وبلاگ

از فرایند همجوشی هسته­ای، در فصل اول به بیان روش­های مختلف همجوشی هسته­ای و سوخت‌های قابل استفاده می‌پردازیم. در فصل دوم سینتیک فرایند همجوشی دوتریوم و هلیوم 3 و پارامترهای موثر بر همجوشی تشریح شده و به بررسی پارامترهای موثر بر همجوشی پلاسمای دوتریوم و هلیوم 3 به روش محصورسازی مغناطیسی پرداخته و فرایند با پارامتر مورد نظر شبیه سازی می­گردد. در فصل چهار برخی از روش های کنترل ناپایداری در راکتور بیان شده و در ادامه نتایج حاصل از شبیه سازی به کمک پارامترهای ترمودینامیکی مربوط به سوخت دوتریوم و هلیوم 3 با نتایج بدست آمده در سایر مطالعات مقایسه می‌شود.

 

فصل اول

 

همجوشی هسته­ای

 

فصل اول-همجوشی هسته‌ای

 

1-1-واکنش‌های هسته‌ای [3]

 

تبدیلات خودبخودی یا مصنوعی بعضی از هسته‌ها به هسته دیگر که سبب تغییر ساختار هسته یا تغییر تعداد نوکلئون­ها (ذرات هسته‌ای) می‌گردد، واکنش‌های هسته‌ای نام دارند. همجوشی هسته‌ای و شکافت هسته‌ای، دو روش اصلی انجام واکنش‌های هسته‌ای می‌باشد.

 

1-2-شکافت هسته‌ای[4]

 

در واكنش شكافت، هسته‌ی سنگین یک عنصر رادیو اکتیو مانند اورانیوم یا پلوتونیوم به دو یا چند هسته با جرم متوسط تجزیه می‌شود.

 به طور مثال اورانیوم 235 مورد اصابت یک نوترون قرار می‌گیرد و هسته فوق‌العاده ناپایداری تشكیل می‌شود كه تقریبا بلافاصله می‌شكافد و كریپتون و باریم و مقدار زیادی انرژی تولید می‌شود. که ناشی از تبدیل جرم ناپدید شده (با مقایسه میان جرم سوخت‌های اولیه و محصولات واکنش) به انرژی است. این انرژی حدود 5 دهه است كه مورد استفاده قرار گرفته است اینك این نیرو همان اندازه از برق جهان را تامین می‌كند كه 40 سال پیش بوسیله تمام منابع انرژی تأمین می‌شد شكافت هسته‌ای مزایای بسیاری نسبت به سوخت‌های فسیلی دارد اما مسئله‌ی پسماندهای آن كه حاوی مواد پرتوزا با طول عمر طولانی هستند از جمله مهم‌ترین مسائل خاص در مورد استفاده از شكافت هسته‌ای می‌باشد. از سوی دیگر ذخایر اورانیوم جهان برای استفاده در راكتورهای شكافت تنها در یک سده كفایت می‌كنند.

 

موادی که انجام یک واکنش شکافت هسته‌ای را ممکن می‌سازند عبارتند از: 239Pu ، 235U ، 238U ، و ایزوتوپ 233U ، 235U بطور مصنوعی در راکتورهای هسته‌ای با تاباندن نوترون به 233Th بوجود می‌آید.

 

در اثر برخورد نوترون حرارتی به ایزوتوپ235U ، هسته اتم به 235U تحریک شده تبدیل می‌شود. اورانیوم تحریک شده بعد از شکافت، به باریم و کریپتون و سه نوترون تبدیل می‌گردد [5].

