—d1505

روش های فرآوری منگنز
2-1 مقدمه..............................................................................................................................................................................22
2-2 سنگ جوری..................................................................................................................................................................22
2-3 پرعیارسازی به روش ثقلی.........................................................................................................................................22
2-4 پرعیارسازی به روش مغناطیسی...............................................................................................................................24
2-5 پرعیارسازی به روش فلوتاسیون................................................................................................................................24
2-6 روش تشویه...................................................................................................................................................................24
2-7 پرعیارسازی به روش لیچینگ...................................................................................................................................25
2-7-1 لیچینگ کاهشی با محلول یون آهن...........................................................................................................28
2-7-2 لیچینگ کاهشی توسط سولفور دیاکسید یا محلولهای سولفیت.......................................................30
2-7-3 لیچینگ کاهشی با استفاده از کاهندههای ارگانیک....................................................................................31
2-7-4 لیچینگ الکترو-کاهشی.....................................................................................................................................39
2-7-5 لیچینگ همزمان منگنز (IV) و کانیهای سولفیدی..................................................................................39
2-7-6 لیچینگ با هیدروژن پراکسید............................................................................................................................40
2-7-7 لیچینگ در محلول اسید هیدروکلریک...........................................................................................................42
2-7-8 لیچینگ با نیتروژن دیاکسید و محلول نیتریک اسید..................................................................................43
2-8 استحصال منگنز از محلول های لیچینگ.................................................................................................................45
2-8-1 بازیابی منگنز به روش استخراج حلالی............................. ...........................................................................46
2-8-2 بازیابی منگنز به روش رسوب شیمیایی........................................................................................................46
2-8-3 بازیابی منگنز به روش تبادل یونی................................................................................................................. 47
2-8-4 مطالعه انجام شده برای بازیابی منگنز.............................................................................................................47
2-8-4-1 ترسیب منگنز و آهن...................................................................................................................................48
2-9 تولید منگنز الکترولیتی..............................................................................................................................................49
2-10 تولید منگنزدی اکسید الکترولیتی ......................................................................................................................50
2-11 تولید منگنز دی اکسید شیمیایی..........................................................................................................................50
فصل سوم.................................................................................................................. ........................................................51
معرفی مواد،روش ها و تجهیزات
3-1 مقدمه...................................................................................................................... ......................................................52
3-2 تهیه نمونه........................................................................................................................ ................................... ........ 52
3-3 شناسایی نمونه........................................................................................................................ .................................... 52
3-3-1 تجزیه شیمیایی نمونه................................. ................................. ................................ ................................ 52
3-3-2 مطالعات پراش پرتو ایکس(XRD) ...........................................................................................................53
3-3-3 مطالعات میکروسکوپی..................................................................................................................................53
3-3-4 تجزیه سرندی و تعیین دانه بندی و عیار کانسنگ منگنز......................................................................55
3-3-5 مطالعات درجه آزادی..........................................................................................................................................57
3-4 پرعیارسازی منگنز........................................................................................................................................................58
3-4-1 آزمایش پرعیارسازی با جیگ.........................................................................................................................58
3-4-2 آزمایش های پرعیارسازی با میزلرزان...........................................................................................................59
3-4-3 آزمایش های پرعیارسازی به روش مغناطیسی..........................................................................................59
3-4-4 انجام آزمایش های پرعیارسازی به روش فلوتاسیون.................................................................................60
3-4-5 روش آزمایش های پرعیارسازی به روش لیچینگ....................................................................................60
3-4-5-1 تئوری سینتیک لیچینگ....................................................................................................................61
الف- نفوذ از لایه مایع.....................................................................................................................................63
ب-نفوذ از میان خاکستر................................................................................................................................64
ج- واکنش شیمیایی........................................................................................................................................64
3-4-6 روش انجام آزمایش های سینتیک.....................................................................................................................66
3-4-7 نرم افزار طراحی آزمایش..................................................................................................................................... 66
3-4-8 روش انجام آزمایشها ........................................................................................................................................69
فصل چهارم........................................................................................................................................................................70
بحث و نتایج
4-1 مقدمه................................................................................................................................................................................71
4-2 آزمایش های جیگ........................................................................................................................................................71
4-3 نتایج آزمایش های میزلرزان.......................................................................................................................................72
4-4 نتایج آزمایش های پرعیار سازی به روش مغناطیسی...........................................................................................77
4-5 نتایج آزمایش های پرعیار سازی به روش فلوتاسیون............................................................................................80
4-6 نتایج آزمایش های پرعیار سازی به روش لیچینگ..............................................................................................82
الف) تعیین ماده کاهنده..................................................................................................................................................82
ب) تعیین عامل کنترل لیچینگ...................................................................................................................................83
4-6-1 طراحی آزمایش.................................................................................... ...........................................................86
4-6-1-1 آنالیز واریانس مدلها..............................................................................................................................88
4-7 بررسی اثر پارامترهای عملیاتی............................................................................................................................91
4-7-1 بررسی اثر پارامترهای عملیاتی بر بازیابی منگنز........................................................................................91
4-7-2 بررسی اثر پارامترهای عملیاتی بر بازیابی آهن.............................................................................................96
4-7-3 بررسی اثر پارامترهای عملیاتی بر بازیابی سیلیس.....................................................................................99
4-8 بهینه سازی...................................................................................................................................................................99
فصل پنجم........................................................................................... ..........................................................................102
نتایح و پیشنهادات
5-1 مقدمه........................................................................................... ...............................................................................103
5-2 نتایج و پیشنهادات.....................................................................................................................................................103
مراجع.....................................................................................................................................................................................106
فهرست شکلها
عنوان......................................................................................صفحه
شکل1-1 دیاگرام پوربه منگنز ......................................................................................................................................6
شکل1-2 طرح شماتیک یک گرهک همبرگری شکل.............................................................................................13
شکل1-3 نحوهی توزیع ذخایر منگنز در دنیا..............................................................................................................17
شکل2-1 فلوشیت فرآیند بازیابی منگنز با استفاده از محلول لیچ.........................................................................28
شکل2-2 اثر مقدارSO2 بر بازیابی فلزات در کانه با عیار متوسط........................................................................31
شکل2-3 اثر مقدارSO2 بر بازیابی فلزات در کانه پر عیار.....................................................................................31
شکل2-4 اثر مقدارSO2 بر بازیابی فلزات در کانه کم عیار....................................................................................31
شکل 2-5 اندرکنش متغیرها بر بازیابی منگنز...........................................................................................................33
شکل2-6 تاثیر غلظتهای مختلف اسیدنیتریک........................................................................................................34
شکل2-7 تاثیر غلظتهای مختلف اسیداکسالیک......................................................................................................34
شکل2-8 تاثیر مقدار کاهنده بر نرخ لیچینگ منگنز.................................................................................................35
شکل2-9 اثر غلظت ملاس نیشکر بر بازیابی.................................................................................................................37
شکل2-10 اثر غلظت اسیدسولفوریک بر بازیابی منگنز..............................................................................................38
شکل2-11 اثر نسبت وزنی کانسنگ به کاهنده بر بازیابی منگنز..............................................................................38
شکل2-12 بازیابی منگنز بر حسب زمان در دماهای مختلف.....................................................................................38
شکل2-13 اثر غلظت اسیدسولفوریک بر بازیابی منگنز...............................................................................................41
شکل2-14 اثر غلظت هیدروژنپراکسید بر بازیابی منگنز............................................................................................41
شکل2-15 اثر غلظت کاهندههای متفاوت بر بازیابی منگنز........................................................................................42
شکل2-16 اثر غلظت اسیدسولفوریک بر بازیابی منگنز...............................................................................................42
شکل2-17 اثر غلظت اسیدهیدروکلریک بر بازیابی منگنز...........................................................................................43
شکل2-18 اثر غلظت هیدروژنپراکسید بر بازیابی منگنز...........................................................................................43
شکل2-19 بلوک دیاگرام تولید هیدرومتالورژیکی از محصولات فعال و غیرفعال.....................................................44
شکل2-20 تاثیر غلظت اسیدنیتریک بر بازیابی عناصر موجود در کانسنگ...............................................................45
شکل2-21 تاثیر غلظت ملاس بر بازیابی عناصر موجود در کانسنگ..........................................................................45
شکل2-22 تاثیر دما بر بازیابی عناصر موجود در کانسنگ............................................................................................45
شکل2-23 فلوشیت بازیابی منگنز و حذف آهن از محلول لیچ...................................................................................48
شکل2-24 دیاگرام Eh-pH برای سیستم منگنز-آهن-گوگرد.................................................................................49
شکل3-1 طیف EDX مربوط به کانی منگنزدار...........................................................................................................55
شکل3-2 طیف EDX مربوط به کانی حاوی منگنز-سیلیس-کلسیم.....................................................................56
شکل3-3 منحنی توزیع دانهبندی نمونه کانسنگ منگنز..............................................................................................58
شکل3-4 منحنی مربوط به توزیع تجمعی منگنز، آهن و سیلیس..............................................................................58
شکل3-5 منحنی مربوط به عیار منگنز، آهن و سیلیس................................................................................................58
شکل3-6 نمودار مراحل اجرای آزمایشهای پرعیارسازی..............................................................................................60
شکل3-7 نحوه ترکیب ذرات جامد......................................................................................................................................63
شکل3-8 واکنش ذره جامد با سیال اطراف آن طبق مدل هسته انقباظی.................................................................64
شکل3-9 پارامترهای محدودکننده نرخ واکنش در مدل هسته انقباظی....................................................................65
شکل4-1 نمودار بازیابی منگنز بر حسب زمان.................................................................................................................85
شکل4-2 نمودار تعیین عامل کنترل لیچینگ نفوذ........................................................................................................86
شکل4-3 نمودار آرنیوس.......................................................................................................................................................87
شکل4-4 اثر پارامترهای عملیاتی بر بازیابی منگنز.........................................................................................................92
شکل4-5 نمودار کنتوری اثر متقابل درصدجامد و دما بر بازیابی منگنز....................................................................93
شکل4-6 نمودار کنتوری درصدجامد و اسیدسولفوریک بر بازیابی منگنز................................................................94
شکل4-7 نمودار کنتوری درصدجامد و اسیداکسالیک بر بازیابی منگنز....................................................................94
شکل4-8 اثر متقابل اسیدسولفوریک و دما بر بازیابی منگنز........................................................................................95
شکل4-9 اثر متقابل اسیداکسالیک و دما بر بازیابی منگنز.........................................................................................96
شکل4-10 اثر متقابل اسیداکسالیک و اسیدسولفوریک بر بازیابی منگنز..............................................................96
شکل4-11 اثر پارامترهای عملیاتی بر بازیابی آهن......................................................................................................98
شکل4-12 نمودار کنتوری اثر متقابل درصدجامد و دما بر بازیابی آهن.................................................................98
شکل4-13 نمودار کنتوری درصدجامد و اسیدسولفوریک بر بازیابی آهن...............................................................99
شکل4-14 نمودار کنتوری درصدجامد و اسیداکسالیک بر بازیابی آهن...................................................................99
شکل4-15 اثر پارامترهای عملیاتی بر بازیابی سیلیس................................................................................................100
فهرست جدولها
عنوان......................................................................................صفحه
جدول1-1 مشخصات ترکیبهای موجود در محصولات منگنز.........................................................................16
جدول3-1 آنالیز شیمیایی کامل نمونه برداشت شده..........................................................................................54
جدول3-2 نتایج تجزیه سرندی و تجزیه شیمیایی بخشهای مختلف ابعادی...............................................57
جدول3-3 معادلات سینتیک بر اساس مکانیسم مدل نفوذ................................................................................66
جدول3-4 معادلات سینتیک برای واکنشهای جامد-مایع.................................................................................67
جدول3-5 پارامترهای عملیاتی و سطوح آنها.........................................................................................................69
جدول3-6 آزمایشهای طراحی شده با استفاده از روش CCD.....................................................................70


جدول3-7 پارامترهای ثابت و مقادیر آنها در آزمایشهای لیچینگ احیایی...................................................71
جدول4-1 آزمایش جیگ بر روی دانه بندی(1000+3350-) میکرون..........................................................73
جدول4-2 آزمایش میزلرزان بر روی دانه بندی(1000-300+) میکرون........................................................74
جدول4-3 آزمایش میزلرزان بر روی دانه بندی(1000-300+) میکرون.........................................................75
جدول4-4 آزمایش میزلرزان بر روی دانه بندی(300-) میکرون.......................................................................76
جدول4-5 آزمایش میزلرزان بر روی دانه بندی(300-) میکرون......................................................................77
جدول4-6 آزمایش میزلرزان بر روی دانه بندی(300-) میکرون......................................................................78
جدول4-7 آزمایش میزلرزان بر روی دانه بندی(100-) میکرون.....................................................................79
جدول4-8 آزمایش مغناطیسی خشک بر روی محصول میانی دانه بندی(300-) میکرون.......................80
جدول4-9 آزمایش مغناطیسی بر روی دانه بندی(100-) میکرون................................................................81
جدول4-10 پرعیارسازی توسط فلوتاسیون مستقیم.........................................................................................84
جدول4-11 نتایج آزمایش سینتیک لیچینگ در معادله مدل نفوذ.................................................................86
جدول4-12 مقادیر لگاریتم Kدر دماهای متفاوت............................................................................................87
جدول4-13 نتایج حاصل از طراحی آزمایش........................................................................................................88
جدول4-14 نتایج آنالیز واریانس مربوط به مدلهای ارائه شده.........................................................................91
جدول4-15 مقادیر P و F برای پارامترهای عملیاتی و برهم کنش آنها.........................................................91
جدول4-16 شرایط بهینهسازی پیشنهادی توسط نرمافزار.................................................................................101
جدول4-17 مقادیر متغیرها در بهینهسازی پیشنهادی توسط نرمافزار.............................................................102
جدول4-18 نتایج آزمایش اعتبارسنجی شرایط بهینه..........................................................................................102
جدول4-19 نتایج آزمایشهای تعیین اثر دورهمزن در شرایط بهینه.................................................................102
مقدمه
هدف از فرآوری کانه منگنز تولید محصول با مشخصات موردنیاز در صنایع مصرف‌کننده است. به دلیل پایین بودن عیار منگنز در اکثر کانسارهای شناسایی ‌شده در ایران و نیاز به محصول با عیارهای بسیار بالا در اغلب صنایع مصرف‌کننده منگنز، به ‌کارگیری روش‌های مختلف پرعیارسازی برای تغلیظ سنگ استخراج‌ شده لازم و ضروری است. با توجه به کاهش ذخایر معدنی پرعیار فلزی، بالا بودن هزینه‌های معدنکاری و مقرون ‌به ‌صرفه نبودن معدنکاری در معادن فلزی با عیار پایین، استفاده از روشهایی که بتوانند فلزات ارزشمند را از منابعی با عیار کم و یا کانسنگ‌های سخت (که پرعیارسازی آن‌ها دارای پیچیدگی هست) تغلیظ کند، لازم و مفید خواهد بود.
کانسنگ منگنز استخراجی از معدن محمدآباد جیرفت، با عیار تقریبی 21 درصد، می‌تواند از منابع مهم قابل‌استفاده‌ی ذخایر سنگ منگنز در ایران باشد. در حال حاضر به دلیل پایین بودن عیار، ترکیب خاص کانی‌های منگنزدار و نوع درگیری آن‌ها با سایر کانی‌های باطله، سنگ معدن استخراجی از این معدن در صنایع مصرف‌کننده قابل‌استفاده نیست.
هدف از این تحقیق معرفی روشهایی کارآمد برای پرعیارسازی کانسنگ منگنز معدن محمدآباد جیرفت، امکان‌سنجی استفاده از روش لیچینگ در استحصال منگنز از کانه و دستیابی به مشخصات مورد نیاز در صنایع مصرف‌کننده است.
پرعیارسازی کانسنگ منگنز معمولاً با ترکیبی از روش‌ها شامل میز لرزان، جیگ، جدایش مغناطیسی شدت بالای خشک و تر، فلوتاسیون و تشویه کاهشی با استفاده از داروهای ویژه انجام می‌شود.
نمونهی معرف تهیه ‌شده، جهت انجام مطالعات شناسایی نمونه به‌طور کامل مورد تجزیه قرار گرفته و خصوصیات آن به طور دقیق بررسی شد. در مرحله بعد از شناسایی نمونه، بررسی پرعیارسازی کانسنگ منگنز معدن جیرفت به روش‌های ثقلی شامل: جیگ، میز لرزان، روش‌های مغناطیسی و سایر روش‌های فرآوری مواد معدنی مانند فلوتاسیون و لیچینگ انتخابی انجام میگیرد. در روش‌های مذکور، پارامترهای عملیاتی مؤثر در بازیابی منگنز مورد ارزیابی و بهینه‌سازی قرار میگیرند.
این تحقیق به‌منظور امکان‌سنجی پرعیارسازی و با نتیجهی حاصل که قابل ‌استفاده کردن سنگ استخراجی معدن منگنز محمدآباد جیرفت است، در مقیاس آزمایشگاهی انجام شده است. در فصل اول به کلیاتی در مورد منگنز و کانیهای منگنز پرداخته شده است. در فصل دوم ، با اشاره به مطالعات انجام شده توسط دیگر محققین، انواع روشهای فرآوری استحصال منگنز از کانسنگ منگنز معرفی شده است. فصل سوم این تحقیق شامل معرفی نمونه مورد آزمایش و مواد و تجهیزات به کار برده شده همچنین تشریح روش انجام تحقیق است. در فصل چهارم نتایج آزمایشها به همراه بحث در مورد نتایج آورده شده است. و در نهایت در فصل آخر نتیجه گیری و پیشنهادات موردنظر مطرح شده است.

