ملخص عن البادئء الاساسية للبلازما والمفاعلات الاندماجية
-6 أمكانية المفاعل الاندماجي :
لقد توضحت في الأجزاء السابقة بعض مشاكل فيزياء وهندسة البلازما ولكن لا تزال هناك متطلبات أكثر شمولية يجب توفرها قبل أن يكون مفاعلاً نووياً حرارياً ناجحاً ممكناً . وفيما يلي بعض المتطلبات :
الشكل (5-10 )
صورة لتفريغ محصور ( بسماح من مختبر لوس الآموس العلمي )
|
(i) كثافة القدرة : أن رسم كثافة القدرة مقابل الكثافة الجزيئية لتفاعلين ممكنين موضح في الشكل(5-10) . أن الحد الأعلى لكثافة القدرة تحدد بالوسائل الهندسية بحوالي (100 MW / m3) حيث تبين الأشكال أن الكثافات الجزئية المطلوبة تكون من الرتبة (10-4-10-5) من كثافات الغاز الجوي الاعتيادي فقط . وهذا يبين أن البلازما الحقيقية ستكون غير كثيفة ومتوسط زمن تفاعل حوالي (1s) يكون الغاية المنشودة لزمن الاحتواء . أن محتويات الطاقة الداخلية للبلازما (U) ] الحرارة [ تعطى بالعلاقة :
(5-10) حيث n = الكثافة الجزئية
K= ثابت بولتزمان
T = درجة حرارة بوحدات oK
الشكل (5-11 )
كثافة القدرة للتفاعلات DD ، DT .
|
ولذلك فأن دفق الطاقة الحقيقي لبلازما ملائمة لا يكون كبيراً جداً ، وليس هناك خطر حقيقي من أن تتبخر جدران الوعاء .
(ii) موازنة القدرة : يمكن أن تكون هناك قدرة متوفرة فقط عندما تكون القدرة الكهربائية المتولدة بالتفاعلات النووية أكبر من كل القدرة المطلوبة لتحفظ البلازما فوق شرطها الحرج . مثلاً توليد المجال المغناطيسي يتطلب كمية كبيرة من القدرة للتغلب على مقاومة لفات الملف ولمجالات حوالي (10) تسلا وتشير الحسابات أنه سيكون من الضروري استعمال أنابيب قطرها عدة أمتار أما طولها فيكون عدة مرات أطول من سابقتها .
ولغرض تحقيق الطاقة الاندماجية يجب أن تكون سرعة النوى المتصادمة بسبب التأثيرات الحركية الحرارية وليس التعجيلات الكهربائية ، ولكي نكون متأكدين من أن تفاعلات نووية حرارية حقيقية تحصل فأنه يكون ضرورياً أن نبين تجريبياً أن النيوترونات المقاسة لا تكون جميعها ناتجة من ديوترونات معجلة تصطدم بذرات مستقرة .
أن عدد ترتيبات تجريبية قد تغلب على بعض الصعوبات المذكورة سابقاً ولكن بمقياس صغير . وأن الأجهزة المسماة زيتا (Zeta) وسكبتر ( Sceptr) في المملكة المتحدة وبيرهابسترون (Perhapsatron) وستللاراتور ( Stellarator) في الولايات المتحدة الأمريكية تمثل مشاريع من هذه الطبيعة . ولكن في الوقت الحاضر لا توجد هناك طريقة ممكنة لاستخلاص الطاقة الاندماجية بصورة مفيدة وسوف تمر علينا عدة سنوات قبل أن يصبح المفاعل الاندماجي حقيقة . إلا انه سوف يكون ، ولذلك فأن إمكانية استخلاص الطاقة الكهربائية مباشرة من البلازما الموصلة ، أي بدون أن نستخدم المولد – التوربيني الاعتيادي ، هي إمكانية تجعل البحث عن تفاعلات نووية حرارية مسيطراً عليها . اهتماماً رئيسياً . لقد حفز هذا الهدف البحوث في حقل جديد متكامل في الفيزياء الذي يكون الآن ديناميك البلازما المغناطيسي ، وبالحقيقة ، تم عقد عدة ندوات حديثاً في الولايات المتحدة وفي أوربا الغربية أيضا حول هذا الموضوع المتميز ليشير إلى أهميته التكنولوجية في مضمار بحثنا عن طاقة أوفر .
مسائل
( المسائل المؤشرة بنجمة قد تم حلها بصورة كاملة في نهاية الفصل )
*1-5 قدر حجم الماء في البحيرات الكبرى وأحسب كمية الطاقة المتحررة إذا استعملت جميع الذرات الديوتيريوم الموجودة في الماء في تفاعلات اندماجية ؟
الجواب : (1.6 )
2-5 أكتب كشفاً لشرح بيئة لتجهيزات الحرارة والطاقة غير المحدودة ظاهرياً في النجوم الساخنة.
