³He(n,p)³H uyarımlı nükleer tahrikli bir lazerde pompalama güç yoğunluğunun gaz yoğunluğu ile kuple değişiminin modellenmesi ve analizi

Abstract

Lazer ortamının nükleer reaksiyon ürünü yüklü parçacıklarla uyarıldığı lazerler nükleer tahrikli lazer olarak adlandırılmaktadır. Nükleer tahrikli lazerlerde, lazer ortamının pompalanması için kullanılan yöntemlerden birisi de He{n,p)H reaksiyon ürünü yüklü parçacıklarla hacimsel uyarımdır. Literatürde hacimsel uyarımla yüklü parçacıklardan gaza aktarılan güç yoğunluğu, pompalama süresince gaz yoğunluğunun sabit kaldığı varsayımı altında ele alınmıştır. Ancak, gaz yoğunluğu başlangıçta sabit olmasına karşın, duvar kayıpları ve nötronların gazdaki yutulmaları nedeniyle pompalama güç yoğunluğu homojen değildir. Bu durum, pompalama süresince gazm güç yoğunluğunun yüksek olduğu bölgelerden düşük olduğu bölgelere doğru hareket ederek gaz içerisinde değişken bir yoğunluk alanının oluşmasına neden olur. Yoğunluk alanındaki değişimler yüklü parçacıkların gaz içerisindeki transportunun ve reaksiyon yoğunluğunun değişmesine neden olarak güç yoğunluğu alanım yeniden düzenler. Bir başka deyişle, pompalama süresince gaz yoğunluğu güç yoğunluğu ile küple değişmekte ve bu değişim gazda lazer karakteristiklerini ve demet kalitesini etkileyen önemli sıcaklık ve yoğunluk gradyanlannm oluşmasına neden olmaktadır. Nükleer enerjiyi etkin bir şekilde optik enerjiye dönüştüren bir lazer tasannu için bu niceliklerin bilinmesi önemlidir. Bu bağlamda, yüklü parçacıklardan gaza enerji aktarımının betimlenebilmesi için lazer gazı içerisindeki parçacık transportu, yüklü parçacıklardan gaza enerji aktarımı ve bu hacimsel enerji aktarımının uzaysal değişimi sonucu meydana gelen gaz hareketi gibi bir kaç fiziksel olayın birlikte analizi, bir başka deyişle yüklü parçacık transportu ile akışkanlar mekaniği analizinin kuplajının sağlanması gerekmektedir. Bu anlamda, literatürdeki sabit yoğunluk varsayımına dayanan güç yoğunluğu modeli yeterli olmamaktadır. Bu tez çalışmasında, literatürdeki sabit yoğunluk varsayımına dayanan güç yoğunluğu modeli, parçacık erimlerinin ve reaksiyon yoğunluğunun gazın yoğunluk alanına bağlı değişimi ele alınarak geliştirilmiş ve gazın dinamik cevabını veren akustik filtreleme uygulanmış hareket denklemleri ile kullanılarak, pompalama güç yoğunluğu ve gazın yoğunluk alanının konuma ve zamana bağlı küple değişimi modellenerek analiz edilmiştir. Bu modele dayanarak yapılan nümerik hesaplamalar sonucunda, pompalama güç yoğunluğu ve gaz yoğunluğunun yanısıra yoğunluk gradyanlan, sıcaklık ve gazm hız alanının konuma ve zaman göre değişimi belirlenmiştir. Hesaplamalar, 0.5-10 atm aralığında yer alan farklı başlangıç basınçları için İ.T.Ü TRIGA MARK-II Reaktörünün karakteristik değerleri kullanılarak yapılmış ve yukarıdaki büyüklüklerin yanısıra, ortalama pompalama gücünün ve toplam pompalama enerjisinin başlangıç basıncına bağlı değişimine ek olarak ortalama basmcm zamanla değişimi de incelenmiştir.

Lasers excited by nuclear reaction products are called nuclear-pumped lasers. One of the reactions used in nuclear pumping of lasers is volumetric excitation by He(n,p) H reaction products. In the literature, volumetric pumping is considered only under the assumption that gas density is constant during pumping pulse. Although gas density is constant at the beginning, deposited energy or power density is non-uniform because of the wall losses and neutron absorption in the gas. This fact causes a gas flow from the region of largest power density to that of lower power density and a variable density field takes place in the gas. Changes in the density field modify the power density field by effecting both particle transport in the gas and reaction density. In the other words, gas density and power density changes is coupled during the nuclear pumping and this causes temperature or density gradients effecting the laser characteristics and beam quality. It is important to know these quantities to design a laser converting nuclear energy to optical energy efficiently. This means that the description of energy deposition in the laser gas requires the coupling of many physical phenomena including particle transport in laser gas, energy deposition of source in the gas and gas motion. In this manner, the model in literature based on an assumption that gas density is constant during volumetric pumping is not sufficient. In this work, power deposition density based on the variable density field is modelled considering the dependency of particle range and reaction density on gas density field and" coupling acoustically filtered equations of the gas motion. Numerical calculations are made using this model and spatial and temporal variations of deposited power density and gas density, density gradients, temperature and velocity fields of the gas are determined. Calculations are made for different initial pressure in the range of 0.5-10 atm by using characteristics of I.T.U TRIGA MARK-II Reactor. Variations of averaged power density and total energy deposition with initial pressure, and variations of spatially averaged pressure with time are also determined.