فصل اول
منگنز و کانیهای منگنز
1-1 آشنایی
نام منگنز از واژه لاتین Magnes (Magnet)گرفته شده است که به خواص مغناطیسی پیرولوزیت (کانه اصلی منگنز) اشاره میکند. با نماد Mn، عدد اتمی 25، وزن اتمی94/54، وزن مخصوص 43/7 گرم بر سانتیمتر مکعب، سختی6 در مقیاس موس، جلای فلزی، شکننده و غیر قابل انعطاف، نقطه جوش 1962 درجه سانتیگراد و نقطه ذوب 1244 درجه سانتیگراد. منگنز در گروه 7 جدول تناوبی به عنوان فلز بوده و در دوره 4 قرار دارد. محتوای ایزوتوپی منگنز معمولاً با محتوای ایزوتوپی کروم تلفیق شده و در زمین شناسی ایزوتوپی به کار میرود. نسبتهای ایزوتوپی Mn-Cr شواهدی را از Al26 وPd107 به عنوان تاریخ آغاز بیستم خورشیدی تقویت میکند. تغییرات در نسبت های Cr53/Cr52 و Mn/Cr از انواع متئوریتها، نسبت اولیه Mn53/Mn55 را نشان میدهد که سیستم ایزوتوپی Mn-Cr را پیشنهاد میکند چند ظرفیتی بودن منگنز به دلیل به اشتراک گذاردن 7 الکترون در دو لایه خارجی، با توجه به توزیع 25 الکترونی منگنز، میباشد. شش ایزوتوپ پایدار منگنز Mn51، Mn52 ،Mn53،Mn54،Mn55 و Mn56 میباشند[1].
1-2خواص
خواص فیزیکی
منگنز فلزی به رنگ سفید، خاکستری - نقره ای با هاله مایل به صورتی است، که با فلز کروم در گروه ششم و با فلز آهن در گروه هشتم همجوار بوده و از نقطه نظر شیمیایی شباهتهای زیادی به آن دارد. با این وجود، از نظر خواص متالورژیکی منگنز تفاوتهایی با آهن و فلزات نزدیک به آن دارد. چرا که آهن، کبالت و نیکل خواص مفید فیزیکی خود را به عنوان یک فلز حفظ کرده و در اکثر آلیاژها به عنوان عنصر پایه عمل میکنند، درحالی که منگنزچنین نیست. علت عملکرد منگنز در این حالت این است که در شرایط عادی ترتیب قرارگیری اتمهای منگنز در ساختمان بلورین آن به گونهای است که منگنز معمولاً فلزی شکننده و غیرقابل انعطاف و شکل گیری می‌باشد. اما وقتی که منگنز با آهن (و فولاد)، آلومینیوم و سایر فلزات غیر آهنی تشکیل آلیاژ میدهد، باعث بهبود خواص فیزیکی آلیاژ می‌شود.
خواص شیمیایی
این فلز با اسید واکنش پذیری بالا و با آب به آهستگی تجزیه میشود. در ارتباط با دما منگنز به شکل‌های آلفا ، بتا و گاما دیده می‌شود. شکل‌های آلفا و بتا شکننده هستند. شکل گاما نرم و پایداراست و در صورتی که درجه حرارت پایین نگهداری نشود، سریعاً به شکل آلفا تبدیل می‌شود. دمای تغییر شکل الفا به بتا، بتا به گاما و گاما به الفا به ترتیب 720، 1100، 1236 و 1244 درجه سانتیگراد است.
1-3 کانی شناسی
منگنز در بسیاری از کانیهای موجود در پوسته زمین وجود دارد. علارغم این که بیش از 300 کانی حاوی منگنز شناسایی شدهاند، اما تعداد کانیهای منگنزدار دارای ارزش اقتصادی کمتر از 12 میباشد. مهمترین کانیهای اقتصادی منگنز عبارتند از: اکسیدها شامل کانیهای پیرولوزیت، پسیلوملان، هوسمانیت، براونیت، واد، فرانکلینیت، هیدروکسیدها (منگانیت)، کربناتها (رودوکروزیت)، سیلیکاتها (ردونیت) و سولفورها (آلاباندیت)[2].
1-4 ژئوشیمی
منگنز از نظر فراوانی، دوازدهمین عنصر فراوان در پوسته زمین است. کلارک منگنز در ترکیب پوسته جامد زمین 1/0% و در سنگهای مافیک و اولترامافیک تا 5/1% میرسد. کانیهای منگنز به صورت گسترده پراکنده شدهاند. این عنصر در طبیعت به صورت خالص تشکیل نمیشود و بیشتر به صورت اکسید، کربنات و سیلیکات وجود دارد. منگنز از لحاظ ژئو شیمیایی یک عنصر لیتوفیل قوی با اندکی خصوصیات کالکوفیل است.
منگنز در شرایط pH و Eh پائین (احیا) به دلیل پتانسیل یونی نسبتاً پائین، حلالیت بیشتری نسبت به آهن دارد و آسانتر از آهن از سنگ منشأ لیچ میشود، اما در pH و Eh بالا به دلیل تحرک بالا، ته نشینی آهن در ابتدا انجام میشود و سپس منگنز ته نشین میشود. چنانچه وقتی فعالیتهای آتشفشانی زیر دریایی به محیط آب وارد میشوند، در ابتدا آهن در فاصله نزدیک منشأ فعالیت آتش فشانی برجای گذاشته میشود و سپس منگنز به دلیل حلالیت (تحرک پذیری) بیشتر با فاصله زیادتری رسوب میکند. به عنوان مثال در بخش بالایی کانسارهای ماسیوسولفید (تیپ کوروکو)، آهن در بالای کانسار قرار میگیرد در حالی که منگنز در حاشیه آن تشکیل میشود. شکل1-1 محدوده پایداری یونهای منگنز را نشان میدهد که طبق آن پایداری Mn2+ در آبهای سطحی و دریاها به نسبت زیاد است.

