Plasma-surface interactions near the threshold energies for iter and demo reactors
Füzyon reaktörlerınde eşik enerjisindeki plazma-yüzey etkileşimleri
- Tez No: 883292
- Danışmanlar: DOÇ. DR. YAKUP HUNDUR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Enerji, Fizik ve Fizik Mühendisliği, Energy, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Enerji Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Enerji Bilim ve Teknoloji Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 55
Özet
Katlanarak artan enerji ihtiyacına karşılık süregelen kaynak arayışlarında füzyon gelecek vaat eden bir alternatiftir. Temelde hidrojen çekirdeklerinin kaynaşmasına dayanan füzyon, günümüzde kullanılan nükleer enerjinin aksine radyoaktif atık üretmemektedir. Geleceğin muhtemel enerji kaynağı füzyon alanındaki çalışmalar Joint European Thorus (JET), Uluslararası Termonükleer Deneysel Reaktör (ITER) ve ASDEX Upgrade reaktörlerinde deneysel olarak, pek çok araştırmacı tarafında bilgisayar simülasyonları yardımıyla sürdürülmektedir. Yirminci yüzyılda temelleri atılan termonükleer füzyon reaktörü tasarımları tokamak ve stelaratörlerin geliştirilmesiyle devam etmektedir. Füzyon reaktörlerinde enerji üretimi, nispeten düşük sıcaklıklarda füzyon koşullarına ulaşan döteryum ve trityum izotoplarıyla sağlanır. Tokamak, füzyon reaksiyonun gerçekleşmesi için gerekli sıcaklıktaki plazma koşullarını oluşturmak ve sürdürmek için manyetik bobinlerle çevrili vakum odasıdır. Manyetik alan içinde hapsedilen plazmanın füzyon koşullarına taşındığı bir diğer araç stelaratördür. Tokamak içinde, torus şeklinde hapsedilmiş¸ plazma, tokamakın merkezi selenoidini çevreler ve bir transformatör oluşturur. Tokamakların akım kaynaklı kararsızlıklarına karşın stelaratörler plazmayı kontrol etmek için daha kararlı koşullar sağlar. Plazma araçlarında sıcaklık yüz milyon ◦C'a ulaşacaktır. Yakıtın füzyon koşullarını sürdürebilmesi adına plazma kenarının kontrolü oldukça önemlidir. Plazma ve cihaz bileşenlerinin teması, plazma sınırlarının ve enerji üretimini sağlayacak füzyon koşullarının bozulmasına sebep olur. Plazma sınırındaki atom, elektron ve dalga parçacıkları arasında gerçeklesen madde etkileşimleri plazmanın iyonize yapısı, saflığı ve sıcaklığı üzerinde takip edilmesi gereken yeni atomik ve atom altı parçacıkları oluşturur. Bugün ITER ve muhtemel DEMO reaktörlerinin tasarımda önemli rol oynayan etkileşimler; ASDEX, JET, W-7X gibi reaktörler ve çeşitli bilgisayar simülasyonları ile deneysel olarak araştırılmaktadır. Duvar üzerine gönderilen hidrojen izotopları, fiziksel ve kimyasal süreçleri tetikler. Döteryumun yüzey ile çarpışmaları, hedefteki atomların kopmasına sebep olur. Gönderilen iyonlar geriyansır ya da yüzey içine girer. Yüzeye penetre eden atomlar yeni bir pozisyona yerleşebilir ve yeterli enerjiye sahipse kimyasal bağlar kurabilir. Parçacık etkileşimlerinin incelenmesinde kullanılan bilgisayar simülasyonları, laboratuvar deneylerinin test edilmesi ve geliştirilmesinde önemli role sahiptir. Etkileşimlerin incelenmesinde Newton denklemlerinin zamana bağlı çözümlerine dayanan moleküler dinamik ve deterministtik denklemlerin istatiksel sonuçlarını hesaplayan Monte Carlo simülasyonları kullanılır. Rasgele değişkenlere sahip bir olayın çok kere tekrarlanmasına dayanan Monte Carlo metodunda ikili çarpışma yaklaşımı (BCA) kullanan MARLOWE, TRIDYN ve TRIM gibi programlar perdelenmiş¸ Coulomb potansiyelleriyle elastik çarpışan parçacıkları simüle eder. Plazma kenarında yakıt durumunu bozacak olan kirlilik taşımaları ERO, WALLDYN, DIVIMP programlarıyla simüle