 

1n + 235U → 236U → 144Ba+89Kr + 3 1n

 

اما مسئله مهم­تر اینکه هر نوترون‌ آزاد شده بر اثر شکافتن هسته 235U می‌تواند دو هسته دیگر را شکافته و چهار نوترون را بوجود آورد. شکافت هسته‌ای و آزاد شدن نوترون‌ها بصورت زنجیروار به سرعت تکثیر و توسعه می‌یابد. در هر دوره تعداد نوترون‌ها دو برابر می‌شود. در واکنش‌های کنترل شده تعداد شکافت در واحد زمان و نیز مقدار انرژی به تدریج افزایش یافته و پس از رسیدن به مقداری دلخواه ثابت نگه‌داشته می‌شود. برای دستیابی به فرایند شکافت کنترل شده و یا متوقف کردن یک سیستم شکافت پس از شروع، لازم است که موادی قابل دسترس باشند که بتوانند نوترون‌های اضافی را جذب کنند. مواد جاذب نوترون بر خلاف مواد دیگر مورد استفاده در محیط راکتور باید سطح مقطع جذب بالایی نسبت به نوترون داشته باشند. مواد زیادی وجود دارند که سطح مقطع جذب آنها نسبت به نوترون بالاست. زمانی که هسته اتمی 235U به دو قسمت شکافته می‌شود تولید عناصر استرتیوم 90، کریپتون 91، ایتریوم 91، زیرکونیوم 95، 126I ، 137U ، باریم 142، سریم 144 امکان پذیر هستند.

مطالعه بر روی خواص هندسی سطوح در حال رشد یکی از مهم ترین دغدغه های فیزیک آماری غیرتعادلی محسوب می شود. این موضوع نه تنها به دلیل چالش برای فیزیکدانان نظری به منظور مدل کردن فرایند رشد سطح، بلکه از لحاظ تجربی به منظور شکل دهی به سطوح از اهمیت ویژه ای برخوردار است. امروزه زبری سطوح  در بسیاری از فناوری های نوین مورد توجه وسیعی قرار گرفته است. زبری سطح اثر بسیار مهمی در بسیاری از پدیده های فیزیکی همچون چسبندگی ،اصطکاک ،آبدوستی ،آب گریزی و خودتمیزکنندگی سطوح دارد. با توجه به اهمیت نانوتکنولوژی، لایه های نازک از دو ویژگی مهم برخوردار هستند. اولین ویژگی، ضخامت زیرمیکرونی این لایه ها است که به دلیل محدودیت کوانتومی، هر چه به اندازه نانو نزدیک تر شوند، ویژگی های متفاوت‌ تری را برای لایه به وجود می آورند و دومین ویژگی، آن است که لایه ها می توانند سطوح فوق العاده بزرگی نسبت به ضخامت خود داشته باشند.

 

یکی ازروش های لایه نشانی به روش تبخیری که در تکنولوژی برای رشد لایه های نازک با خلوص بالا مورد استفاده قرار می گیرد، روش باریکه مولکولی خالص (MBE) است. در این روش شرایط خلاء بالا برای ایجاد خلوص بیشتر و پارامتر نرخ رشد پایین، برای دقت لایه نشانی بالا، نقش اساسی در مشخصات فیزیکی لایه های رشد داده شده با این روش را دارند.

 

مطالب در این پایان نامه در سه فصل جمع­آوری شده است. در فصل اول به مروری بر روش های مختلف لایه نشانی پرداخته ایم. در فصل دوم کلاس های مختلف رشد سطح را معرفی کرده و تئوری های خطی و غیر خطی MBE را مورد بررسی قرار داده ایم. در فصل سوم شبیه سازی مدل های مختلف رشد سطح انجام شده و در پایان یک جمع بندی از نتایج حاصل ارائه شده است.

 

فصل اول: مفاهیم لایه نازک و رشد سطح

 

1-1 مفاهیم لایه نازک

 

معمولا در فیزیک حالت جامد، مواد را به صورت توده ای مورد بررسی قرار می دهند. در عموم روش های لایه نشانی، هنگامی که مواد از

 حالت توده ای به صورت اتم ها، ملکول ها یا یون های مجزا درآیند و روی سطح زیرلایه[1] بنشینند، پوششی ایجاد می شود که آنرا لایه می نامند.