شکل1-1-دیاگرام پوربه منگنز- دما 25 درجه سانتیگراد[3]
در شرایط عادی PH و Eh، ترکیبات کربناته و سیلیکاته منگنز رسوب میکنند. در شرایط اکسیدان قوی از پایداری منگنز کاسته میشود و Mn2+ به Mn4+ تبدیل شده و در نتیجه اکسید منگنز (پیرولوزیت) یا اشکال دیگر MnO2 رسوب میکنند. در شرایط احیا کننده، یونMn+2 به صورت محلول باقی میماند مگر این که این یون با مقدار کافی کربنات حل شده و یا با سیلیس ترکیب شود که در نتیجه رودوکروزیت (MnCO3) یا کانیهای سیلیکاته منگنزدار را تشکیل دهد. در محیط احیاکننده قوی نیز کانیهای آلاباندیت (MnS) یا منگانوزیت (MnO) شکل میگیرند. البته به نظر نمیرسد که محیط رسوبگذاری مناسبی برای آلاباندیت یا منگانوزیت (احیا کننده قوی) وجود داشته باشد. شرایط و محدوده تشکیل سولفید منگنز MnS بسیار محدود است. برخلاف آهن که در محیط احیایی بیشتر به صورت سولفید دیده میشود، منگنز به صورت اکسید و کربنات یافت میشود.
1-5 زمین شناسی اقتصادی
منگنز به صورت اکسید و کربنات در دنیا گسترش وسیعی دارد و کربنات آن غالباً با عناصر دیگری از قبیل کلسیم، منیزیم و آهن همراه است. ذخایر اکسید منگنز تقریباً خالص بوده و گروهی نیز حاوی مقادیر جزئی کبالت، نیکل، تنگستن، مس و باریم یا موادی نظیر رس، آهک، چرت و توف میباشند.
هیچ کانی مستقلی از منگنز در مراحل اصلی تبلور ماگمایی یافت نمیشود، لیکن تشکیل برخی از کانیهای منگنز در پگماتیتها و ذخایر پنوماتولیتی و هیدروترمال بعد از مرحله ماگمائی مشاهده شده است.
در سنگهای رسوبی نیز مینیمم فراوانی منگنز در ماسه سنگ 001/0 تا 01/0% و ماکزیمم آن در خاک سرخ پلاژیک اقیانوسی 17/0%، 68/0% و 86/0% اندازهگیری شده است. متوسط درصد منگنز در سنگهای رسوبی 056/0 % محاسبه شده است. انباشتگی درونزادی منگنز فاقد ارزش اقتصادی است، در حالی که کانسارهای عظیم آن در سنگهای رسوبی شناخته شده است و کانسارهای کوچک و بزرگ در سنگهای آتشفشانی ـ رسوبی و در سطح هوازده سنگهای دگرگونه تشکیل میشوند. کانسنگهای منگنز از نظر عیار منگنز به صورت زیر تقسیم بندی می‌شوند[5،4]:
• کانسنگ منگنز با منگنز بالاتر از ۳۵ درصد
• کانسنگ منگنز آهندار با منگنز ۲۰ تا ۳۵ درصد
• کانسنگ منگنز آهنی با منگنز بین ۱۰ تا ۲۰ درصد
• کانسنگ آهن منگنزدار با منگنز بین ۵ تا ۱۰ درصد
هر چند ذخائر منگنز ممکن است در طیف وسیعی از شرایط و تشکیلات زمین شناسی از پر کامبرین تاسنوزوئیک پیدا شوند، با این وجود ۷۰ درصد ذخائر شناخته شده در تشکیلات زمین شناسی سنوزوئیک وجود دارند و ۱۰ درصد نیز در سنگهای کامبرین یافت می‌شوند. وجود ذخائر مهم منگنز در سنگهای دوران مزوزئیک نادر است به جز در مورد ذخائر منطقه گروت آیلنت در کشور استرالیا و مولانگو در کشور مکزیک بزرگترین و اقتصادیترین ذخائر منگنز از نوع رسوبی بوده و به شکل تقریبا لایهای و گسترده در سطح یافت میشوند. مثالهای این نوع ذخایر وجود ذخائر غنی منگنز در کشورهای مراکش، نیکوپال اوکراین، چیاتورا گرجستان مورودواروکم برزیل و ماهاراشتای هندوستان هستند. انواع دیگری از ذخایر منگنز در ارتباط با تشکیلات رسوبی آهنی دوران پر کامبرین یافت شدهاند در این ذخائر منگنز به صورت کربنات و یا اکسید منگنز و معمولا با عیار کم تمرکز یافته است. مثالهای معروف این نوع ذخائر پست مازبورگ و کورومان در کشور آفریقای جنوبی و ماتوگراس برزیل هستند. نظیر ذخایر لاتریتی آهن، بوکسیت و نیکل، ذخایر بر جای منگنز نیز تحت شرایط مناطق حاره دچار هوازدگی شده و این امر منجر به غنیتر شدن کانسار و تبدیل کانی‌های منگنزدار کم عیار به کانی‌های پرعیارتری نظیر پیرولوزیت و کریپتوملان و منگانیت میشود. مثالهای بارز این نوع ذخایر در کشورهای برزیل منطقه آماپا گابن منطقه مداندا،‌ غنا، استرالیا و هندوستان وجود دارند.
1-5-1 تقسیم بندی کانسارهای منگنز (پارک و مک دیارمید ۱۹۷۵)
1-5-1-1 کانسارهای همراه با توف ها و رسوبات آواری مرتبط با مواد آتشفشانی (نوع آتش فشانی – رسوبی):
این گروه از نظر اقتصادی ارزش بیشتری دارند به عنوان مثال میتوان کانسارهای پونوپو درکوبا، دره رودخانه الکی در شیلی و کانسار منگنز ونارچ قم نام برد.
1-5-1-2 کانسارهای مستقل از فعالیتهای آتشفشانی:
مانند کانسار نیکوپول در اکراین.
1-5-1-3 کانسارهای همراه با کانسارهای آهن لایهای
در ذخایر منگنز، منگنز به دو صورت Mn+4 و Mn2+ واکنش میدهد. منگنزهای موجود در منطقه هیپوژن اغلب دو ظرفیتی بوده و به صورت انواع کانیهای کربناته و سیلیکاته ظاهر میشوند. منگنز دو ظرفیتی نسبتاً محلول و به شدت متحرک است. در منطقه سوپرژن، منگنزهای منتقل شده از منطقه هیپوژن به صورت اکسیدهای چهار ظرفیتی که در منطقه سوپرژن پایدارترند، رسوب میکنند.
بیشتر تمرکزهای اولیه منگنز که تشکیل کانسارهای مهم و اقتصادی منگنز را میدهند و یا انواع دیگر که حاصل فرآیندهای ثانویه هستند، همگی منشأ رسوبی دارند و در این ارتباط اکثر طبقهبندیها مبتنی بر شرایط منطقه رسوبگذاری و نحوه تمرکز منگنز میباشد[6].
رایجترین طبقهبندیها کانسارهای منگنز را به گروههای رسوبی، گرمابی، دگرگونی و سوپرژن تقسیم بندی میکنند.
1-5-2 تقسیم بندی کانسارهای منگنز ( گیلبرت و پارک ۱۹۷۷ )
1-5-2-1 کانسارهای رسوبی منگنز
قسمت اعظم منگنز دنیا از کانسارهای منگنز رسوبی به دست میآید. شوروی سابق یکی از اصلیترین تولیدکنندگان منگنز جهان به شمار میآید که با تولید ۹۰۱ میلیون تن در سال ۱۹۸۹ نزدیک به ۴۱% از کل تولید جهان را به خود اختصاص داده است. در حدود ۷۵% از منابع منگنز کشف شده (در خشکی) در شوروی سابق در حوضه نیکوپول در اوکراین و مابقی در حوضههای چیاتورا در گرجستان واقع شده است.
کانسارهای رسوبی براساس منشأ منگنز به ۲ زیر گروه تقسیم میشوند:
1-5-2-2 کانسارهای رسوبی – آتشفشانی
در این نوع کانسارها منشأ منگنز درونی و عمدتاً آتشفشانهای زیر دریایی میباشند. این نوع کانسارها در مناطقی به وجود آمدهاند که فعالیتهای شدید آتش فشانی زیردریایی وجود داشته باشد. این کانسارها یا همراه با سنگهای تراکی ریولیت و یا همراه با گرینستون و مقادیری از سنگها و کانههای رسوبی هستند. معمولاً کانسارهای آهن ـ منگنز محدود به کمپلکسهای دیاباز ـ پورفیری یا کوارتز ـ کراتوفیری هستند و در نزدیکی مراکز فعالیت آتشفشانی و یا در فاصلهای از آن در بین لایههایی از مواد آذرآواری قرار دارند. این کانسارها از تغییرات کانسارهای رسوبی با منشأ گرمابی در تودههای نفوذی کم عمق تشکیل شدهاند.
کانسارهای این گروه به وسیله ترکیب براونیت، هوسمانیت و رودوکروزیت از کانههای اولیه منگنز و با حضور کانیهای پسیلوملان ـ وناردیت در پوستههای هوازده، قابل تشخیص هستند و شکل کانسار به صورت لایهای است. این کانسارها لایههایی با ضخامت ۱۰-۱ متر و ۵۵ ـ ۴۰% منگنز، کمتر از ۱۰% سیلیس و ۰۶/۰-۰۳/۰% فسفر تشکیل میشوند.
این کانسارها در مناطقی که فعالیتهای آتشفشانی شدید است، ذخیرهای نسبتاً کوچک دارند. کانسار قزاقستان روسیه و کوست رینج در آمریکا نمونهای از این کانسار است[6].
1-5-2-3 کانسارهای رسوبی – غیر آتشفشانی
در این کانسارها منشأ منگنز فرآیندهای بیرونی مانند هوازدگی سنگهای سطحی تأثیر دارد. این کانسارها مجموعه ذخایر منگنز و دیگر عناصری را که عمدتاً به وسیله آبهای سطحی و زیر زمینی از مناطق هوازده خشکی به حوضههای آبی حمل میشوند را شامل میشود. این کانسارها یا همراه با رس و ماسه سنگ گلوکونیتی و یا همراه با کربناتها میباشد.
طی فرآیندهای غنیسازی، دو عنصر آهن و منگنز در مراحل مختلف مانند جدا شدن از سنگهای منبع، حمل و تهنشینی و مراحل دیاژنز از یکدیگر تفکیک میشوند و بدین ترتیب منجر به تشکیل ذخایری با نسبت بالای آهن و منگنز میگردند. با توجه بر این که حلالیت منگنز در بعضی مقادیر PH و Eh اسیدی به طور قابل توجهی از آهن و آلومینیوم بیشتر است، بسته به طبیعت فرآیند هوازدگی، آهن و منگنز ممکن است به طور یکسان تا ترجیحاً منگنز، از سنگهای منبع جدا شده باشند. هوازدگی پوسته بازالتی اقیانوسی به وسیله آب دریا در درجه حرارت پائین ممکن است منجر به حل شدن و ته نشینی اکسیدهای منگنز شود. این کانسارها ۷۵% ذخایر شناخته شده جهان را شامل میشوند.
شکل کانسار به صورت لایهای و عدسی میباشد. و بزرگترین ذخیره منگنز جهان نیکوپول در اوکراین را شامل میشوند. کانسارهای مهم منگنز به طور عمده در محدوده زمانی تشکیل شدهاند که میزان اکسیژن آزاد کاهش داشته است. کانسارهای کشف شده اکثراً متعلق به اوایل پالئوزوئیک، ژوراسیک و اواسط کرتاسه هستند. همراه کانسارهای آهن رسوبی لایهای، مقداری منگنز نیز یافت میشود.
کانسار منگنز نیکوپول واقع در شوروی سابق بزرگترین ذخیره منگنز دنیا محسوب میگردد. این کانسار در الیگوسن تشکیل شده است. این کانسار که از نوع کانسارهای رسوبی منگنز است، در سنگ میزبان کربناته قرار دارد. استراتیگرافی منطقه از پایین به طرف بالا شامل: پی سنگ کریستالین، پی سنگ هوازده، ماسه سنگ و رس، سیلتستون، ماسه سنگ گلاکونیت، لایه منگنزدار، رسهای سبز تا خاکستری، مارن و آهک است.
لایه منگنز شامل سه رخساره اکسید، مخلوط اکسید – کربنات و کربنات است، که کربناتها در حاشیه حوضه رسوبی تشکیل شده اند. رنج منگنز از ساحل به اعماق عبارتند از:
رخساره کربناته(رودوکروزیت منگانو کلسیت) اکسیدی(پیرولوزیت پسیلوملان)
محیط حاشیه حوضه رسوبی یا ساحلی ( محیط عمیق) افق منگنزدار ۲ تا ۳ متر ضخامت، ۲۵ کیلومتر عرض و ۱۵۰ کیلومتر طول دارد. رخساره اکسید حدود ۲۵ درصد ذخیره را تشکیل میدهد. عیار منگنز ۱۵ تا ۲۵ درصد است. منگنز از سنگهای مافیکی اسپلیتی کریستالین منشأ گرفته است. بافت ذخیره از نوع اُالیتی، پیزولیتی، لامیناسیون و جانشینی صدفها است. کانسارهای منگنز در کربناتها در هندوستان، برزیل و مراکش کشف شده است. منشأ منگنز به طور عمده سنگهای آتشفشانی است[6].
1-5-2-4 کانسارهای گرمابی منگنز
این کانسارها به صورت رگهای میباشد و کانیهای اقتصادی آن عمدتاً رودوکروزیت و پیرولوزیت میباشد. چشمههای آب گرم در کانسارهای موجود در قارهها و پیدایش آنها در مناطق فعال کف دریاها مثالهای جالبی از تشکیل کانیهای اکسید منگنز از سیالات هیپوژن هستند. با مقایسه ترکیب کانسارهای منگنز در چشمههای آب گرم امروزی و کانیهای منگنز رگهای هیپوژن قدیمی تشابه بین آنها به خوبی روشن میشود. در ذخایر گرمابی یک نوع پراکندگی ناحیهای مربوط به کانیهای منگنز و سایر فلزات مشاهده شده است. چشمه‌های آب گرم در کانسارهای موجود در خشکی‌ها و پیدایش آنها در مناطق فعال کف دریاها مثالهای جالبی از تشکیل کانیهای اکسید منگنز از سیالات هیپوژن هستند. با مقایسه ترکیب کانسارهای منگنز در چشمه‌های آب گرم امروزی و کانیهای منگنز رگه‌های هیپوژن قدیمی، تشابه بین آنها به خوبی روشن می‌شود. در ذخایر گرمایی یک نوع پراکندگی ناحیهای مربوط به کانیهای منگنز و سایر فلزات مشاهده شده است. در عمیقترین بخشها تنها کانیهای منگنز دو ظرفیتی (رودوکروزیت، رودونیت، تفروئیت و آلاباندیت) همراه با سولفورهای فلزات پایه (Pb, Zn, Cu) و کانسارهای طلا- نقره تشکیل میشود. با بالا آمدن محلولهای هیپوژن به طرف سطح زمین در مناطق فوقانی و امتزاج آن با نزولات اکسیژندار پائین رو، گیبسیت و براونیت که اکسیدهای با ظرفیت کم هستند و کریپتوملان، پسیلوملان، پیرولوزیت و کرونادیت که اکسیدهای با ظرفیت زیاد هستند، به صورت تابعی از میزان اکسیژن و درجه حرارت تشکیل میشوند. مانند کانسار منگنز بیوت (آمریکا) [6].
1-5-2-5 کانسارهای دگرگونی منگنز
کانسارهای دگرگونی حاوی کانیهای فراوان منگنز به تعداد زیادی یافت میشود اما تنها تعداد کمی از این کانسارها و عمدتاً آنهایی که دارای کانیهای براونیت، هوسمانیت و بیگسبیت هستند، اهمیت محلی دارند و نظر کانسار به صورت لایهای است. کانسارهای دگرگونی منگنز در ارتباط با سنگهای سیلیکاته حاوی منگنز در دوره پروتروزوئیک مانند گاندیتها و کودوریتها میباشند. گاندیتها از کوارتز، اسپسارتین، براونیت، هوسمانیت و رودوکروزیت تشکیل شدهاند و کودوریتها از فلدسپات پتاسیک، اسپسارتین و آپاتیت تشکیل یافتهاند. اینها در بین لایه‌های از مرمرها، کوارتزیت‌ها و شیستها قرار دارند. گاندیت‌ها و کوردوریت‌ها در مناطق زیادی با صدها کیلومتر مربع مساحت پراکنده هستند. طول ذخایر منگنزدار از ۳ تا ۸ کیلومتر و ضخامت آنها از ۳ تا ۶۰ متر متغیر میباشد. متوسط میزان منگنز در آنها ۱۰ تا ۲۰ درصد است. بزرگترین کانسارهای شناخته شده از این نوع در هند و برزیل وجود دارند. مانند کانسار منگنز پُست ماسبرگ در آفریقای جنوبی.
براونیت کانی مشخصهی کانسارهای دگرگونی ضعیف است، در دگرگونی شدید کانی بیگسبیت از تحول براونیت و هماتیت تشکیل میگردد و همراه آن هولاندیت، هوسمانیت و ژاکوبسیت نیز ظاهر میشوند. هولاندیت یک کانی هیپوژن است و از طریق دگرگونی مجاورتی و ناحیهای تشکیل میشود. بسیاری از کانسارهای رسوبی منگنز، متعاقباً به وسیله دگرگونی حرارتی و مجاورتی با شدتهای متفاوت تغییر پیدا میکنند و این امر باعث تغییر کانیشناسی و بافت کانسارهای قبلی میگردد، اما نقشی در تمرکز آنها ایفا نمیکند. در کانسنگهای اکسیدی دگرگون شده منگنز، براونیت و بیگسبیت بسته به حضور سیلیس، آهن و … و نیز حرارت و اکسیژن به تنهایی یا با هم تشکیل میشوند[6].
1-5-2-6 کانسارهای منگنز تجزیهای یا سوپرژن
فرآیند تشکیل این کانسارها شامل تجزیه عناصر غیر از منگنز در سنگ مادر توسط آبهای سطحی و زیرزمینی است. این فرآیند باعث متمرکز شدن مواد باقیمانده و یا تجزیه و تهنشینی مجدد منگنز در پوسته هوازده نزدیک سطح می‌شود. اکسیداسیون سوپرژن برجا و غنیسازی سنگهای منگنزدار، به خصوص در سنگهای کربناته، یا تحرک مجدد کانسارهای منگنز قبلی در جریان هوازدگی منجر به تشکیل ذخایر پرعیار و اقتصادی میگردد. سنگ مادر این نوع کانسارها باید دارای درصدکانی منگنز ( ۵ تا ۱۰ درصد ) باشد. هوازدگی در مناطق گرمسیری معمولا منجر به افزایش عیار بیش از ۵ الی ۶ درصد نمیشود. اگر اکسیداسون شدید و فراگیر باشد، پیرولوزیت و یاکریپتوملان (بسته به تمرکز پتاسیم) مستقیما از رودوکروزیت یا پیروکروزیت تشکیل می‌شود. چنانچه اکسیداسیون محدود و دارای تغییراتی از بالا به طرف پایین سطح باشد، فازهای مختلف معرف حالتهای اکسیداسیون متفاوت تقریبا به صورت زیر می‌باشد[6].
رودوکروزیت هوسمانیت منگانیت بیرنسیت نسوتیت پیرولوزیت و کریپتوملان
همانطوری که تحرک آهن و آلومنیوم به تشکیل لاتریتهای آهندار و بوکسیت منجر میشود، منگنز نیز میتواند در طول هوازدگی شیمیایی تشکیل ذخایر بازماندی منگنز با عیار بالا را بدهد. در مرحلهی اصلی تبلور ماگما به دلیل قرار گرفتن منگنز در کانیهای آهن و منیزیمدار، هیچ کانی مستقلی از منگنز تشکیل نمیشود و کانیهای منگنزدار هوازده شده و باعث تشکیل ذخایر اقتصادی منگنز میشوند که به صورت پوشش بر روی سنگهای حاوی منگنز وجود دارد. کانیهای اقتصادی این نوع شامل پسیلوملان، پیرولوسیت و منگانیت میباشد[6].
در مورد ذخایر بازماندی منگنز نیز مانند بوکسیت ها، آب و هوا ـ زهکشی ـ ماهیت سنگ مادر از عوامل تعیین کننده تمرکز ذخیره میباشند. سنگ مادری که منشأ ذخایر بازماندی هستند باید به قدر کافی غنی از منگنز باشند، به عنوان مثال ۱۰% منگنز. این نوع کانسارهای منگنز از هوازدگی شیمیایی سنگهای کربنات منگنزدار و سنگهای سیلیکات ـ کربنات حاوی منگنز تشکیل میشوند. مهمترین ذخایر منگنز بازماندی در غرب آفریقا (گابون)، آفریقای جنوبی، برزیل، هند و ونزوئلا و کانادا شناخته شدهاند[6].
1-5-2-7 گرهکهای (ندول های) منگنز
بزرگترین منابع منگنز در کف اقیانوسها و دریاچههای عهد حاضر وجود دارد که در آن کانسارهای منگنز و آهن به صورت گرهک و کنکرسیونهای نامنظم یافت میشوند (شکل 1-2). قطر گرهکها از ۱ میلیمتر تا ۲۵ سانتیمتر متغیر است و گاهی به یک متر میرسد ولیکن بیشترین پراکندگی مربوط به قطرهای ۷-۳ سانتیمتر است. نودولها معمولا ًبه شکل کروی، بیضوی، عدسی مانند و صفحهای است. گرهکها حاوی ۲۰ تا ۳۰ درصد اکسیدهای منگنز و مقداری آهن میباشند و جمع مقادیر کبالت، نیکل و مس در آنها ۲ تا ۳ درصد میباشد. گرهکها حاوی مقادیری تیتانیوم، وانادیوم و مولیبدن نیز می باشند. میزان ذخیره گرهک های منگنز قابل بازیابی ۵۰ بیلیون تا یک تریلیون تن تخمین زده شده است. سرعت رشد گرهکها یک میلیمتر در هر یک میلیون سال است. گرهکهای منگنز، پوششی که ضخامت آن به اندازه ضخامت یک گرهک میباشد را در کف اقیانوس تشکیل میدهند. در مورد منشأ گرهکها نظریههای مختلفی وجود دارند. امروزه در ایالات متحده آمریکا، آلمان و ژاپن که فاقد ذخایر بزرگ منگنز در خشکی هستند، استخراج نودولهای منگنز- آهن از کف اقیانوسهای آرام و اطلس در اعماق بیش از ۷ کیلومتری را توسط کشتیهای عظیم اکتشافی که عمل لیچینگ (هیدرومتالورژی)، گرم کردن / ذوب (پیرومتالورژی) یا ترکیبی از هر دو را انجام میدهند، آغاز شده است. نودولهای استخراجی حاوی ۳۰ – ۲۵% منگنز، ۱۲- ۱۰% آهن، ۲-۱% نیکل، ۵/۱- ۳/۰ % کبالت و ۵/۱-۱ % مس هستند. تمرکز این نودولها بر حسب تولید در سطح، حدود ۲۰ – ۱۵ کیلوگرم بر متر مربع است[6].
شکل 1- 2- طرح شماتیک یک گرهک همبرگری شکل
میزان ذخیره منگنز بین زون گسله کلاریون و کلیپرتون در حدود ۱۰۶×۲ تن با عیار ۲۵% منگنز، ۳/۱ % نیکل، ۱% مس، ۲۲% کبالت و ۵% مولیبدن تعیین شده است. میانگین منگنز در نودولها ۲۴% است که در مقایسه با میانگین منگنز تودههای معدنی که ۵۵% – ۳۵ است، از نظر اقتصادی به عنوان منبع منگنز پیشنهاد نمیشوند اما آنها حاوی ۱۴% Fe = ، ۱%Cu =، ۱% Ni = و ۲۵/۰% Co = هستند.
1-5-2-8 منگنز نقطهای
دندریتها یا شجرههای پیرولوسیت (MnO2) بر روی سطح شکستگی بسیاری از سنگها قابل مشاهده میباشند. لیکن در سنگهایی که مقدار مس درصد چند صد پیپیام است، به جای تشکیل (دندریت منگنز)، منگنز نقطهای تشکیل میشود.
1-6 اکتشاف وارزیابی ذخایر منگنز
اکتشاف و ارزیابی ذخایر منگنز نسبت به بسیاری از مواد معدنی دیگر مشکلتر است. این کانسارها معمولاً کوچک و به صورت پراکنده هستند و روشهای ژئوفیزیکی گران قیمت برای اکتشاف این تودههای کانساری مقرون به صرفه نیست.
برخلاف روشهای ژئوفیزیکی که در اکتشاف منگنز چندان موفق نیستند، روشهای ژئوشیمیایی به دلیل حلالیت بالای منگنز به عنوان ابزاری مؤثر در پروژه‌های اکتشاف می‌توانند مورد استفاده قرار گیرند. یکی از مشکلات عمده در مراحل اکتشاف منگنز، نگهداری نمونه معرف کانسار برای مراحل ارزیابی و آنالیز است. در گذشتههای دور بیشتر حفاریهای ضربهای برای اکتشاف منگنز استفاده میشد. امروزه بیشتر از حفاریهای چرخشی برای این منظور استفاده میشود، اگر چه در این حالت هم باید برای حفظ نمونه معرف دقت کافی شود.
1-7روشهای عمده استخراج منگنز
اکثر کانسارهای با ارزش منگنز، از غنیسازی ثانویه توسط آبهای زیرزمینی و لیچینگ سنگهای رسوبی منگنزدار تشکیل میشوند. به دلیل تنوع کانسارهای منگنز و گستردگی ترکیبات و کانیهای شناسایی شده در این کانسارها، هیچ یک از روشهای کانهآرایی به تنهایی کاربرد ندارد. در استخراج کانسنگ منگنز، هم روش استخراج روباز و هم زیرزمینی مورد استفاده قرار میگیرد.
ندولهای منگنزدار پوسته کف اقیانوسها ذخایر عظیمی از منگنز را تشکیل میدهند ولی به علت مشکلات تکنیکی زیادی در استخراج آنها وجود دارد. به منظور پر عیار سازی منگنز به دلیل تنوع کانسارهای منگنز و گستردگی ترکیبات و کانیهای شناسایی شده در این کانسارها هیچ یکی از روشهای کانهآرایی به تنهایی و حتی به همراه مجموعهای از سایر روشها، در همه کانسارهای منگنز کاربرد ندارد.
1-8 کاربردهای منگنز
در صنایع فولاد منگنز باعث نورد کردن فولاد و چکشخواری، استحکام، دوام، مقاومت در برابر سایش و شکنندگی میشود. از ترکیب منگنز و آلومینیوم و آنتیموان و کمی مس آلیاژی با خاصیت فرومغناطیس قوی حاصل میشود. منگنز خالص دارای چهار آلوتروپی میباشد. فرم آلفا در درجه حرارت معمولی پایدار است. فرم گامای این عنصر دارای خصوصیات انعطاف پذیری بالا، نرم و راحت با چاقو بریده میشود، و همچنین چکشخوار است. کاربردهای متنوع منگنز باعث میشود که این فلز را در سه نوع عیار متالورژیکی، شیمیایی و باتری طبقهبندی کرد. با توجه به جدول 1-1، عیار متالورژیکی در حدود 38 تا 55 درصد منگنز میباشد، و ممکن است با عیار شیمیایی تنها در شکل فیزیکی آن تفاوت داشته باشد. کانیهایی با عیار باطری و شیمیایی اغلب توسط محتوی MnO2 دستهبندی میشوند، که نوعا در حدود 70 تا 85 درصد (44 تا 54 درصد منگنز) میباشند[7].
جدول1-1 –مشخصات ترکیبهای موجود در محصولات منگنز[7]
نوع محصول ترکیبها درصد ترکیبها
عیار متالورژیکی منگنز
آهن
سیلیکا + آلومینا
فسفر
مس + سرب + روی 0/40
0/16
بدون محدودیت خاصی
کمتر از 3/0
کمتر از 0/1
عیار باتری منگنز
آهن
سرب
مجموع فلزات سنگین به جز آهن و سرب
مجموع غیر محلولها
pH بیشتر از 0/75
کمتر از 0/3
کمتر از 5/0
5/0
0/10
4 تا 7
عیار شیمیایی نوع A
دی اکسید منگنز
آهن بیشتر از 0/80
کمتر از 0/3
نوع B
دی اکسید منگنز
آهن
سیلیکا
آلومینا
فسفر
بیشتر از 0/85
کمتر از 0/3
کمتر از 0/3
کمتر از 0/3
کمتر از 1/0
1-9 توزیع منگنز در دنیا
برخلاف فراوانی و توزیع جغرافیایی ذخائر منگنز 95 درصد از تولید جهان فقط از 7 کشور تولید کننده باشد، همانطور که در شکل 1-3 نیز مشاهده میشود، از تولید کنندگان اصلی منگنز میتوان از آفریقای جنوبی با 62/3 میلیون تن، گابون با 45/2 میلیون تن، استرالیا با 2 میلیون تن، برزیل با 8/1 میلیون تن و هند با 1/1 میلیون تن نام برد. بیش از 80 درصد از ذخائر کشف شده جهان در دو کشور اوکراین و آفریقای جنوبی متمرکز شده است. تقریباً هیچ کشور صنعتی جهان همانند آمریکا، ژاپن و کشورهای اروپایی دارای ذخایر قابل توجه منگنز نیستند و باید همگی نیازهای خود را وارد کنند.