edilmiştir. SDTrimSP, statik ve dinamik Monte Carlo simülasyonlarını bir araya getirerek etkileşimlerin gelişmiş¸ temsillerine erişmemizi sağlar. Plazma yakıtının türbülanslı akışı TOKAM3X ile incelenmiştir. Ikili çarpışma yaklaşımını kullanana Monte Carlo simülasyonlarında etkileşim potansiyeli itici Coulomb potansiyelidir. Çarpışan atom çiftlerinin kütlesi ve atoma ait eşik enerjilerine bağlı olarak, elektrik potansiyeli bir perdeleme fonksiyonu ile çarpılır. Çarpışmalar gönderilen iyonun enerjisi sıfırlanıncaya ya da önceden belirlenen bir enerji seviyesine kadar devam eder. Hedefteki atomun yüzeyden koparak uzaklaşmasında temel etkenlerden olan bağlanma enerjisi çoğu malzeme için doğrudan ölçülememektedir. TRIM, TRIDYN ve MARLOVE gibi BCA programlarında bağlanma enerjisi yerine süblimasyon enerjisi kullanılır. Newton denklemlerinin zaman üzerinden integrallerini hesaplayarak sistemin davranışını tahmin eden moleküler dinamik programları; önceden belirlenmiş¸ etkileşim potansiyelleri ile gönderilen her bir parçacığın en yakın hedef atom ile klasik saçılma denklemlerini çözer. Hedef yüzeyin rastgele yönelimlerini hesaplayarak, polikristal malzemelerin simülasyonuna iyi bir yaklaşım sağlar. Yerleşkesi Fransa'da bulunan ITER'in 2011 konseyinde, yüksek enerjili hidrojen bombardımanı altında gerçeklesen kimyasal etkileşimler sebebiyle karbon-tungsten alaşımı içeren tasarım değiştirilmiştir. ITER'in yalnız tungsten içeren güncellenmiş¸ tasarımında oluşabilecek etkileşimleri gözlemlemek için gerçekleştirilen JET-IWL deneyleri, önceki berilyum testlerine nazaran düşük trityum tutunumu beklentilerini doğrulanmıştır. Bu çalışmada, füzyon araçlarında plazma içinde ve malzemeyle gerçeklesen geniş¸ ölçekteki etkileşimler arasından yalnızca plazma ve duvar malzemesi arasındaki atomik parçacık etkileşimleri kastedilmektedir. Hedefteki tungsten tabakası ve gönderilen Döteryum iyonlarının etkileşimler TRIM Transport of Ions in Matter programı ile simüle edilmiştir. 500- 1000 eV enerjiyle 600 Å kalınlığındaki Tungsten levhaya gönderilen döteryum iyonları saçılmalar açısından incelenmiştir. Parçacık yansıma katsayıları literatüre kaydedilmiş¸ simülasyon sonuçlarıyla kıyaslanmıştır. deneysel veriler, teorik hesaplamalar ve TRIM hesaplamalarında 0-89◦ arasında 5◦ aralıklarla değişen açı değerleriyle, programın varsayılan bağlanma enerjisi 3.00 eV, yerdeğiştirme enerjisi 25.0 eV girdileri kullanılmıştır. Yüzeyden kopan W atomlarının sayısı ve yansıma katsayıları teorik ve deneysel verilerden düsük hesaplanmıştır. Sabit geliş açısıyla gönderilen iyonların derinlik profili, mermi enerjisi ile doğrudan ilişkiyi doğrulanmıştır. 1000000 iyon atışıyla tamamlanan hesaplamalar, geriyansıyan parçacık acısından kıyaslandığında sistematik bir artış göstermiştir. Yüzeyden kopan tungsten atomları sayısının atış sayısına oranı tüm enerji seviyeleri için 55-75 derece arasında maksimum değere ulaşmıştır. Kopan atomların gönderilen iyonlara oranının açısal bağımlılığı mevcut literatürle uyum içindedir. Simulasyon sonuçlarının deneysel ve teorik veriye kıyasla gösterdiği nicel farklılık programın hesaplamalara dahil etmediği kanallama etkisi ve düs¸ük atıs¸ enerjilerinde etkileşim potansiyelindeki değişikliklerin kazandığın önem olarak tespit edilmiştir. Plazmadaki düşük enerjili atomların duvar malzemesiyle etkileşimleri; iyon/elektron etkileşimlerinden kaynaklanan etkileşim potansiyelleri üzerindeki değişime ek olarak esnek olmayan enerji kayıplarının dahil edildiği hesaplarıla sonuç veren dinamik Monte Carlo programlarıyla daha iyi yaklaşımlara ulaşılacaktır.