* 3-5 جهاز نووي حراري يتكون من حلقة مرساة قطرها (3m) وأنبوب قطره (1m) يحتوي على غاز ديوتيريوم تحت ضغط (10-2 mmHg) ودرجة حرارة الغرفة (20oc) ، فإذا أفرغت الشحنة المخزونة من المكثفات التي سعتها (1200 ) خلال الانبوب عند جهد مقداره(40 kv) ، وإذا تحولت 10% فقط من الطاقة الكهربائية إلى طاقة حركية للبلازما ، فما درجة الحرارة المتحققة ؟ أفرض أن الطاقة مشتركة بالتساوي بين الديوترونات ولالكترونات في البلازما.
الجواب : ( 4.75 )
4-5-ناقش معنى المصطلحات ( درجات الحرارة الالكترونية ) و ( درجات الحرارة الديوترونية ) كما مطبقة على البلازما الساخنة .
6-5أكتب كشفاً عن الصعوبات الرئيسة في تصميم المفاعل النووي الحراري القادر على إعطاء قدرة مفيدة .
بأي الأدلة التجريبية سوف يحاكم التفاعل النووي الحراري لكي يحصل ؟
7-5 أحسب معدل فقدان كتلة الشمس كنتيجة لانبعاث طاقتها المشعة ؟
8-5كم هي كمية وقود السيارة ( الكازولين – البترول ) اللازمة لتجهيز نفس الطاقة التي نحصل عليها من لتر واحد من الماء المستعمل في مفاعل نووي حراري ؟ علماً بأن القيمة الحرارية للبترول هي (10 kwh per kg) افرض أن السيارة قد استعملت لقطع مسافة 16,000 كيلومتر في السنة . وأن استهلاك الوقود (10 km / Liter) ، ما المدة التي تدوم بها هذه الكمية من البترول ؟
9-5ما درجة الحرارة المكافئة إلى 40 kev ديوترونات مستعملة في تفاعل نووي حراري ؟
10-5 في المسألة (3-5) ، إذا كانت الكثافة الديوترونية (1022 / m3) ، و هو (10-23 m3 / S)، أحسب كثافة القدرة الناتجة عن التفاعلات الرئيسة .
حلول المسائل
5-1 إن مساحة البحيرات الكبرى هي (100,000) ميل مربع ، ومعدل العمق سيكون حوالي (40) قامة ، ولنقل حوالي (1 / 20) من الميل ، حيث يكون الحجم حوالي (5000) ميل مكعب ، وهكذا تكون كتلة الماء :
ولما كان الوزن الجزيئي للماء (18) ، فإن عدد جزيئات الماء في الكتلة أعلاه هي :
( جزيئات الماء )
أن نسبة وفرة الديوتيريوم هي (0.0156%) كي يكون العدد الكلي لذرة الديوتيريوم :
( ذرة ديوتيريوم في ماء البحيرات الكبرى )
واعتمادا على النص ، فإن اندماج ست ذرات ديوتيريوم تعطي طاقة مقدارها (43 MeV) أي (7.17 MeV) للذرة الواحدة .
فتكون الطاقة الكلية المتحررة بذلك :
وهذه الطاقة مكافئة لحوالي (109) قنبلة هيدروجينية من عيار (20) مليون طن من مادة (T.N.T) الشديدة الانفجار لكل منها .
5-3مساحة المقطع العرضي لحلقة المرساة هي :
أما المحيط فهو :
حجم حلقة المرساة :
أما الضغط فهو : 10-5mHg=
=
=1.34 newtons/m2
وباستعمال المعادلة :NKTPV=حيث أن N= العدد الكلي لجزيئات الديوتيريوم الموجودةلدينا:
أو أن ( NK) لغاز الديوتيريوم = ( 0.0338) .
وألان معدل الطاقة الحركية
وأن الطاقة المستعملة هي جول
وبما أن كل جزيئة ديوتيريونية تنتج
المادة المعروضة اعلاه هي مدخل الى المحاضرة المرفوعة بواسطة استاذ(ة) المادة . وقد تبدو لك غير متكاملة . حيث يضع استاذ المادة في بعض الاحيان فقط الجزء الاول من المحاضرة من اجل الاطلاع على ما ستقوم بتحميله لاحقا . في نظام التعليم الالكتروني نوفر هذه الخدمة لكي نبقيك على اطلاع حول محتوى الملف الذي ستقوم بتحميله .