شکل1- 3- نحوه توزیع ذخایر منگنز در دنیا[8]
1-9-1 تولید منگنز در ایران
تاکنون در ایران بیش از 45 کانسار و نشانه معدنی منگنز شناخته شده است که در بین آنها 10 کانسار متوسط و بقیه کانسارهای کوچک و نشانه معدنی میباشند. البته امکان اکتشاف ذخایر پرعیار و بزرگ منگنز، در کشور زیاد است.
مهمترین معادن در دست بهرهبرداری، معادن ونارچ و رباط کریم است که از تولید کنندگان مهم به شمار میروند. مصرف اصلی در کشور، مربوط به صنایع فولاد وبزرگترین مصرف کننده آن کارخانه ذوب آهن اصفهان است. این کارخانه، برای تولید 2 میلیون تن فولاد، نیاز به 100000 تن سنگ منگنز با عیار 25 درصد دارد. افزون بر صنایع فولاد، صنایع دیگر نیز به میزان جزیی منگنز مصرف میکنند.
در حال حاضر، از بین کانسارها و آثار شناخته شده منگنز و آهن منگنزدار ایران، با در نظر گرفتن سطح فعالیتهای انجام شده در آنها، سه معدن و نارچ قم، رباط کریم و ناریگان را میتوان به عنوان تأمین کننده بالقوه نیازهای داخلی در نظر گرفت. از این میان، معدن ونارچ قم با توجه به شرایط نسبتاً مناسب آن از نظر سابقه بهرهبرداری و وجود اطلاعات اکتشافی، وضعیت مناسبی دارد و یکی از مهمترین تأمین کنندههای منگنز ایران است. ذخیره کانسارهای منگنز ایران است حدود 17 میلیون تن برآورده شده است (به جز ذخایر منگنز آهندار). میزان ذخایر کانسارهای آهن منگنز نیز حدود 100 میلیون تن میباشد.
تولید کانسنگ منگنز ایران، سالانه حدود 135 هزار تن است. ایران در مقایسه با دیگر کشورهای جهانی، از نظر تولید کانسنگ منگنز در مکان پانزدهم قرار دارد. به بیانی 5/0 درصد از کل تولید منگنز جهانی، به ایران تعلق دارد.
1-9-2 تولید منگنز در دنیا و توسعه های اخیر
صنعت فولاد یکی از بخشهای مهم در اقتصاد جهان محسوب میشود و به دلیل وجود کثرت حلقههای ارتباطی بالادست و پاییندست با دیگر بخشهای اقتصادی به عنوان صنعتی پیشرو و کلیدی از اهمیت خاصی برخوردار میباشد، به طوری که میزان تولید و مصرف آن نمایانگر پیشرفت صنعتی و اقتصادی کشورها و تحرک دیگر بخشهای اقتصادی است. مصرف سرانه فولاد دنیا حدود 200 کیلوگرم میباشد که این میزان در کشورهای پیشرفته صنعتی بین 350 تا 600 کیلوگرم و در کشورهای فقیر و توسعه نیافته بین 20 الی 40 کیلوگرم است. مصرف سرانه فولاد در ایران نیز حدود 290 کیلوگرم است که در حال حاضر 150 کیلوگرم آن در داخل کشور تولید شده و بقیه از کشورهای دیگر تامین میشود. ایران در بین کشورهای تولید کننده فولاد در سال 2008 با تولید حدود ده میلیون تن در رتبه نوزدهم بوده است. ایران در سال 2009 میلادی با سه پله صعود نسبت به سال 2008 شانزدهمین فولادساز بزرگ جهان لقب گرفت و در سال 2010 میلادی نیز هفدهمین فولادساز بزرگ جهان بوده است و این در حالی است که در بین 20 کشور تولید کننده عمده فولاد جهان تنها کشورهای امریکا، روسیه، مکزیک، آفریقای جنوبی و ایران دارای سه عنصر اصلی تولید فولاد یعنی سنگ آهن، انرژی و آب هستند. لذا کشور ایران از مزیت نسبی در تولید فولاد برخوردار میباشد. آلیاژهای منگنز شامل فرومنگنز و سیلیکومنگنز از مواد مصرفی در صنایع فولادسازی، تولید چدن و صنایع ریختهگری میباشند. مهمترین نقش منگنز تولید فولاد خام، اکسیژنزدایی است. میزان ظرفیت در حال بهرهبرداری فرومنگنز در داخل کشور 42 هزار تن میباشد، در حالی که میزان نیاز به این ماده در حال حاضر 71 هزار تن بوده و تا پایان برنامه چهارم بالغ بر 100 هزار تن خواهد بود. با توجه به شرایط بازار و سیاستهای توسعهای کشور در بخش فولاد چشمانداز گسترش تقاضا برای فرومنگنز وجود داشته و اجرای طرحهای تولید فرومنگنز را توجیهپذیر میسازد. در تولید منگنز سهم ایران 38/0 درصد است و دوازدهمین تولید کننده منگنز دنیا به شمار میآید. سالانه از 21 معدن منگنز کشور بیش از 134 هزار تن استخراج میشود. ذخایر این ماده معدنی نزدیک به 2/8 میلیون تن است. براساس گزارش سازمان زمینشناسی آمریکا بعد از آفریقای جنوبی، استرالیا و چین هر یک با تولید 1/3 میلیون تنی به صورت مشترک در رده دوم و گابن نیز با تولید 2 میلیون تنی در رده سوم قرار گرفتند. برزیل هم با تولید 4/1 میلیون تنی جایگاه چهارم را به خود اختصاص داد. تولید منگنز در سایر کشورهای جهان در سال قبل زیر یک میلیون تن بوده است. از دیگر تولیدکنندگان عمده منگنز در جهان میتوان به برمه، هند، قزاقستان، مالزی، مکزیک و اوکراین اشاره کرد. مجموع تولید جهانی منگنز در سال 2013 به 17 میلیون تن رسید که نسبت به تولید سال 2012 رشد 2/1 میلیون تنی را تجربه کرد. زمینهای حاوی منابع منگنز بسیار گسترده و بزرگ بوده اما در عین حال به صورت پراکنده و نامنظم توزیع شدهاند. در آمریکا ذخایر منگنز دارای عیار بسیار پایین بوده و به همین دلیل استخراج این ذخایر مستلزم صرف هزینه بسیار بالایی است. آفریقای جنوبی دارای حدود 75 درصد از کل ذخایر جهانی شناخته شده منگنز است و اوکراین نیز 10 درصد این ذخایر را در اختیار دارد. در سال 2013 پروژههای مختلفی در زمینه افزایش 5 میلیون تنی ظرفیت تولید منگنز در سراسر جهان در دست اجرا بود که بیشتر این افزایش ظرفیت نیز مربوط به آفریقای جنوبی میشود. سال قبل تولید فولاد آمریکا برنامهریزی شده بود که با افت کوچکی نسبت به سال 2012 مواجه میشود و به همین دلیل واردات فرومنگنز این کشور نیز برآورد میشود که در سال قبل با کاهش 20 درصدی نسبت به سال 2012 مواجه شده است. در نتیجه مصرف ظاهری منگنز آمریکا هم با افت 8 درصدی به 770 هزار تن رسید. در آمریکا سنگ منگز با عیار 35 درصد یا بیشتر از سال 1970 تاکنون تولید نشده است.
اداره زمین شناسی آمریکا ذخائر منگنز را در گروه ذخایر اقتصادی و پایه منتشر میکند. ذخائر اقتصادی شامل ذخایری میشوند که استخراج آنها در شرایط فعلی امکانپذیر و اقتصادی میباشد. ذخایر پایه شامل مجموعه ذخایر اقتصادی و غیراقتصادی می‌شود که از نظر عیار، ضخامت و عمق در شرایطی قرار دارند که از نظر فنی قابل معدنکاری هستند.
براساس گزارش اداره زمین شناسی آمریکا مجموع ذخایر پایه شناخته شده جهان در حدود ۵۰۰۰ میلیون تن است که برای سالها بدون تغییر باقی مانده است و ذخیره عمده جدیدی کشف نشده است. از این مقدار استخراج ۶۸۰ میلیون تن آن در شرایط فعلی اقتصادی می‌باشند.
با توجه به اینکه ذخایر منگنز موجود در خشکی‌ها قادر به تامین نیاز صنایع برای سالهای آتی هستند، به نظر نمیرسد که در آینده نزدیک استخراج ذخایر کف اقیانوسی جهت تامین منگنز اقتصادی بشوند. ولی در صورتی که این ذخایر به منظور دستیابی به مس و یا نیکل آن مورد استخراج قرار گیرند، منگنز و کبالت نیز به عنوان محصولات جانبی میتوانند تولید بشوند. با توجه به کفایت ذخائر مس و نیکل در خشکی‌ها مشخص نیست که دقیقا چه زمانی استخراج ازذخایر کف اقیانوسی اقتصادی بشود. با این حال کشورهای آمریکا،‌ چین، هندوستان، ژاپن و روسیه به تحقیقات خود در قالب پروژه‌های بلند مدت در خصوص اکتشاف و امکانپذیری استخراج ذخایر کف اقیانوسی از آبهای بینالمللی و سواحل خودشان ادامه میدهند.
فصل دوم
روشهای فرآوری کانههای منگنز
2-1مقدمه
در این قصل نگاهی اجمالی به روشهای فیزیکی پرعیارسازی کانسنگ منگنز و به طور مبسوط روش لیچینگ و مطالعات و تحقیقات گذشته در این زمینه شده است. سعی بر این بوده، که تمامی روشهای موجود معرفی شوند. این مطالعات دید مناسبی برای انجام آزمایشهای فرآوری کانسنگ منگنز مورد نظر به دست میدهد.
2-2 سنگجوری
سنگجوری سادهترین و ابتداییترین روش پرعیارسازی سنگ منگنز است که هنوز در بعضی از معادن کاربرد دارد. کانههای منگنز اغلب دارای رنگ تیره مشخص با جلای فلزی و چرب هستند که تا حد زیادی از کانههای غیرفلزی باطلهی همراه که معمولا رنگهای روشنتری دارند، قابل تشخیص هستند. از اهمیت سنگجوری دستی برای مقادیر زیاد کانی کم عیار که ریز دانه هستند کاهش یافته است. گرچه امروزه از سنگجوری دستی برای حذف تکههای آهن،چوب و... از کانسنگ معدن استفاده میشود[9]. این روش محدودیت کاربرد داشته و فقط دانههای درشت کانه با این روش قابل تفکیک هستند و این امر راندمان را به شدت کاهش داده و در مواردی عملا به کارگیری این روش را غیرممکن میسازد. با توجه به محدودیت ظرفیت این روش، در کارخانههایی با ظرفیت زیاد از روشهای «سنگجوری مکانیکی» استفاده میشود[10]. شستشوی سنگ استخراجی و یا خردایش آن در مواردی میتواند سنگ جوری را آسانتر کند.
2-3پرعیارسازی به روش ثقلی
روشهای جدایش ثقلی کانیها بر مبنای حرکت نسبی آنها در یک محیط سیال پایهگذاری شده است. نیروی مؤثر عمدتا وزن دانهها است. نیروی دیگر مقاومت سیال در برابر حرکت جسم است که به ابعاد و شکل دانهها بستگی دارد[9]. روشهای ثقلی برای آرایش تعداد زیادی از کانهها مورد استفاده قرار میگیرند. این روشها در برخی از موارد با وجود هزینه ی کم و سادگی فرآیند با دیگر روشهای پیچیده و گران قیمت نظیر فلوتاسیون قابل رقابت هستند.
تاگارت در مورد قابلیت کاربرد روشهای ثقلی رابطه 2-1 را ارائه کرده است که به کمک آن میتوان معیاری برای سنجش کیفیت پرعیارسازی بهدست آورد:
C.C =∆H-∆F∆L-∆F (2-1)
که در آن :
C.C : معیار پرعیارسازی ، ∆H: جرم مخصوص کانی سنگین، ∆F: جرم مخصوص سیال، ∆L: جرم مخصوص کانی سبک.
با توجه به این که وزن مخصوص کانیهای منگانیت، هماتیت و کوارتز به ترتیب 4/4، 2/5 و 6/2 گرم بر سانتیمتر مکعب است، معیار پرعیارسازی برای کانسنگ منگنز جیرفت برای جدایش منگانیت از هماتیت 25/1، منگانیت از کوارتز 1/2 و هماتیت از کوارتز 6/2 است. مطابق رابطه 2-1، چنانچه نسبت چگالی مؤثر بزرگتر از 5/2 باشد، دانههایی تا ابعاد 75 میکرون را میتوان با روشهای سادهی ثقلی آرایش داد. با کاهش نسبت چگالی مؤثر، ابعاد کوچکترین دانههای قابل آرایش به سرعت افزایش مییابد، به طوری که با کاهش این نسبت به 25/1، تنها دانههایی با ابعاد بزرگتر از 6 میلیمتر و با استفاده از روشهای دقیق ثقلی قابل آرایش هستند. در حد کمتر از 25/1، آرایش ثقلی مواد به طور اقتصادی امکانپذیر نیست[9].
با توجه به معیار پرعیارسازی بین دو کانی منگانیت و هماتیت امکان جدایش برای ذرات بزرگتر از 6 میلیمتر وجود دارد، به علت نزدیک بودن وزن مخصوص کانی هماتیت و منگانیت ، به نظر میرسد که کاربرد روشهای ثقلی برای جدایش این دو کانی چندان مطلوب نیست.
تقریباً تمامی روشهای جداسازی ثقلی اعم از انواع جیگ‌ها، ‌میزهای لرزان، کلاسیفایرها و مارپیچ‌ها، ‌واسطه سنگین و غیره در فرآیند پرعیار سازی منگنز کاربرد دارند. با توجه به وزن مخصوص نسبتاً بالای کانه‌های منگنز (بالاتر از 4) و تفاوت بارز آنها با کانی‌های باطله همراه در صورتی که میزان آزاد بودن و ابعاد دانه‌های کانه و باطله به گونهای باشد که درمحدوده کار دستگاههای جدا کننده ثقلی قرار گیرند، می‌توان بین 80 ـ50 درصد سنگ ورودی را پرعیار کرد. عیار منگنز در محصول خروجی تا 48 درصد نیز گزارش شده است. جیگهای مورد استفاده از انواع مختلف نظیر جیگ دنور، هارتز و دیافراگمی بودهاند که در محدوده دانه‌های درشتتر کاربرد دارند.
کانسنگ منگنز معدنی در ترکیه، با مشخصات کانی شناسی 58/18 درصد منگنز، 82/0 درصد آهن و 85/62 درصد سیلیس برای پرعیارسازی به روش ثقلی خردایش شده و به دو فراکسیون 1+ میلیمتر و 1- میلیمتر تقسیمبندی شده است. عملیات پرعیار سازی بر روی فراکسیون 1+ میلیمتر توسط جیگ و بر فراکسیون 1- میلیمتر توسط میز لرزان صورت گرفت. در نهایت عیار منگنز به 47-45 درصد رسیده است[11].
2-4 پرعیارسازی به روش مغناطیسی
به دلیل تفاوت در خواص مغناطیسی کانههای منگنز و باطله های همراه نظیر کوارتز، کلسیت و رسها روش جداسازی مغناطیسی میتواند به طور نسبتا موثری باعث جداسازی و تغلیظ سنگ منگنز شود[10].
جداسازی مغناطیسی معمولا به تنهایی کارایی لازم را در مورد سنگ منگنز نداشته و اغلب به عنوان تکمیل کنندهی بخش جداسازی ثقلی، فلوتاسیون و یا هیدرومتالورژی مورد استفاده قرار میگیرد که باعث افزایش قابل توجهی در راندمان کل عملیات خواهد شد[10].
2-5 پرعیارسازی به روش فلوتاسیون
کانیهای منگنز از نظر کاربرد روش فلوتاسیون به دو گروه تقسیمبندی میشوند. گروه اول شامل کانههایی با عیار بالایی از منگانیت یا پیرولوزیت همراه با باطلهی کلسیتیاند که با شناوری کلسیت، باطلهای غنی از منگنز (فلوتاسیون معکوس) بهدست میآید. در این حالت کانه در pH حدود 8 و با استفاده از کربنات سدیم و دکسترین زرد آمادهسازی میشود و سپس فلوتاسیون با اسید اولئیک انجام میشود. گروه دوم، کانههای منگنز حاوی پیرولوزیت، منگانیت یا پسیلوملان هستند، که با مقادیر کمی از رس و سایر ترکیبات مولد نرمه همراهاند، و با شناورسازی کانیهای منگنز قابل پرعیار شدن میشوند[12].
2-6 روش تشویه
فرآیندهای متعارف پیرومتالورژی برای استفاده از منگنز سنگ معدن اکسید با هزینههای تولید بالا و انرژی مصرف، بهرهوری پایین، و آلودگی محیط زیست همراه هستند. کاهندههای مورد استفاده برای تشویه کاهشی شامل زغال سنگ، گرافیت و یا CO ، پیریت، آمونیوم سولفیت یا کلرید آمونیوم. مشکلات اصلی این فرآیندهای هیدرومتالورژیکی پالایش منگنز از محلول لیچینگ، هزینه تولید بالا، بازده لیچینگ کم و غیره است. چنانکه، دیاکسید منگنز خالص را میتوان توسط گوگرد در دمای کمتر از 300-400 درجهی سانتیگراد احیا کرد. با استفاده از اسید سولفوریک به عنوان عامل لیچینگ، منگنز میتواند از محصولات تشویه شده باقی بماند. با این حال،MnS در طول تشویه تشکیل شده و زمانی که محصولات تشویه در محلول اسید لیچ شده؛ گازهای مضرH2S اجتناب ناپذیر است.[13]
عمل تشویه که به دنبال آن هیدرومتالورژی صورت میگیرد، نقش مهمی را در به عملآوری کانسنگ منگنز کم عیار و نودلهای منگنز بستر دریا که حاوی مقادیری نیکل، کبالت و مس به صورت اکسید دارد. این اکسیدهای فلزی در نودلها اغلب در ساختمان شبکهای از مواد معدنی آهن و منگنز رخ میدهند. بنابراین شکستن این شبکهها توسط عمل تشویه کاهشی یا محلولهای کاهشی هیدرومتالورژی گامی مهم در بهبود بازیابی فلزات با ارزش به حساب میآیند. روشهای پیشنهادی برای پیرومتالورژی ذوب کردن، تشویه کاهشی، سولفاتی و کلردیدی کردن است. در مقایسه با فرآیند هیدرومتالورژی ترکیب پیرو-هیدرومتالورژی کارایی بازیابی بهتری را نتیجه میدهد، اما این روش مستلزم مصرف انرژی بالایی است.
در تشویه سولفاته کردن، کانیهای منگنزدار در حضور اسید سولفوریک یا آمونیوم سولفات به کانیهای منگنزدار محلول در سولفات تبدیل میشوند. سولفاته کردن منگنز با گاز SO2 نیز کار شده است؛ که در این مورد گاز SO2 دو نقش بازی میکند و به عنوان کاهنده و عامل سولفاته کردن عمل میکند. تشویه سولفاتی به دنبال لیچینگ برای بازیافت باتریهای مصرفی روی-کربن بررسی شده است که با تولید سولفات منگنز و روی همراه بوده است. فرآیند شامل جدایش مکانیکی و لیچینگ اسید سولفوریک، تشویه سولفاتی در حضور اسید سولفوریک یا آمونیوم سولفات پس از لیچینگ بوده است.
ذوب یا تشویه کاهشی در دمای 700-900 درجهی سانتیگراد و سپس به دنبال آن لیچینگ با اسید سولفوریک تا به حال بیشترین روش معمول در صنعت منگنز برای تولید منگنز سولفات میانی یا نهایی برای فرآیند الکترووینینگ است.
واکنش کاهشی به صورت زیر است:
MnO2 + CO/H2 = MnO + CO2/H2O
MnO2 + C = MnO + CO(CO2)
این واکنشها تبدیل منگنز اکسید با ظرفیت بالا به ظرفیت پایینتر به صورتی که در محلول اسید سولفوریک قابل حل باشند، را نشان میدهد[14].
2-7 روش لیچینگ
برای تهیهی منگنز دی اکسید برای باتریها و منگنز فلزی از روش هیدرومتالورژی استفاده میشود[12]. بهرهگیری از روشهای مختلف هیدرومتالورژی از قبیل لیچینگ و بیولیچینگ در پرعیارسازی کانههای منگنز کاربرد وسیعی دارند[15].
فرآیندهای مستقیم لیچینگ کاهشی مختلف مورد مطالعه قرار گرفته و برای پردازش سنگ معدن منگنز کم عیار و نودلهای منگنز بستر اقیانوسها، از شستشو با آهن ، دیاکسید گوگرد، پراکسید هیدروژن، اسید نیتروژن، کاهندههای آلی و زیستی استفاده شده است. از میان این فرایندها لیچینگ با اسید ارزان سولفور دی اکسید و یا یون آهن در مقیاس پایلوت مورد توجه است.
دیاکسید منگنز در اسید سولفوریک رقیق نامحلول است اما وقتی احیا و به MnO تبدیل شد به راحتی در H2SO4 حل شده و تولید MnSO4 مینماید.
MnO + 2H+ = Mn2+ + H2O
از آنجایی که منگنز با الکترولیز محلول فوق بازیابی میشود الکترولیت بازگشتی برای لیچینگ قابل بازیابی میباشد. البته دیاکسید منگنز در حضور یک ماده احیا کننده مانند سولفات فرو، دیاکسید گوگرد، زغال یا اسیداکسالیک طی مراحل اکسایش – کاهش در اسید سولفوریک رقیق حل میشود[15].
MnO2 + 2Fe2+ + 4H+= Mn2+ + 2Fe3+ + 2H2O
واکنش فوق نتیجهی اکسایش و کاهش به شرح زیر است:
اکسایش Fe2+= Fe3+ + e-
کاهش MnO2 + 4H+ + e- = Mn2++ 2H2O
همچنین از یونهای اکسالات و اسید سولفورو به عنوان عوامل کاهش دهنده میتوان استفاده کرد:
[C2O4]2- = 2CO2 + 2 e-
SO2+ 2H2O = H2SO3 + H2O = SO42- + 4H+ + 2e-
در مرحلهی کاهش مشاهده میشود که یون منگنز چهار ظرفیتی در MnO2 به یون دو ظرفیتی کاهش مییابد:
Mn4+ + 2e- = Mn2+
به محض وقوع این واکنش نیروی جاذبهی الکتروستاتیکی در جامد متبلور ضعیف شده و یونهای H+ در محلول، یونهای اکسید را از فاز جامد جدا و تشکیل آب میدهد[15].
پارامترهای موثر بر انحلال اکسید منگنز MnO توسط اسید سولفوریک نظیر غلظت اسید، مقدار نسبت استوکیومتریک اسید، درجه حرارت و مدت زمان لیچینگ مورد بررسی قرار گرفته اند. نتایج حاصل نشان میدهد که غلظت اسید سولفوریک مصرف شده تاثیر اندکی بر میزان انحلال منگنز دارد لذا می توان از اسید رقیق برای لیچینگ استفاده کرد. با افزایش غلظت اسید میزان انحلال آهن افزایش مییابد.
دیاکسید منگنز در شرایط اکسیداسیون اسیدی یا قلیایی پایدار است. از این رو، استخراج منگنز در شرایط احیایی انجام میشود. محلول آبی SO2 ثابت کرده است که لیچ کنندهی موثری برای منگنز از سنگ معدن منگنز دیاکسید، به دلیل سرعت انحلال، عملکرد دمای اتاق، سهولت نسبی خالص سازی محلول لیچ و نداشتن مشکل بازیافت محلول، است. مطالعات بر رویMnO2 مصنوعی برای درک سازوکار لیچینگ انجام شده است. محلول آبیSO2 اکسید منگنز را با کاهش Mn4+و Mn3+فلزی به شکل Mn2+ محلول در آب تبدیل میکند و SO2 به SO42- یا S2O62- اکسیده میشود. واکنش کلی به شرح زیر داده شده است[16]:
MnO2 + SO2 = Mn2+ + SO4
MnO2 + 2SO2 = Mn2+ + S2O6
2MnOOH + SO2 + 2H+ = 2Mn2+ + SO42- + 2H2O
2MnOOH + 2SO2 + 2H+ = 2Mn2+ + S2O62- + 2H2O
SO2 ،FeSO4 ، ساکارز ، زغال چوب ، زغال سنگ و ذغال سنگ چوب نما ،پیریت و غیره را میتوان به عنوان عوامل کاهنده استفاده کرد. اکسالیک اسید میتواند به عنوان یک عامل کاهنده برای استخراج منگنز از سنگ معدن دیاکسید منگنز استفاده شود. از لیچینگ سنگ معدن منگنز با استفاده از اکسالیک اسید تولید میکروارگانیسم ها گزارش شده است. لیچینگ شیمیایی از سنگ معدن منگنز با استفاده از اکسالیک اسید ممکن است بینشی به سمت بیولیچینگ باشد. انحلال منگنز با توجه به کاهش دی اکسید با اکسالیک اسید همراه است. کاهش بین MnO2 و اکسالیک اسید در محیط اسیدی به شرح زیر داده شده[17]:
MnO2 + HOOC--COOH + 2H+ = Mn2+ + 2CO2 + 2H2O
بررسی محلولهای رقیق از دیاکسید گوگرد به عنوان عامل لیچینگ توجه محققان زیادی در این زمینه به خصوص در مورد نودلهای بستر دریاها را جلب کرده است. واکنش بین اکسید فلزی و دیاکسید گوگرد مورد مطالعه قرار گرفته است. مشاهده شده است که:
روش لیچینگ اسید سولفوریک سریع، موثر و حساس است کل واکنش انحلال فقط در 8-10 دقیقه به پایان میرسد.
انحلال در دما و فشار اتاق صورت میگیرد.
دیاکسید گوگرد گاز پسماند است، اعتقاد بر این است که 109میلیون تن SO2 در هر سال به محیط زیست جهانی اضافه شده است. به این ترتیب، با استفاده از SO2 به عنوان عامل لیچینگ، آلودگی هوا را میتوان به حداقل رساند.
محلول آبی SO2 شرایط بسیار کاهنده و بسیار اکسید کننده با اکسیژن ارائه میدهد. بنابراین، این لیچ کنندهها ممکن است برای لیچ فلزات با ارزش از مواد معدنی، سنگ معدن و کنسانتره به عنوان منابع اولیه در حالی که لجن آندی، گرد و غبار دودکشها، قطعات الکترونیکی، آلیاژهای، رشتههای از لامپهای برقی و غیره دیگر منابع ثانویه هستند، استفاده کرد[18].
2-7-1 لیچینگ کاهشی با محلول یون آهن
این فرآیند به صورت شماتیک در شکل 2-1 نشان داده شده است. ویژگی این فرایند هیدرولیز دما بالایFe(III) و رسوب منگنز به عنوان نمک مضاعف (NH4)2Mn2(SO4)3 به طور همزمان است، که سپس با انحلال Fe2O3 و همرسوبی، از هم جدا میشود. انتظار میرود محلول نسبتا خالص منگنز باردار برای الکترولیز از این راه بهدست آید.

