همجوشی طراحی شده است - اما آزمایش ما از جهت‌گیری هدف متفاوتی استفاده می‌کند و بنابراین همه پرتوها دید واضحی از فویل‌ها (یا کپسولی) ندارند که می‌خواهیم آنها را روشن کنیم. در دانشگاه آکسفورد انگلستان

دستگاهی که عمل پلاسما در آن انجام شد شامل دو دیسک نازک بود که توسط دو شبکه پلاستیکی و یک کپسول پر از گاز متصل شده بودند. محققان این دو دیسک را با 96 پرتو لیزر 351 نانومتری با فرکانس سه برابری منفجر کردند. شبکه‌ها با سیم‌های 300 میکرومتری با فاصله 300 میکرومتر از هم، آشفتگی را در داخل کپسول ایجاد کردند.

پس از پر کردن کپسول با مخلوطی از گازهای دوتریوم و هلیوم-3، دانشمندان با 60 پرتو لیزری با فرکانس سه برابری به آن برخورد کردند که حدود 43 کیلوژول را تنها در 900 ps ارسال می کرد. چهار پرتوی لیزر دیگر به عنوان یک کاوشگر پراکنده نوری تامسون برای اندازه‌گیری چگالی الکترون متوسط ​​در پلاسمای ایجاد شده به طور مختصر عمل کردند. (در برخی از آزمایش‌های آزمایشی، تیم آن کاوشگر را با یک سیستم پراکنده برگشتی جایگزین کرد که نور منعکس شده از آن چهار پرتو را اندازه‌گیری کرد تا سرعت آشفته در پلاسما را کمی‌سازی کند.)

گرگوری می‌گوید: اگرچه محققان قبلاً از تأسیسات لیزر OMEGA در دانشگاه روچستر ایالات متحده استفاده کرده بودند، گرگوری می‌گوید که این گروه به انرژی مورد نیاز NIF برای تولید سرعت‌های الکترونی بزرگ که منجر به تلاطم شدید و میدان‌های مغناطیسی در پلاسما می‌شود، نیاز داشتند. دانشمندان از FLASH، یک بسته محاسباتی از روچستر، برای طراحی پیکربندی آزمایشی و تفسیر نتایج استفاده کردند.

با وجود تفاوت‌های بزرگ در مقیاس بین یک خوشه کهکشانی و یک کپسول با قطر 860 میکرومتر، گرگوری مطمئن است که میکروفیزیک هر دو مشابه است. او می‌گوید: «عامل مهم در اینجا، نسبت مسیر آزاد میانگین برخورد به شعاع لارمور است. اولی فاصله بین دو برخورد است و دومی مدار دایره ای است که یک الکترون به دور یک خط میدان مغناطیسی می کند.

گرگوری می‌گوید در هر دو خوشه کهکشانی و در مرکز NIF، این نسبت بزرگ است - به این معنی که الکترون‌ها در اطراف خطوط میدان حرکت می‌کنند و با هم برخورد نمی‌کنند. از آنجایی که الکترون ها با هم برخورد نمی کنند، گرما را نیز به خوبی هدایت نمی کنند.

شبیه سازی های چند ماهه

به گفته گرگوری، تیم از زمان افتتاح NIF در سال 2010 روی این آزمایش‌ها کار کرده است. تیم گرگوری به دنبال زمان NIF بیشتری است تا بفهمد ذرات پرانرژی مانند پرتوهای کیهانی چگونه در پلاسمای داغ و پراکنده عمل می کنند.

این تیم شامل دانشمندانی از دانشگاه های شیکاگو، روچستر، پرینستون و استنفورد، ایالات متحده است. آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور؛ و از بریتانیا، فرانسه، آلمان و جمهوری کره.

لیزر مگاژول

لیزر مگاژول (LMJ) یک دستگاه تحقیقاتی همجوشی محصور کننده اینرسی مبتنی بر لیزر (ICF) بزرگ در نزدیکی بوردو فرانسه است که توسط اداره علوم هسته‌ای فرانسه، Commissariat à l'Énergie Atomique (CEA) ساخته شده است.

Laser Mégajoule قصد دارد بیش از 1 مگا ژول انرژی لیزر را به اهداف خود برساند و آنها را تا حدود 100 برابر چگالی سرب فشرده کند. انرژی آن تقریباً نصف همتای آمریکایی خود، تأسیسات احتراق ملی (NIF) است. لیزر مگاژول بزرگترین آزمایش ICF در خارج از ایالات متحده است.

وظیفه اصلی Laser Mégajoule پالایش محاسبات همجوشی برای تسلیحات هسته ای خود فرانسه خواهد بود.[1] بخشی از زمان سیستم به آزمایشات علم مواد اختصاص داده می شود.[2]

ساخت LMJ 15 سال طول کشید و 3 میلیارد یورو هزینه داشت.[3] در 23 اکتبر 2014، زمانی که اولین مجموعه آزمایشات مربوط به سلاح هسته ای را انجام داد، عملیاتی شد.

همجوشی محصور شدن اینرسی با استفاده از لیزر

شماتیک مراحل همجوشی محصور شدن اینرسی با استفاده از لیزر. فلش های آبی نشان دهنده تابش هستند. نارنجی دمنده است. بنفش انرژی حرارتی را به داخل منتقل می کند.