 

اصولاً لایه ها و پوشش های مختلف از نقطه نظر ضخامت به سه گروه تقسیم می شوند که عبارتند از :

 

1-لایه های بسیار نازک با ضخامت کمتر از 50 آنگستروم

 

2-لایه های نازک با ضخامت بین 50 تا 5000 آنگستروم

 

3-لایه های ضخیم با ضخامت بیش از 5000 آنگستروم

 

طبق تعاریف بالا، لایه های نازک لایه هایی هستند که ضخامت آنها بین50 تا5000 آنگستروم باشد. به بیان دیگر لایه های نازک ، پوشش های نانومتری با دقت اتمی طراحی شده ای از انواع مواد اعم از فلزات، عایق ها و نیمه رساناها هستند. به طور معمول ساختمان لایه های نازک متشکل از یک لایه و یک زیر لایه است، که این لایه نازک توسط روش های مختلف لایه نشانی بر روی سطح نشانده می شود. مجموع سیستم ( لایه و زیر لایه ) باعث ایجاد خواص جدیدی می شود که با خواص همان لایه به صورت توده ای متفاوت است و خصوصیات سطحی زیر لایه را ارتقاء می‌بخشد. شکل (1-1) ساختار شماتیک لایه و زیرلایه را نشان می‌دهد .]1[

 

شکل 1-1: نمای شماتیک یک لایه نازک

 

همچنین کاربرد عمده این لایه های نازک در اصلاح خواص سطح جامدات است. لایه های نازک و بسیار نازک، از دو ویژگی مهم برخوردار هستند. اولین ویژگی، ضخامت زیرمیکرونی این لایه ها است که به دلیل محدودیت کوانتومی، هر چه به اندازه نانو نزدیک تر شوند، ویژگی های متفاوت‌ تری را برای لایه به وجود می آورند و دومین ویژگی آن است که لایه ها می توانند سطوح فوق العاده بزرگی نسبت به ضخامت خود داشته باشند، به بیان دیگر افزایش نسبت سطح به حجم را دارا هستند. این دو ویژگی بر اهمیت چشمگیر این لایه ها می افزایند.]1-2[

 

 

در این فصل به بررسی اندرکنش اتم با میدان  ( نیمه کلاسیکی) می پردازیم. در بخش 1-1 تقریب موج چرخان را به طور خلاصه و مفید بیان می کنیم. در بخش های 1-2 اندرکنش اتم دو ترازی با میدان نیمه کلاسیکی و به دنبال آن در بخش 1-3 ساختار هامیلتونی مؤثر سیستم دو ترازی شرح داده می شود. در بخش 1-4 نیز  اندرکنش اتم سه ترازی را بررسی خواهیم کرد.

 

1-1 تقریب موج چرخان 1   

 

در سیستم های چند ترازی برای تحریک گذار های اتمی، از میدان های لیزری با فرکانس های رابی متناظر استفاده می کنیم. گذار های اتمی در صورتی تحریک می شوند که فرکانس میدان لیزری خارجی با فرکانس گذار اتمی برابر باشد. چنانچه شرط یکسان بودن فرکانس رابی و فرکانس گذار اتمی ارضا نشود، اندرکنش اتم – میدان جهت جفت کردن تراز ها و انتقال جمعیت اتمی محقق نمی شود.با توجه به اینکه در به دست آوردن دامنه های احتمال جمعیت تراز های یک سیستم اتمی، دو جمله نمایی به صورت  و  ظاهر می شود. با اعمال شرط  عبارت  قابل چشم پوشی است، چرا که مقدار آن خیلی بزرگ است. به عبارتی جمله  دارای نوسانات بسیار سریع بوده و مقدار متوسط آن صفر است. برای جفت شدن دو تراز به یکدیگر  و اندرکنش اتم با میدان در یک سیستم اتمی، نوسانات اتم – فوتون نباید خیلی سریع باشد.

 

بنابراین عبارت نمائی با مقدار بزرگ  را  حذف می کنیم. این حذف تحت
عنوان تقریب موج چرخان نامیده می شود. در معادله شرودینگر مورد استفاده در پدیده های اپتیک کوانتومی از این تقریب استفاده می کنیم]1[.

 

1-2  اندرکنش اتم دو ترازی با میدان نیمه کلاسیکی

 

اندرکنش یک میدان تابشی تک مد با فرکانس را با یک اتم دو ترازی در نظر می گیریم. فرض می کنیم  به ترتیب مبین حالت های اتمی تراز پایین تر و بالا تر باشند، به عبارتی ویژه حالت های غیر مختل هامیلتونی  با ویژه مقادیر به ترتیب  و  هستند. طرح  شماتیک چنین اتمی در شکل1-1 نشان داده شده است.