شکل2-1- فلوشیت فرآیند بازیابی منگنز با استفاده از محلول لیچ[14]
نگرانیهای اقتصادی این فرآیند بابت هزینهی بالای H2O2 و فرآیند اتوکلاو درجه حرارت بالا است[14]. مطالعهای بر روی سینتیک واکنش بین منگنز دیاکسید و یون آهن در محلول اسیدی انجام شده، که از پتانسیل زوجهای فرو و فریک برای اندازهگیری میزان واکنش استفاده شده است. در این بررسی واکنشها به راحتی در بعضی قسمتهای فعال سطح دیاکسید منگنز و سطحی که یونهای آهن بر روی آن انتشار یافته، رخ داده است. از سوی دیگر، در مطالعهای دیگر به این نتیجه رسیدند که تحت شرایط ویژهی دور همزن، واکنش شیمیایی با انرژی فعالسازی ظاهری 28 کیلورژول بر مول، کنترل شده است. از مفاهیم الکتروشیمیایی برای سیتینک محلول MnO2 با اسیدسولفوریک در حضور پیریت استفاده شده و نتیجه گرفتند که انحلال میتواند با Fe2+ کاتدی که از اکسیداسیون پیریت با یونهای Fe3+ به دست آمده، ادامه یابد. نرخ واکنش اکسیداسیون پیریت به تدریج کاهش مییابد. مطالعهای بر مکانیسم الکتروشیمیایی محلول MnO2 در اسید هیدروکلریک در حضور Fe2+ و Fe3+ انجام شده است و متوجه شدند که با افزایش یونهای Cl- و Fe2+ در محلول سرعت کلی انحلال افزایش مییابد. در مقابل، Mn2+ و Fe3+ در محلول، مانع از رسیدن واکنش به بعضی درجات میشوند[19].
مطالعهای توسط Das et al(1982) [14]، نشان داد که واکنش منگنز دیاکسید در کانی کم عیار منگنز با فروسولفات به سه طریق انجام میگیرد:
فروسولفات طبیعی:
MnO2 + 2FeSO4 + 2H2O = MnSO4 + Fe(OH)SO4 + Fe(OH)3
فروسولفات و مقدار کمی اسید:
MnO2 + 2FeSO4 + H2SO4 = MnSO4 + Fe(OH)SO4
محلول فروسولفات و مقدار زیادی اسید:
MnO2 + 2FeSO4 + 2H2SO4 = MnSO4 + Fe(SO4)3 + 2H2O
بیشتر از 90درصد منگنز را میتوان با لیچینگ کانسنگهای کم عیار با مقدار نسبت استوکیومتری فروسولفات و در دمای 90 درجه سانتیگراد به مدت 1 ساعت و نسبت جامد به مایع 1:10 استخراج کرد. مایع لیچ تحت این شرایط ژلاتینی و فیلتر کردن آن سخت خواهد شد؛ با اضافه کردن اسیدسولفوریک فیلتراسیون به راحتی انجام شده و منگنز استخراجی بیشتر میشود[14].
در سال 2007 ذاکری و همکاران بر روی لیچینگ کاهشی منگنز با استفاده از آهن اسفنجی مطالعهای انجام دادهاند. با استفاده از اسیدسولفوریک و آهن اسفنجی بر روی نمونهی پیرولوزیت، آزمایشات لیچینگ اسیدی صورت گرفته که در 10 دقیقه با دمای 20 درجه سانتیگراد، موفق به بازیابی 98% منگنز از کانسنگ شدهاند[19].
2-7-2 لیچینگ کاهشی توسط سولفور دیاکسید یا محلولهای سولفیت
در فرآیندهای هیدرومتالورژی، سولفور دیاکسید یا نمکهای سولفیتی کاهندههای قوی برای کانیهای منگنز اکسید بالاتر مانند MnO2 و نودلهای منگنز هستند. واکنشهایی که احتمالا در حین لیچینگ منگنز دیاکسید رخ میدهند :
MnO2 + SO2 = Mn2+ + SO42-
MnO2 + 2SO2 = Mn2+ + S2O62-
2MnOOH + SO2 +2H+ = 2Mn2+ + SO42- + 2H2O
2MnOOH + SO2 +2H+ = 2Mn2+ + S2O62- + 2H2O
SO2 به SO42- و مقداری دی تیونات S2O62- اکسایش یافته که به PH محلول، پتانسیل اکسایش-کاهش و درجه حرارت بستگی دارد. در اصل این فرآیند کاهشی SO2 است. استفاده از محصول میانی دی تیونات واکنش کاهشی برای موازنه هر دو محصول کاهش یافته Mn(II) و کلسیم در محلول در حالی که کلسیم اضافی به صورت CaSO4 رسوب کرده؛ مزیت این فرآیند است. در یک پژوهش نیمه صنعتی یک سری آزمایشات بر روی منگنز با عیار 13-18% انجام شده، در اکثر موارد بازیابی منگنز به 90درصد رسید و عیار منگنز در محصول نهایی بیشتر از 60درصد رسید. برای هر واحد منگنز استخراج شده، 5/1 تا 2/2 واحد SO2 و 1/1 تا 5/1 واحد CaO مصرف شده است. در مقیاس آزمایشگاهی از دی تیونات همچنین برای لیچینگ لجنهای کم عیار منگنز(از نودلهای منگنز در بستر دریاها) استفاده میشود. عموما تشکیل دیتیونات در فرآیند شستشو با SO2 نامطلوب است. زمان ماند طولانی برای تبدیل دیتیونات به سولفات لازم است. یک فرآیند که تشکیل S2O62- را با اضافه کردن SO2 به صورت پیوسته، به زیر 1 گرم بر لیتر کاهش میدهد، توسط Ward et al.2004 بررسی و گزارش شده است. لیچینگ مستقیم SO2 بر روی نمونهی غنی منگنز انجام گرفته است (Grimanelis et al. 1992)، این واکنش سریع بوده و در زمان 10 دقیقه، بازیابی منگنز به بیشتر از 95 درصد رسیده که ناخالصی آهن همراه بسیار کم بوده است[14].
در مطالعهای سه نمونه سنگ معدن منگنز عیاربالا، عیار متوسط و کم عیار مورد لیچینگ توسط SO2 به عنوان کاهنده قرار گرفتهاند. این بررسی در دمای محیط، دور همزن 1000 دور بر دقیقه و با اندازه ذرات زیر 150 میکرون انجام شده است. مقدار کاهنده توسط نسبتهای استوکیومتری معادله زیر در نظر گرفته شده است[16]:
MnO2 + SO2 = Mn2+ + SO42-
در مجموع، استخراج منگنز با افزایش نسبت استوکیومتری مقدار SO2، افزایش مییابد [16]. در نمونه با عیار متوسط، همانطور که در نمودار شکل 2-2 مشاهده میشود؛ با نسبت استوکیومتری SO2 به مقدار 75/1، بازیابی منگنز 88/90 درصد میشود. با افزایش نسبت استوکیومتری SO2 به مقدار 5/2، میزان منگنز استخراج شده از نمونه به 17/97 درصد میسد. در نمونهی پرعیار در نمودار شکل 2-3، 40/94 درصد منگنز با نسبت استوکیومتری SO2به مقدار 5/1 استخراج شده، که با افزایش نسبت استوکیومتری SO2 به مقدار 2 بازیابی منگنز به 55/99 درصد میرسد. در نمونهی کم عیار، با توجه به نمودار شکل 2-4، با نسبت استوکیومتری SO2 به مقدار 5/1، تقریبا همهی منگنز نمونه (29/99درصد) استخراج شده است[16].
شکل2- 2- اثر مقدار SO2 بر بازیابی فلزات در کانه با عیار متوسط[16] شکل2- 3- اثر مقدار SO2 بر بازیابی فلزات در کانهی پرعیار[16]