Özet (Çeviri)
In the search for new energy sources for expanding needs over the globe, fusion is a promising alternative. Studies aiming to produce net energy by fusion are in progress in JointEuropean Thorus (JET), Axially Symmetric Divertor Experiment (ASDEX Upgrade), International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER), and the following pre-commercial DEMOnstration Power Plants. The fuel used in a thermonuclear fusion reactor is Deuterium and Tritium. Hydrogen has a high abundance and relatively low-temperature levels to reach fusion conditions. Tungsten replaced the Carbon-Tungsten alloy on plasma-facing surfaces of ITER. Understanding the interactions between the plasma and the wall material is essential to maintaining the plasma fuel and the device's properties. Hydrogen isotope bombardment on wall material triggers physical and chemical processes. Collisions of deuterium with the reactor surface result in sputtering of target atoms, reflection, transmission, and structure manipulations on the target. This study simulated the interaction between the Tungsten layer and Deuterium ions with the Transmission of Ions in Matter (TRIM) program. Tungsten target with 600 Å is subjected to deuterium projectiles with energy from 500 to 1000 eV. A million shots are sent to the surface with varying angles with 5◦ intervals. Monte Carlo calculation results are investigated in terms of the number and the average energy of the sputtered W atoms and the number of backscattered deuterium atoms with average energies. The relation between ion penetration depth and incidence angle is inspected to determine the needed target depth to inhibit the transmission through the target. The number and the average energy of backscattered hydrogen ions increased with increasing projectile angle for all energy levels. Energy reflection coefficients are calculated, concluding that backscattered ions carry at least 50 energy. The rest of the ions are penetrated into the Tungsten layer. The depth profile of the implanted ions with constant incidence angles confirmed the direct relation with the projectile energy. Increasing angle for each projectile set shown the decreasing pattern in penetration depth values. Rate of sputtered tungsten atoms to incident particles is recorded. The sputtering yield had a maximum weight between 55-75 degrees for all projectile energies and decreased with increasing projectile angles. Compared with the experimental and simulated data by others, TRIM results have been systematically deflected from the fitting curves. Neglecting the change over the interaction potentials and inelastic energy losses due to ion/electron interactions, ready program TRIM with BCA approximation based on elastic collision calculations is not a preferable software within the investigated energy interval.
Benzer Tezler
- Şekillendirilmiş lazer hüzmelerinin yüksek saçılmalı ortamla etkileşimleri
Interactions of shaped laser beams with highly scattering media
TANSU ERSOY
Doktora
Türkçe
2016
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SELÇUK AKTÜRK
- Fischer-Tropsch sentezi̇ i̇le hafi̇f olefi̇n üreti̇mi̇ i̇çi̇n azot ve bor doplu akti̇f karbon destekli̇ demi̇r katali̇zörleri̇ni̇n geli̇şti̇ri̇lmesi̇
Development of nitrogen and boron doped activated carbon supported iron catalysts for light olefin production by Fischer-Tropsch synthesis
PINAR ŞAKOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ALPER SARIOĞLAN
DR. OSMAN OKUR
- Güneş koronasındaki manyetik alan yapılarında magnetohidrodinamik denge ve kararsızlıklar
Başlık çevirisi yok
CUMHUR ÇÖMLEKÇİ
Yüksek Lisans
Türkçe
1996
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. GÜLÇİN KANDEMİR
- Tümdevre üretiminde polisilisyumum plazma ortamında aşındırılması
Başlık çevirisi yok
SEMA İMRAHOR İLYAS
- A numerical approach for plasma based flow control
Plazma ile akış kontrolü için sayısal bir yaklaşım
REŞİT KAYHAN ATA
Doktora
İngilizce
2023
Havacılık ve Uzay Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET ŞAHİN