 

تابع موج یک اتم دو ترازی را می توان به فرم زیر نوشت:

 

(1-4)

 

که در آن  و  به ترتیب دامنه های احتمال یافتن اتم در حالت های  و  هستند.

 

معادله شرودینگر متناظر با حالت فوق عبارت است از

 

(1-5)

 

(1-6)

 

که در آن  و  به ترتیب قسمت های برهم کنشی و غیر اختلالی هامیلتونی اتم دو ترازی  را نشان می دهند.

 

شکل 1-1 . اندرکنش یک اتم دو ترازی با میدان تابشی

 

با بهره گرفتن از رابطه تمامیت (بستاری )    هامیلتونی غیر مختل را می توانیم به فرم زیر بنویسیم:
(1-7)

 

که در آن از روابط و استفاده می کنیم.

 

به طور مشابه را که مبین هامیلتونی اندرکنش اتم با میدان تابشی است، می توان به صورت زیر نوشت:

 

(1-8)

 

که در آن  عنصر ماتریسی گشتاور دو قطبی الکتریکی و میدان تابشی است. در اینجا فرض کردیم که میدان الکتریکی به طور خطی در راستای محور  قطبیده شده است. در تقریب دو قطبی الکتریکی میدان را می توان به فرم زیر بیان کرد:

 

(1-9)

 

در رابطه فوق  دامنه و  فرکانس میدان است.

 

برای حل معادله شرودینگر به شرایط اولیه نیاز داریم. اگر اتم را در حالت اولیه فرض کنیم،  خواهد بود. حال با بهره گرفتن از معادله شرودینگر ، معادلات حرکت برای دامنه های    و   را می توان به فرم زیر نوشت:

 

(1-10)

 

(1-11)

 

عنصر ماتریسی عملگر دو قطبی به صورت  است. در اینجا فرض می کنیم که عناصر قطر اصلی ماتریس عملگر دو قطبی صفر باشند، به

 عبارتی  . حال با بهره گرفتن ازتبدیل  که مبین حالت سیستم در تصویر برهم کنش است.

 

معادلات حرکت  برای دامنه های متغیر را به صورت زیر می نویسیم:

 

(1-12)

 

(1-13)

 

با جایگذاری روابط فوق درمعادلات (1- 10 )  و (1-11) خواهیم داشت:

 

(1-14)

 

( 1-15)

 

که در آن   فرکانس گذار اتمی و   نامیزانی فرکانسی1 است. در استخراج معادلات فوق جملات غیر چرخان متناسب با  را در تقریب موج چرخان نادیده گرفته ایم که درکل تقریب خوبی است.

 

برای حل معادلات (1-15) و (1-16) از تبدیل لاپلاس استفاده می کنیم. فرض کنید

 

(1-16)

 

تبدیل لاپلاس  باشد، در این صورت با بهره گرفتن از تبدیل لاپلاس

 

(1-17)

 

(1-18)

 

روابط زیر به دست می آیند:

 

(1-19)

 

(1-20)

 

 

 

رابطه (1-20) را می توان به فرم زیر ساده کرد:

 

(1-21)

 

با جایگذاری رابطه(1-19) در رابطه (1-21) خواهیم داشت:

 

(1-22)

 

(1-23)

 

 

 

که در آن فرکانس رابی  به صورت

 

(1-24)

 

تعریف می شود. با محاسبات ریاضی ساده در می یابیم که ریشه های مخرج رابطه فوق به صورت زیر هستند:

 

(1-25)

 

و بنابراین رابطه (1-23)  به صورت زیر در می آید:

 

(1-26)

 

 

 

با بازنویسی رابطه فوق به صورت

 

(1-27)

 

و با بهره گرفتن از تبدیلات معکوس لاپلاس  به دست می آید:

 

(1-28)

 

برای محاسبه  از رابطه زیر شروع می کنیم

 

(1-29)

 

با جایگذاری رابطه(1-20) در رابطه (1-29) خواهیم داشت:

 

(1-30)

 

(1-31)

 

حال اگر مراحل استفاده شده در به دست آوردن    را به ترتیب برای  نیز اعمال کنیم به صورت

 

(1-32)

 

(1-33)

 

(1-34)
(1-35)

 

 

 

به دست می آید.