شکل2- 4- اثر مقدار SO2 بر بازیابی فلزات در کانهی کمعیار[16]
2-7-3 لیچینگ کاهشی با استفاده از کاهندههای ارگانیک
در بسیاری از مطالعات بر روی لیچینگ کاهشی کانیهای منگنز چهار ظرفیتی که از کاهندههای ارگانیک استفاده شده، تمرکز شدهاست. این کاهندهها شامل گلوکز، ساکاروز، لاکتوز، خاک اره، گلیسیرین، اسید اکسالیک، اسید سیتریک، تارتاریک اسید و فرمیک اسید است.
کاهندههای کربوهیدراتی به دلیل هزینه کم و بی خطر بودن، مورد توجه هستند. معادله استوکیومتری آنها به صورت زیر پیشنهاد میشود:
C2H12O6 + 12MnO2 + 24H+ = 6CO2 + 12Mn2+ + 18H2O
محصولات واکنش گلوکز توسط HPLC قابل تشخیص است. در اسیدسولفوریک به عنوان واسطه، گلوکز به فرم مونوکربوکسیلیک پلیهیدروکسی اسید و فرمیک اسید اکسید میشود[14].
در بین این کاهندهها اسید اکسالیک و خاک اره به دلیل در دسترس بودن و هزینهی کم، مورد توجه کارهای صنعتی هستند. ممکن است لیچینگ شیمیایی کانههای منگنز با استفاده از اسید اکسالیک دیدی نسبت به بیولیچینگ بدهد[17]. مکانیسم بیولیچینگ عمدتا به طور غیر مستقیم در محصولات لیچینگ کانههای منگنز با اسید اکسالیک یا اسید سیتریک یافت میشود. طبق واکنش زیر، اسید اکسالیک پتانسیل بیشتری برای کاهش منگنز دی اکسید نسبت به اسید سیتریک دارد:
MnO2 + 2H+ +C2O4H2 = Mn2+ + 2H2O + 2CO2
یونهای منگنز یک لایه بر سطح کانه تشکیل میدهند، و واکنش ارائه شده، با انتشار واکنشدهندهها بر روی لایهی نفوذپذیر محصول کنترل میشود.[14]. در تحقیقی که بر روی سنگ معدن منگنز Joda در هند، آزمایشات لیچینگ با اسید اکسالیک به عنوان کاهنده، بر اساس روش فاکتوریل 24 طراحی شده است. در این تحقیق پارامترهای متغیر مقدار اسیداکسالیک، مقدار اسید سولفوریک، زمان و دما در نظر گرفته شده است. این آزمایشها نشان دادهاند که بعد از 3 ساعت، زمان تاثیری بر استخراج منگنز ندارد. اکثر واکنشها در 30 دقیقهی اول کامل میشوند. نتایج آزمایشها مشخص کرده است به ترتیب مقدار اسید اکسالیک، دما و مقدار اسید سولفوریک بیشترین اثر را بر بازیابی منگنز و به ترتیب دما، مقدار اسیدسولفوریک، مقدار اسید اکسالیک و زمان بیشترین اثر را بر بازیابی آهن در این نمونه کانسنگ دارند. با 6/30 گرم بر لیتر اسید اکسالیک، 54/0 مولار اسید سولفوریک در دمای 85 درجه سانتیگراد و زمان 105 دقیقه، 4/98 درصد منگنز از کانسنگ منگنز معدن Joda بازیابی میشود[17]. در مطالعهی دیگری که بر روی نمونهی کانسنگ منگنز سبزوار در ایران، صورت گرفته از روش سطح-پاسخ با نرمافزار DX7 استفاده شده است. مانند تحقیق قبل، در این تحقیق پارامترهای متغیر مقدار اسیداکسالیک، مقدار اسیدسولفوریک، زمان و دما در نظر گرفته شده است. بر اساس این آزمایشها و مطابق نمودارهای شکل 2-5، مقدار اسیدسولفوریک بیشترین اثر را بر روی بازیابی منگنز دارد.