پرتوهای لیزر یا اشعه ایکس تولید شده توسط لیزر به سرعت سطح هدف همجوشی را گرم می کنند و یک پوشش پلاسمایی اطراف را تشکیل می دهند.

سوخت توسط دمیدن موشک مانند مواد سطح داغ فشرده می شود.

در مرحله نهایی انفجار کپسول، هسته سوخت به 20 برابر چگالی سرب می رسد و در 100000000 درجه سانتیگراد مشتعل می شود.

سوختگی هسته ای به سرعت از طریق سوخت فشرده پخش می شود و چندین برابر انرژی ورودی تولید می کند.

همجوشی محصور شدن اینرسی

مکانیسم اثر ICF

یکی از شرکت کنندگان PACER، جان ناکلز، شروع به بررسی این کرد که چه اتفاقی برای اندازه اولیه مورد نیاز برای شروع واکنش همجوشی با کوچک شدن اندازه ثانویه افتاد. او کشف کرد که وقتی ثانویه به اندازه میلی گرم می رسد، مقدار انرژی مورد نیاز برای جرقه زدن آن به محدوده مگاژول می رسد. زیر این جرم، سوخت پس از فشرده سازی به قدری کوچک شد که آلفاها فرار می کردند.

یک مگاژول حتی از کوچکترین محرک های شکافت که در محدوده تراژول قرار داشتند بسیار کمتر بود. این سوال مطرح شد که آیا روش دیگری می تواند آن مگاژول ها را تحویل دهد یا خیر. این منجر به ایده "راننده" شد، دستگاهی که انرژی سوخت را از فاصله دور ارسال می کند. به این ترتیب انفجار همجوشی حاصل به آن آسیبی نمی رساند، به طوری که می توان آن را به طور مکرر مورد استفاده قرار داد.

در اواسط دهه 1960، به نظر می رسید که لیزر می تواند برای تامین انرژی مورد نیاز تکامل یابد. به طور کلی، سیستم‌های ICF از یک لیزر منفرد استفاده می‌کنند که پرتو آن به چندین پرتو تقسیم می‌شود که متعاقباً یک تریلیون بار یا بیشتر به صورت جداگانه تقویت می‌شوند. اینها توسط آینه هایی که به منظور روشن شدن یکنواخت هدف در تمام سطح آن قرار گرفته اند به داخل محفظه واکنش به نام محفظه هدف فرستاده می شوند. گرمای اعمال شده توسط راننده باعث می شود که لایه بیرونی هدف منفجر شود، درست مانند لایه های بیرونی سیلندر سوخت یک بمب H در هنگام روشن شدن توسط اشعه ایکس دستگاه شکافت. سرعت انفجار در حدود 108 متر بر ثانیه است.[4]

موادی که از سطح منفجر می‌شوند باعث می‌شوند که مواد باقی‌مانده در داخل به سمت داخل رانده شوند و در نهایت به شکل یک توپ کوچک تقریباً کروی فرو بریزند.[5] در دستگاه‌های مدرن ICF، چگالی مخلوط سوخت حاصل هزار برابر چگالی آب یا صد برابر چگالی سرب، حدود 1000 گرم بر سانتی‌متر مکعب است. این چگالی آنقدر زیاد نیست که به تنهایی همجوشی مفیدی ایجاد کند. با این حال، در هنگام فروپاشی سوخت، امواج ضربه ای نیز تشکیل شده و با سرعت زیاد به مرکز سوخت می روند. هنگامی که آنها با همتایان خود روبرو می شوند که از طرف دیگر سوخت در مرکز حرکت می کنند، چگالی آن نقطه افزایش می یابد.

با توجه به شرایط صحیح، سرعت همجوشی در ناحیه ای که به شدت توسط موج ضربه ای فشرده شده است، می تواند مقادیر قابل توجهی از ذرات آلفای بسیار پرانرژی را ایجاد کند. به دلیل چگالی بالای سوخت اطراف، آنها فقط یک فاصله کوتاه قبل از "گرما شدن" حرکت می کنند و انرژی خود را به عنوان گرما به سوخت از دست می دهند. این انرژی اضافی باعث واکنش های اضافی می شود و ذرات پرانرژی بیشتری تولید می کند. این فرآیند از مرکز به بیرون گسترش می یابد و منجر به نوعی سوختگی خودپایه می شود که به عنوان احتراق شناخته می شود.

همجوشی محصور کننده اینرسی (ICF)

تصویری از دو طرح همجوشی محصور کننده اینرسی (ICF) که به رژیم پلاسمای سوزان می رسند. سمت چپ: سیلندر HYBRID-E به طور مؤثری از انتقال انرژی پرتو متقاطع (CBET) برای کنترل تقارن انفجار استفاده کرد زیرا کپسول حاوی سوخت همجوشی نسبت به اندازه حفره تشعشع یا hohlraum بزرگتر شد. سمت راست: hohlraum شکل I-Raum «جیب‌هایی» را اضافه می‌کند تا دیوار (و موادی که مانع انتشار پرتو لیزر می‌شود) را از کپسول دور کند و تقارن انفجار را از طریق ترکیبی از هندسه و CBET کنترل کند.