 

با تعریف  به صورت

 

(1-36)

 

دامنه های احتمال  و  به صورت

 

(1-37)

 

(1-38)

 

به دست می آیند. در حالت خاصی که اتم در حالت تشدید با میدان تابشی است :

 

(1-39)

 

از رابطه ( 1-36) خواهیم داشت:

 

(1-40)

 

بنابراین دامنه های احتمال به صورت زیر ساده می شوند:

 

(1-41)

 

(1-42)

 

با توجه به اینکه قدرمطلق مجذور دامنه های احتمال مبین جمعیت سیستم در حالت ها و زمان های مختلف است، جمعیت سیستم را در حالت تشدیدی یعنی برای  به دست می آوریم:

 

(1-43)

 

(1-44)

تعریف فناوری نانو با توجه به ماهیت و زمینه های گسترده ی فعالیت آن در عین سادگی بسیار دشوار است و شاید بتوان گفت که هنوز تعریف کامل و جامعی که بیان کننده تمام خصوصیات این پدیده باشد و وجود ندارد با وجود این در اینجا به چند تعریف مفید و کاربردی اشاره می کنیم. پیوند علم ،شیمی و علوم مهندسی که نانو تکنولوژی نامیده می شود عرصه ای را به وجود می آورد که ماشین آلات خود تکثیر کننده و محصولات خود اسمبل از اتم های اولیه ارزان ساخته شوند. این فناوری در جهانی بسیار کوچک هدایت و کنترل می شود.

 

نانو تکنولوژی تولید مولکول(یا به زمان ساده تر) ساخت اشیا اتم به اتم به صورت توسط بازوهای رباط برنامه ریزی شده در مقیاس نانو متریک است. نانولغت یونانی به معنی کوتاه قد ویا کوتوله گرفته شده است . در گفتار علمی، یک نانومتر معادل یک میلیاردیوم متر می باشد یعنی ابعادی که در آن اتم ها باهم ترکیب شده و مولکول ها روی هم اثر متقابل دارند که چیزی حدود 18000 برابرقطر مو انسان و یا 10برابر قطر یک اتم است. به عبارتی دیگر نانوتکنولوژی تولید مولکولی یا به زبان ساده تر ساخت اشیا اتم به اتم، مولکول به مولکول توسط بازوهای رباط برنامه ریزی شده در مقیاس نانومتریک است. این اندازه، تقریبا پنهانی معادل با 3 تا 4 اتم را دارد. این فناوری ساخت ابزارهای نوین مولکولی منحصرا به فرد با

 

بکارگیری خواص شیمیایی کاملا ساخته شده ی اتم ها و ملکول ها (نحوه پیوند آنها به یکدیگر ) را ارائه می دهد، این قابلیت تقریبا حاصل شده است. با این ایجاد ساختارهای نانو متریک، کنترل خصوصیات اساسی مواد مانند دمای ذوب، رفتار مغناطیسی، ظرفیت شارژ و حتی

 رنگ آن ها بدون تغییر ترکیب شیمیایی مواد، ممکن خواهد بود.]1[

 

1-2 پیشینه فناوری نانو

 

چهل سال قبل، نظریه پرداز کوانتوم و برنده جایزه نوبل، ریچارد فایمن، اولین کسی بودکه به سپیده دم قبل از طلوع فجر نگریست. وی در نطق مشهورش در سال 1959 تحت عنوان ((آن پایین فضای بسیاری وجود دارد )) اولین جرقه های رویکردبه سمت فناوری نانو را روشن کرد. وی عنوان کرد که به افزایش فراگیری دانشمندان در زمینه ساخت ترانزیستورها و سایر اندازه های مقیاس کوچک، خواهیم توانست مرتبا آنها را کوچک و کوچک تر بسازیم تا نهایتا به محدودی طبیعی خودشان بسیار لغزنده، غیر قابل شناخت و از لحاظ مکانیکی قابل اعتماد شوند. در اوایل دهه ی 90 بود که توجهات ما به سمت آنچه که ما امروز به عنوان فناوری نانو می نامیم. شتاب سرسام آوری به خود گرفت تا کشتی دانش بشری با بادبان فناوری نانو به سمت ساحل آرزوها جولان دهد.در مجموعه عمر این فناوری کمتر از 15 سال است ولی محققان پیش بینی می کنند که ظرف سه سال آینده تحولات عظیمی در این زمینه صورت خواهد گرفت و طبق گفته تیمپ در کتاب نانوتکنولوژی نقشی که این فناوری در توسعه و پیشرفت بشر ایفا خواهد کرد، بسیار بیشتر و تاثیر گذارتر از نقشی است که مارکوپولو و سفرهایش به شرق در توسعه و پیشرفت غرب ایفا نموده است.]2[