شکل2- 5- اندرکنش متغیرها بر بازیابی منگنز[20]
در این مطالعه، علاوه بر تعیین اثرگذاری پارامترهای مهم بر بازیابی منگنز، بهینهسازی پارامترها و یافتن بهترین حالت بر اساس بیشترین بازیابی منگنز، کمترین بازیابی آهن و مواد مصرفی در محدودهی مشخص شده، انجام گرفته است. طبق نتایج به دست آمده، حالت اپتیمم با مقدار 7درصد اسید سولفوریک،92/42 گرم بر لیتر اسید اکسالیک در 63درجه سانتیگراد و زمان 65 دقیقه، با بازیابی منگنز 4/93 درصد، بازیابی آهن 81/15 درصد در نظر گرفته شده است[20].
یک بررسی مقایسهای بین دو کاهندهی ارگانیک، اسید اکسالیک و اسید سیتریک بر روی نمونه کانسنگ منگنز در هند انجام گرفته است. این آزمایشها با پالپ 2درصد، به مدت 6 روز به طول انجامید که در هر 3 روز، توسط تیتراسیون با اتیلن دیامین تترا استیک اسید 01/0 مولار درصد بازیابی منگنز مشخص شده است. غلظت دو کاهنده از 1 مولار تا 2 مولار متغیر بوده است. بر اساس نتایج به دست آمده از این تحقیق، در غلظت 2 مولار از اسید اکسالیک، بازیابی منگنز بعد از 6 روز ، به 66 درصد رسیده که با کاهش غلظت اسید اکسالیک تا 1 مولار بازیابی منگنز به 15درصد کاهش مییابد. همچنین، در غلظت 2 مولار از اسید سیتریک، بازیابی منگنز بعد از 6 روز، به 40 درصد رسیده که در این مورد نیز با کاهش غلظت اسید سیتریک تا 1 مولار بازیابی منگنز به 7 درصد کاهش مییابد.

شکل2- 6- تاثیر غلظتهای مختلف اسید سیتریک[21] شکل2- 7- تاثیر غلظتهای مختلف اسید اکسالیک[21]
اسید اکسالیک با فراهم کردن یون H+ و از طریق تشکیل کمپلکس اکسالات با منگنز، منگنز را به راحتی از کانه لیچ میدهد. اما اسید سیتریک قادر به تشکیل کمپلکس با منگنز نیست. با توجه به نتایج و نمودارهای شکل 2-6 و شکل 2-7 به همین دلیل اسید اکسالیک پتانسیل و ظرفیت بیشتری نسبت به اسیدسیتریک، برای لیچنگ کاهشی کانسنگهای منگنز را دارا میباشد[21].
تحقیقی دربارهی لیچینگ کانسنگ منگنز- نقره در چین انجام شده است؛ که برای جداسازی نقره از این کانسنگ، لیچینگ کاهشی صوررت گرفته است. ابتدا توسط روشهای فیزیکی(روش مغناطیسی و فلوتاسیون) جداسازی اولیه انجام شده، سپس کنسانترههای این دو مرحله با هم مخلوط شده و برای لیچینگ با اسید سولفوریک و مادهی سلولزی به عنوان کاهنده استفاده میشود. این مادهی سلولزی، CMK نام دارد که در محلول لیچینگ با اسید سولفوریک، پلی ساکارید تشکیل میدهد[22]:
n(C6H10O5) + n H2SO4 = n(C6H11O5)HSO4
n(C6H11O5)HSO4 + nH2O = n(C6H12O6) + nH2SO4
پلی ساکارید که از واکنش بالا تشکیل شده، میتواند با منگنز دیاکسید واکنش داده و منگنز دیاکسید به Mn2+ اکسایش مییابد:
MnO2 + n(C6H10O6) + H2SO4 = MnSO4 + CO2 + H2O
طی این آزمایشها اندازه ذرات مادهی CMK بررسی شده که با کاهش ابعاد این ذارت تا 1/0 میلیمتر نرخ لیچینگ منگنز به بیشتر از 90 درصد میرسد. همچنین برای تعیین میزان اثرگذاری CMK در لیچینگ، مقایسه ای با اسیداکسالیک صورت گرفته است.

شکل2- 8- تاثیر مقدار کاهنده بر نرخ لیچینگ منگنز[22]
بر اساس نتایج و نمودار شکل 2-8، با افزایش مقدار CMK تا حدود 2/1 بیشتر نسبت به حالت تئوری، نرخ لیچینگ منگنز تا 94 درصد افزایش مییابد[22].
برای بازیافت باتریهای مصرف شدهی کربن- روی و همچنین باتریهای قلیایی تنها از روش تجمع و دفن در محل زبالهها استفاده میشود. اما این روش با محدودیت محل ذخیره و پیامدهای خطرناک همراه است. از روشهای تشویه برای بازیافت و استخراج روی و منگنز از این نوع باتریها میتوان استفاده کرد. با این حال، انتشار گازهای ناشی از سوزاندن در حرارت بالا (600 درجه سانتیگراد) و تقاضای انرژی بالا از اشکالات بزرگ روش تشویه است. از سوی دیگر، فرآیندهای هیدرومتالورژی مزایای اصلی دارند که شامل عملکرد نسبتا ساده، تقاضای کم انرژی و انتشار نشدن گاز در هوا هستند. در یک تحقیق در کشور ترکیه، که بر روی این نوع باتریها انجام شده است، در دو محیط اسیدی، اسیدسولفوریک و اسید هیدروکلریک با اسید اکسالیک به عنوان کاهنده در لیچینگ باتریهای قلیایی و باتریهای کربن- روی استفاده شده است. آزمایشهای این تحقیق به روش فاکتوریل کامل 24 طراحی و انجام گرفته است. پارامترهای متغیر در این آزمایشها، درصد جامد پالپ، دما، مقدار اسید سولفوریک یا مقدار اسید هیدروکلریک، غلظت اسید اکسالیک بوده است[23].
با استفاده از اسیداکسالیک، MnO2 طبق واکنشهای زیر در دو محیط اسیدی لیچینگ میشود:
MnO2 + 2HCl + C2H2O4 = MnCl2 + 2H2O + 2CO2

user8327

تاریخ:
1- حق چاپ و تکثیر این پایان‌نامه متعلق به نویسنده آن می‌باشد. هرگونه کپی برداری بصورت کل پایان‌نامه یا بخشی از آن تنها با موافقت نویسنده یا کتابخانه دانشکده ............................................ دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی مجاز می‌باشد.
ضمناً متن این صفحه نیز باید در نسخه تکثیر شده وجود داشته باشد.
2- کلیه حقوق معنوی این اثر متعلق به دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی می‌باشد و بدون اجازه کتبی دانشگاه به شخص ثالث قابل واگذاری نیست.
همچنین استفاده از اطلاعات و نتایج موجود در پایان نامه بدون ذکر مراجع مجاز نمی‌باشد.
* توجه:
این فرم می‌بایست پس از تکمیل، در نسخ تکثیر شده قرار داده شود.
در آغاز از استاد عزیزم جناب آقای دکتر مهران میرشمس که مرا در تدوین این پایان نامه و نیز سیر مراحل آن یاری کرده و مشاوری ارزشمند بودند ، متشکرم . ایشان که مرا در آغاز مراحل تحصیلاتم بسیار یاری فرمودند و بنده را در رسیدن به بلوغ فکری بین دانشجویان فنی مهندسی یاری کردند .

چکیده
.
.
.
.
لغات کلیدی
شبیه ساز میدان مغناطیسی، مگنتورکر ،تجهیزات تست آزمایشگاهی ،حلقه های هلمهولتز ،گشتاور دوقطبی مغناطیسی ،زیرسیستم تعیین و کنترل وضعیت ،شبیه ساز میدان مغناطیسی فضایی ، کنترل اتوماتیک شبیه ساز میدان مغناطیسی
TOC o "1-6" u 1-مقدمه PAGEREF _Toc408530999 h 17
2-مروری بر مدلهای ژئومغناطیسی PAGEREF _Toc408531000 h 19
3-معرفی مدل مغناطیسی جهانی آمریکایی/انگلیسی برای سال 2005-2010 (WMM) PAGEREF _Toc408531001 h 21
1-1تکنیک مدلسازی PAGEREF _Toc408531002 h 21
1-2اطلاعات بدست آمده از داده ها و کنترل کیفیت PAGEREF _Toc408531003 h 28
1-2-1-داده های ماهواره PAGEREF _Toc408531004 h 28
3-1-1-Orsted PAGEREF _Toc408531005 h 30
3-1-1-1-مغناطیس سنج ها PAGEREF _Toc408531006 h 31
3-1-1-2-ابزار جمع آوری داده ها[data products] PAGEREF _Toc408531007 h 31
3-1-2-CHAMP PAGEREF _Toc408531008 h 32
3-1-2-1-مغناطیس سنج ها PAGEREF _Toc408531009 h 32
3-1-2-2-وسایل جمع آوری داده ها PAGEREF _Toc408531010 h 32
3-1-3-SAC-C PAGEREF _Toc408531011 h 34
3-2داده های پایش PAGEREF _Toc408531012 h 34
3-3تامین تجهیزات PAGEREF _Toc408531013 h 35
3-4جمع آوری داده ها و کنترل کیفیت PAGEREF _Toc408531014 h 36
3-5انتخاب داده برای WMM2005 PAGEREF _Toc408531015 h 38
3-6انتخاب و پیش پردازش برای مدل ها PAGEREF _Toc408531016 h 40
3-7انتخاب برای توانایی پیشگویی پیشرو تا 2010 PAGEREF _Toc408531017 h 40
3-8روشهای مدلسازی PAGEREF _Toc408531018 h 41
3-9پیشبینی تغییرات ارضی PAGEREF _Toc408531019 h 41
3-10تکنیکهای وزندهی به دادهها PAGEREF _Toc408531020 h 41
3-11قطب مغناطیسی و محل دوقطبی خارج از مرکز PAGEREF _Toc408531021 h 42
3-12پارامتریسازی مدل PAGEREF _Toc408531022 h 43
3-13ضرایب مدل PAGEREF _Toc408531023 h 46
1-معادلات به کار گرفته شده PAGEREF _Toc408531024 h 52
1-1مؤلفه های شتاب جاذبه را بصورت زیرمی باشد: PAGEREF _Toc408531025 h 52
1-2مدل باد خورشیدی پارکر به صورت زیر محاسبه می گردد. PAGEREF _Toc408531026 h 53
1-3برای محاسبه پارامتر های میدان مغناطیسی، مؤلفههای برداری میدان X'، Y'و Z'در مختصات ژئودزی به صورت ذیل محاسبه میشوند: PAGEREF _Toc408531027 h 55
1-4پارامترهای ناشی از اتمسفر زمین PAGEREF _Toc408531028 h 57
1-میدان مغناطیسی چیست ؟ PAGEREF _Toc408531029 h 63
2-مبانی فیزیکی پیچه هلمهولتز PAGEREF _Toc408531030 h 64
2-1میدان مغناطیسی حلقه PAGEREF _Toc408531031 h 65
2-2پیچه هلمهولتز و میدان مغناطیسی آن PAGEREF _Toc408531032 h 67
2-3ویژگی و کاربردهای حلقه های هلمهولتز PAGEREF _Toc408531033 h 69
2-4تغییرات میدان تولیدی توسط حلقه های هلمهولتز در فضای بین حلقه ها PAGEREF _Toc408531034 h 70
2-4-1-جابجایی در راستای محور حلقه ها PAGEREF _Toc408531035 h 70
2-4-2-جابجایی عمود بر راستای محور حلقه ها : PAGEREF _Toc408531036 h 78
2-4-2-1-نحوه محاسبه مؤلفه های مغناطیسی در یک نقطه از فضا PAGEREF _Toc408531037 h 78
2-4-2-2-میدان تولیدی توسط دوجفت حلقه PAGEREF _Toc408531038 h 93
2-5القاء و القاء متقابل PAGEREF _Toc408531039 h 94
2-6شار میدان مغناطیسی : PAGEREF _Toc408531040 h 96
2-7اصل القاء PAGEREF _Toc408531041 h 98
2-8نیروی محرکه الکتریکی : PAGEREF _Toc408531042 h 98
2-9قانون القاء فارادی PAGEREF _Toc408531043 h 99
2-10قانون لنز PAGEREF _Toc408531044 h 100
2-11پدیده خود القایی و ضریب خود القایی PAGEREF _Toc408531045 h 100
2-12القاء متقابل PAGEREF _Toc408531046 h 101
2-13فرمول نویمن PAGEREF _Toc408531047 h 103
2-14تاریخچه حلقه های هلمهولتز PAGEREF _Toc408531048 h 105

TOC c "تصویر" تصویر 1-1- شمایی از خطوط میدان مغناطیسی زمین PAGEREF _Toc408488972 h 21
تصویر 2- شمای جریان پلاسما در اطراف زمین PAGEREF _Toc408488973 h 23
تصویر 3- نمای ماهواره اورستد PAGEREF _Toc408488974 h 28
تصویر 4-نمای روبروی ماهواره چمپ PAGEREF _Toc408488975 h 30
تصویر 5- ماهواره SAC-C در مدار PAGEREF _Toc408488976 h 32
تصویر 6-مناطق پایش گر در نقاط مختلف زمین PAGEREF _Toc408488977 h 34
تصویر 7- میدان تولیدی ت.سط سیم حامل جریان PAGEREF _Toc408488978 h 62
تصویر 8- میدان در نقطه ای روی محور تک حلقه PAGEREF _Toc408488979 h 64
تصویر 9- حلقه های هلمهولتز PAGEREF _Toc408488980 h 65

TOC h z c "جدول" جدول 1- معرفی مدل های مختلف ژئومغناطیسی و مشخصات آنها PAGEREF _Toc408489035 h 19جدول 2-دامنه تغییرات اجزاء مغناطیسی و GV در سطح زمین PAGEREF _Toc408489036 h 27جدول 3- حل مثال عددی برای مدل شتاب ناشی از میدان جاذبه زمین PAGEREF _Toc408489037 h 52جدول 4- مدل پارامتر های ناشی از میدان مغناطیسی زمین PAGEREF _Toc408489038 h 56جدول 5- مدل پارامتر های ناشی از اتمسفر زمین PAGEREF _Toc408489039 h 58

