شرايط گذار به اشتعال غيرتعادلي در افروزش حجمي هدف‌هاي كروي ساده

The requirements of transition to non-equilibrium burn in volume ignition of simple spherical targets

در اين پژوهش، شرايط گذار از افروزش تعادلي به اشتعال غيرتعادلي به ازاي ساچمه ­­هاي سوخت كروي ساده به ابعاد چند mm، متشكل از لايه سوخت داخلي DT و لايه خارجي طلا، راه اندازي شده با باريكه يون سنگين Bi209 با استفاده از كد شبيه‌سازي DEIRA4 مورد مطالعه قرار گرفت. ساچمه­ هاي سوخت مفروض به دليل افزايش كدري پلاسما، قادر به گيراندازي ذرات باردار، تابش و حتي كسري از انرژي نوترون­ هاي سريع ‌هستند. بدين ترتيب، سوخت مي ­تواند در چارچوب رهيافت افروزش حجمي و دماي خود- افروزشي پايين ­تري در حدود keV 2-1 افروخته شود. به منظور كاهش زمان محصورسازي و انرژي راه انداز، افروزش تعادلي بايد به اشتعال غيرتعادلي گسترش يابد. در اين راستا، تحولات سازوكارهاي گرمايشي، اتلافي پلاسما و رقابت ميان آنها براي رسيدن به شرايط گذار به اشتعال غيرتعادلي در چنين هدف ­­هايي مورد بررسي قرار گرفت. در اين محاسبات، تأثير سهم انفرادي و تجمعي تمامي عوامل فيزيكي گرمايشي چون سهم ذرات آلفاي حاصل از گداخت DT، گرمايش نوتروني به ازاي تقريب اولين پراكندگي و واكنش­ هاي گداخت ثانويه در مقياس بازه زماني افروزش و اشتعال سوخت DT در نظر گرفته شده است. بر اين اساس، نشان داده شد كه نقش واكنش­هاي ثانويه­اي چون DD، He3D و همچنين سهم نهشت انرژي نوترون­ هاي MeV 06/14 و MeV 45/2 به ازاي تقريب اولين پراكندگي، بر كاهش دماي گذار به اشتعال غيرتعادلي اثر مي­گذارد. دماي گذار به اشتعال غيرتعادلي در ساچمه سوخت ساده با در نظر گرفتن سهم نهشت انرژي نوترون­ ها نسبت به اشتعال غيرتعادلي آرماني keV 6/3 به مقدار كمتري برابر با keV 24/3 كاهش مي­ يابد و به نوبه خود كوچك‌تر از دماي افروزش آرماني keV 3/4 طرح افروزش لكه داغ است. به جهت بررسي تأثير پارامترهاي راه ­انداز در شرايط گذار، محاسبات به ازاي پيكربندي­ هاي مختلف ساچمه سوخت كروي ساده انجام شد و مشخص ‌شد كه كاهش چند برابري در مدت زمان تابش دهي باريكه و افزايش چند برابري در توان ورودي، منجر به كاهش دماي گذار در اين نوع از ساچمه ­ها مي­ شود.

In this Research, the transition from equilibrium ignition to non-equilibrium burn was studied by DEIRA4 code for simple spherical targets with the dimensions of several mm. It consisted of inner DT fuel and outer Au layers driven by the 209Bi heavy ions beam. Because of their higher plasma opacity, it was expected that they could trap much of the produced charged particles, radiation or even fast neutrons. Therefore, fuel ignited in the volume ignition regime with the low ignition temperatures of 1-2 keV. In order to decrease the confinement time and, the driver energy, the equilibrium ignition must be developed into a non-equilibrium burn phase. To get a non-equilibrium burning stage, we have examined all the important gains and losses processes, as well as competition among them. In these calculations, the individual and total contributions of all physical heating processes such as the contribution of alpha particles generated by DT fusion, neutron heating due to the first elastic scattering and the secondary fusion reactions have been considered at the ignition and burn time scale of DT fuel. It has been shown that the role of secondary DD and D3He fusion reactions as well as the first elastic scattering contribution in the energy deposition of fast 2.45 and 14.06 MeV neutrons cannot be forgotten. Transition temperature to the non-equilibrium burn phase in these targets was reduced to 3.24 keV, as compared to the ideal non-equilibrium transition temperature of 3.6 keV; it was much lower than the ideal ignition temperature of 4.3 keV. In order to investigate the effects of the driver parameters on the transition conditions, calculations were done for various configurations of simple spherical targets, showing that multiplier reduction in the pulse duration and multiplier increase in the beam power could reduce transition temperature and in such targets.