 

 

1-1 تاریخچه سیستم تبرید و تهویه مطبوع

 

آسایش و راحتی زندگی انسان یکی از اهداف پیشرفت های بشری بوده و انسانها همواره در پی ابداع و ساخت وسایلی برای رسیدن به این هدف بوده اند. یکی از مصادیق راحتی زندگی، تأمین درجه حرارت مطلوب برای مکان زندگی انسان بوده تا در دماهای بالای تابستان و پایین زمستان امکان زندگی بدون مشقت برایش فراهم شود. این امر مستلزم استفاده از سیستم خنک کننده در تابستان ها و گرمایش در زمستان ها می باشد. استفاده از سیستم خنک کننده در تابستان ها علاوه بر تأمین راحتی زندگی، امکان نگهداری سالم مواد غذایی فاسد شدنی را نیز فراهم می کند. بدین منظور سیستم های تبرید توسعه و بهبود پیدا کرده اند. این سیستم ها برای تأمین راحتی انسان و تهویه مطبوع استفاده می شوند. در واقع از تهویه مطبوع می توان به عنوان نوعی درمان هوا برای انسان نام برد، یعنی به طور همزمان وظیفه کنترل دما، رطوبت، پاکیزگی، بو را به عهده دارد. موضوع تبرید و تهویه مطبوع که نیاز انسان برای حفظ مواد غذایی و آسایش انسان است با

 گذشت زمان تکامل یافته و تاریخ آغاز آن به قرن ها پیش بر می گردد. هر جنبه ای از تاریخ تبرید بسیار جالب است، در دسترس بودن مبرد، محرک اول و تحولات در کمپرسور و روش های تبرید همه بخشی از این تاریخ است[1].

 
در زمان های گذشته تبرید با بهره گرفتن از طبیعت صورت می گرفت، مانند استفاده از یخ به عنوان خنک کننده های تبخیری. در اروپا، امریکا و ایران تعدادی خانه­های یخ برای ذخیره سازی یخ ساخته شده بود. مواد مانند خاک اره یا چوب تراشه به عنوان عایق در این خانه های یخ استفاده می شد. بعدها، چوب پنبه به عنوان مواد عایق مورد استفاده  قرار گرفت. ادبیات نشان می دهد که یخ همیشه در دسترس اشراف زادگان بوده و می توانستند آن را نگه داری کنند. در هند، امپراطوران مغول در طول تابستان های سخت در دهلی و آگرا بسیار علاقه مند استفاده از یخ بودند.
در سال 1806، تجارت یخ آغاز شد. تجارت یخ در شمال امریکا یک کسب و کار پر رونق تلقی می شد. یخ در محفظه­ی قطارهای عایق شده توسط عایق های چوب پنبه به قطر30 سانتی­متر به ایالت های جنوبی امریکا منتقل می­شد. معاملات یخ در چند کشور دیگر از جمله بریتانیا، روسیه، کانادا، نروژ و فرانسه نیز محبوب بود. در این کشورها یخ یا از مناطق سردتر منتقل می شد و یا در فصل زمستان برداشت و در خانه های یخ ذخیره شده تا در تابستان استفاده شود. تجارت یخ در سال 1872 به اوج خود رسید هنگامی که امریکا به تنهایی 225.000 تن یخ به کشورهای مختلف از جمله چین و استرالیا صادر می کرد. با این حال، با ظهور تبرید مصنوعی تجارت یخ به تدریج کاهش یافت.