مقدمه
ماهواره ها ابزار و تجهیزاتی بودند که انسان با دستیابی به آنها توانست به امکانات و توانایی هایی دست یابد که تا آن زمان فقط آنها را در رویا و خیال می دید . در واقع انسان توانست به چشم ها و بازوهایی دست یابد که به وسیله آنها بتواند در محیطهایی حضور یابد که امکان حضور فیزیکی اش در آنها وجود نداشت . به سرعت این تکنولوژی جدید جای خود را در زندگی بشر پیدا کرد و توانست به عاملی تعیین کننده در امور زندگی بشر از فرهنگی و اقتصادی گرفته تا نظامی و سیاسی ، تبدیل شود .
با آغاز به کار اولین ماهواره مباحث جدیدی نیز مطرح شد که اهمیت و ارزشی کمتر از خود ماهواره نداشت . اکتشاف درباره محیط فضا و یافتن عوامل تأثیر گذار بر سامانه های فضایی ، نحوه تأثیر پذیری سامانه های فضایی از این عوامل مؤثر ، چگونگی مقابله و کنترل این عوامل و در صورت امکان استفاده مفید از آنها ، راهکارهای افزایش طول عمر سامانه های فضایی و بالا بردن قابلیت اطمینان آنها ؛ از مهمترین موضوعاتی بودند که ذهن دانشمندان را به خود مشغول کردند . البته علاوه بر جنبه های علمی نمی توان انکار کرد مسائل مادی و هزینه بسیار بالای ساخت یک سامانه فضایی ( و با توجه به شرایط و نیازهای فعلی کشور ما ماهواره ) از مهمترین انگیزه هایی استکه به این مسائل ارزش می بخشید . در اینجا بود که برای نخستین بار بحث آزمایش و تست پیش از پرتاب ماهواره ها ( با دیدی جامع تر سامانه های فضایی ) و شبیه سازی محیط فضا و عوامل تأثیرگذار آن بر ماهواره مطرح شد .از دید اینجانب عوامل تأثیر گذار فضایی را می توان در دو دسته تقسیم بندی کرد ؛ دسته اول عبارتند از عواملی که اساساً ماهیت مادی دارند و بدنه ماهواره در مقابل تأثیر گذاری آنها مانند سدی عمل می کند . ریز اجرام فضایی و شهابها ، ذرات سنگین و پرانرژی حاصل از تابشهای خورشیدی (بادهای خورشیدی ) ، غلظت محیط و بحث اصطکاک و تولید پسا در ارتفاعات پایین از دسته عواملی هستند که تأثیری مادی و اصطلاحاً مکانیکی بر ماهواره می گذارند .
اما دسته دوم عبارتند از عواملی که ماهیت غیر مادی داشته و بدنه ماهواره بر عمق تأثیر آنها بی تأثیر است . در واقع این عوامل کل ماهواره از بدنه گرفته تا زیرسیستمهای داخلی را یکجا تحت تأثیر قرار می دهند . از مهمترین این عوامل میدان گرانش زمین و دیگر اجرام آسمانی و نیز میدان مغناطیسی زمین ( به دلیل اینکه ماهواره در فضای مغناطیسی زمین قرار دارد ) هستند .
هرچند که میدان مغناطیسی به عنوان یکی از تاثیر گذارترین عوامل خارجی در تعیین طول عمر و قابلیت اطمینان ماهواره ها ( تا حدودی دیگر سامانه های فضایی ) در پاسخگویی به نیازهای مأموریتی بسیار مؤثر است اما اطلاعات ما درباره آن بسیار اندک است . حتی ما درباره اینکه آیا در اطراف کرات آسمانی دیگر در منظومه ما و یا در اطراف کرات منظومه های دیگر میدان مغناطیسی وجود دارد یا نه اطلاعات مستدلی نداریم . ولی از آنجاییکه دانشگاهها و مؤسسات تحقیقاتی در دنیا در حال تدوین نقشه مغناطیسی فضا هستند ، جای امید وجود دارد . این در واقع گام آغازین در راه تحقیقات الکترومغناطیس فضایی است که البته از سالها پیش بخش مطالعاتی آن آغاز شده است .
همانطور که بیان شد میدان مغناطیسی یکی از مهمترین عوامل تأثیر گذار بر ماهواره محسوب می شود که به واسطه ماهیت غیر مادی اش تمام اجزاء ماهواره از بارمحموله گرفته تا زیرسیستمهای مختلف را یکجا تحت تأثیر قرار می دهد ؛ به عنوان نمونه میدان مغناطیسی بر اجزاء مخابراتی ماهواره ( چه به عنوان بارمحموله ماهواره های مخابراتی و چه به عنوان زیرسیستم مخابرات) تأثیر گذار است ؛ همین میدان با تغییر خطوط میدان مغناطیسی در داخل موتورهای حالت گاز و اصطلاحاً الکتریکی یا یونی بر میزان تراست و ضربه ویژه قابل استحصال از آنها تأثیر می گذارد ؛ میدانهای مغناطیسی با توان بالا این پتانسیل را دارند که بر دوربینها و سنسورهایی که به عنوان بارمحموله مورد استفاده قرار می گیرند تأثیر گذارده و راندمان کاری آنها را کاهش دهند . از سوی دیگر این میدان مغناطیسی
است که بر ذرات بار دار پر انرژی اثر می کند و خط سیر آنها را مشخص کرده و به آنها انرژی مضاعف می دهد و با انرژی و تکانه بسیار آنها را بر بدنه ماهواره ، آرایه های خورشیدی و دیشها و آنتنها می کوبد و به شدت موجب افت در کارایی آنها و کاهش طول عمر آنها و به دنبال آن کاهش طول عمر ماهواره می شود . برای مثال برای آرایه های سیلیکونی در مدار LEO افت راندمان سالانه به 3.75% می رسد که 2.50% آن ناشی از برخورد ذرات باردار پر انرژی است]2 [.
از سوی دیگر یکی از با سابقه ترین ابزارهای کنترلی ماهواره ها مگنتورکرها هستند . مگنتورکرها با اندرکنش با میدان مغناطیسی زمین این توانایی را دارند تا ماهواره را در راستای دو محور کنترل کرده و یا پایدار کنند و یا از روی چرخهای مومنتومی بار برداری کنند . دوپل مغناطیسی تولیدی برای مگنتورکرها مهمترین و برای کنترل ماهواره تعیین کننده ترین فاکتور است . تاکنون هیچ راه مستقیمی برای تست بزرگی دوپل تولیدی مگنتورکرها ارائه نشده است ]5 [. در این پایان نامه بعد از تأکید بر تمامی تواناییهای شبیه ساز میدان مغناطیسی ، نگاهی ویژه به اندرکنش بین شبیه ساز و مگنتورکر شده و الگوریتم و روشی برای تعیین دوپل تولیدی مگنتورکر مفروض با استفاده از " شبیه ساز میدان مغناطیسی " ارائه شده است .
آنچه ذکر شد دلایلی است که مقوله بررسی میدان مغناطیسی را به مقوله ای ارزشمند و قابل سرمایه گذاری مالی و زمانی تبدیل می کند . در عین حال به مسئله انجام تست و آزمایش اندرکنشهای اجزاء مختلف ماهواره با میدان مغناطیسی ، ارزش و اهمیتی صد چندان می دهد .
اما بدیهی است که برای تست عملکرد اجزاء تحت تأثیر میدان مغناطیسی ، باید بتوانیم میدانی قابل کنترل و در عین حال قابل پیش بینی بسازیم . بنابر آنچه در فصل اول تحت عنوان " ماهیت و ذات میدان مغناطیسی و روابط حاکم بر آن " مورد بحث و بررسی قرار می گیرد ؛ خواهیم دید که میدان مغناطیسی کمیتی برداری و در عین حال بسیار حساس است که با تغییر مکانی جزئی ، اندازه و راستای آن به شدت تغییر می کند و همین مسئله کار با آن را دشوار و در عین حال ظریف می سازد . در علم فیزیک ( در حال حاضر و در دنیای مواد نرمال ) تنها یک وسیله وجود دارد که این توانایی را دارد که میدانی یکنواخت و قابل پیش بینی در محدوده ای کوچک از فضا را تولید کند که " پیچه های هلمهولتز " خوانده می شود . به بیان دیگر چنین می توان گفت که :
برای تست تأثیرگذاری میدان بر ماهواره در وحله اول باید میدانی قابل کنترل و پیش بینی تولید کرد که با توجه به نیاز ما قابل تغییر باشد .
در وحله دوم برای تولید میدانی که در بالا توصیفات آن ذکر شد نیاز است تا پیچه های هلمهولتز ساخته شود .
در واقع بررسی میدان مغناطیسی زمین ، شبیه سازی آن و بررسی تأثیرات آن بر ماهواره نیازهایی بودند که به عنوان مبنای اصلی بحث این پایان نامه مطرح هستند . عواملی که موجب شدند تا عنوان "طراحی و ساخت شبیه ساز میدان مغناطیسی" برای پایان نامه پیش روی شما انتخاب و تصویب شود .

شاید اگر بگویم دو ترم آغازین در مقطع کارشناسی ارشد سخت ترین دوران تحصیلم بوده است گزاف نگفته باشم اما اکنون با تمام وجود می بینم و احساس می کنم که انتخاب اشتباهی نکرده ام .

خط سیر و روال فصول گزارش پایان نامه
در مورد یک کار عملیاتی المانهای مختلفی وارد بحث می شوند که گاه نیاز به بررسی مطالعاتی و یا نیاز به کار عملیاتی و گاه نیاز به هر دو این موارد دارند . در این گزارش نیز چنین نگاهی حاکم است و سعی شده تا تک تک المانهای مؤثر در انجام پروژه تک تک تفکیک شده و بررسی های تئوریک و کارهای عملیاتی انجام شده بر آن به تفصیل شرح داده شوند و در صورت ضرورت تصاویر ، نقشه ها و جداولی نیز به جهت افزایش توانایی انتقال مطالب به کار گرفته شوند . در نهایت نیز تستها و آزمایشاتی که از دستگاه نهایی گرفته شده است ارائه شده است .
در فصل اول با عنوان " ماهیت میدان مغناطیسی و حلقه های هلمهولتز " به بررسی ذات میدان مغناطیسی ، حلقه های هلمهولتز و روابط حاکم بر آنها خواهیم پرداخت در انتهای این فصل شرحی از سیر تاریخی شبیه سازی میدان ارائه خواهد شد . در فصل دوم با عنوان " نشط میدان مغناطیسی در فضا و مگنتورکر " به بررسی روابط گسترش میدان مغناطیسی در فضا و تأثیرات آن بر محیط مادی و اندرکنش میدان با مگنتورکر به عنوان محیطی مادی خواهیم پرداخت . در نهایت نیز به توصیف الگوی حرکتی مگنتورکر تحت تأثیر میدان خارجی خواهیم پرداخت و سعی می کنیم تا رابطه ای برای توصیف حرکت آن استخراج کنیم . فصل سوم با عنوان " سنسور و مدار راه انداز دو المان دیگر شبیه ساز میدان " فصلی است کم حجم که به بررسی و توصیف دو المان اختیاری و قابل انتخاب برای شبیه ساز می پردازد . فصل چهارم با عنوان " فرایند و نقشه های ساخت شبیه ساز میدان مغناطیسی " قلب پایان نامه است که در آن به بررسی مراحل و نقشه های ساخت شبیه ساز خواهیم پرداخت . فصل پنجم تحت عنوان " نتایج تستهای شبیه ساز میدان مغناطیسی " به توصیف نتایج تستهای گسترده ای که برای کالیبراسیون شبیه ساز انجام شده است ؛ می پردازد . در فصل ششم با عنوان " الگوریتم کاری شبیه ساز میدان مغناطیسی " به توصیف روش و ساختار برنامه ای خواهیم پرداخت که بر مبنای آن و با استفاده از دستگاه شبیه ساز میدان مغناطیسی می توان برای اولین بار ، دوپل مغناطیسی مگنتورکر را به شکل مستقیم استخراج کرد. در انتهای این فصل شرح آزمایشی که مگنتورکر نانوساختار NSFe99.99-1 پشت سر گذاشته است و نتایج حاصل از تست آن با استفاده از سامانه شبیه ساز میدان مغناطیسی (سامانه کوثر100) ارائه شده است.
همانطور که گفتیم در فصل پنج نتایج تست "سامانه شبیه ساز میدان مغناطیسی" ارائه شده است. لازم بود تا صحت این نتایج مورد تأیید قرار گیرد و برای این منظور از نرم افزار شبیه ساز Vizimag استفاده شد. در ضمیمه الف، شبیه ساز مذکور و نتایج حاصل از استفاده آن ارائه شده است.

36474401184275400000328422019050فصل اول
00فصل اول

-79565523495مدلهای رایج شبیه سازی
میدان مغناطیسی زمین
00مدلهای رایج شبیه سازی
میدان مغناطیسی زمین

مقدمهیکی پدیده های بسیار مهم که در این بخش بررسی می شود، میدان مغناطیسی زمین است. منشاء به وجود آمدن میدان مغناطیسی زمین سه عامل مهم است. در حدود 99 درصد این عوامل ناشی از میدان های درونی زمین بوده که به صورت خاص شامل مواد موجود در هسته زمین و همچنین مواد مغناطیسی موجود در قسمت های سخت زمین است. تغییرات میدان مغناطیسی زمین بسیار کند و آهسته بوده و 05/0 در صد در سال است، یعنی در هر 100 سال فقط 5 در صد تغییر می یابد .
هر میدان مغناطیسی دارای دو قطب است که قطب های میدان مغناطیسی زمین در سیبری و جنوب استرالیا قرار دارند.مینیمم اندازه میدان مغناطیسی در اطراف استوا بوده که برابر با تسلا و بیشترین اندازه آن نیز در اطراف قطب ها برابر با تسلا است.
بدین ترتیب مشخص می شود که میدان مغناطیسی زمین دارای دو بیشینه در قطب ها و دو کمینه در استوا است.کمترین مقدار میدان مغناطیسی در ناحیه ای محصور بین آمریکای جنوبی، آفریقای جنوبی و قطب جنوب است. توفان های ژئومغناطیسی نیز سبب تغییری برابر در میدان مغناطیسی زمین می شوند. هنگامی که بادهای خورشیدی به سمت سیاره های منظومه شمسی میوزند، میدان مغناطیسی این سیاره ها در برابر باد های خورشیدی عکس العمل نشان می دهد. خطوط میدان مغناطیسی زمین در اثر بادهای خورشیدی در راستای وزش باد متراکم شده و ناحیه وسیع متراکمی را در مقابل آن ها ایجاد می کند که مگنتوسفیر نامیده می شود. ناحیه مگنتوسفیر به صورت ناحیه ای قطره ای شکل در اطراف زمین ایجاد می شود. آثار ناشی از پدیده مگنتوسفیر نیز 1 در صد علل وجود میدان مغناطیسی زمین را شامل می شود.در بحث میدان مغناطیسی زمین، نیاز به شناختن عامل دیگری به نام یونوسفر داریم که در فصول آتی به معرفی مدل مربوطه خواهیم پرداخت. این ناحیه از اهمیت کاربردی خاصی برخوردار بوده زیرا بر امواج رادیویی تاثیر گذار است.

مروری بر مدلهای ژئومغناطیسیدر سال 1600 گیلبرت، شدت میدان مغناطیسی زمین را کشف نمود و در سال 1634، گلیبراند دریافت که این میدان با زمان تغییر میکند. این پدیده در ابتدا در سامانه های ناوبری دریائی و هوائی به کار گرفته شد. در سال 1830 مشاهدات ژئومغناطیسی به طور پیوسته بازبینی شد که گزارش این بررسی ها هر 5-10 سال انجام گرفت. در سالهای 1590 الی 1990 یک ساختار پیوسته کاربردی از مدل میدان مغناطیسی در قالب 365694 مشاهده تهیه گردید.
در 20 سال اخیر مشاهدات ماهواره ها دقت این مطالعات را بالا برده، به صورتی که یک پوشش جهانی درست و اطلاعات کامل میدانی با دقتی معادل 5 تا 10 نانو تسلا تهیه میکنند.
در جدول1 به نمونه هایی از این مدل ها و دامنه کاربرد آنها اشاره می کنیم:
نام مدل دامنه کاربرد درجه مدل ساختار مدل محدودیت سنجش(Km)
NGDC-720 شدت میدان های مگنتوسفریک و میدان های پوسته و اصلی 16 تا720 هارمونیک های کروی 56 الی2500
IGRF اعماق درونی زمین، پوسته، یونوسفر و مگنتوسفر است 13 هارمونیک های کروی تا 700
EMAG3 نقشه مغناطیسی دیجیتالی جهانی - اطلاعات ماهواره ها و زیردریاییها و نمونه گیری های مغناطیس زمینی ارتفاع 5
EEJM1 محاسبه جریان الکتریکی قوی در طول استوائی و در منطقه E لایه یونوسفر - هارمونیک های کروی -
MF6و
MF5 تعیین مسیر مغناطیسی اقیانوس-تخمین عمر پوسته های اقیانوسی 120 هارمونیک های کروی تا 333
POMME4 شدت میدان های اصلی زمین 720 ترکیبی از مدل های MF5 و NGDC-720 1000
WMM شدت میدان های اصلی زمین 12 هارمونیک های کروی تا 700
جدول SEQ جدول * ARABIC 1- معرفی مدل های مختلف ژئومغناطیسی و مشخصات آنهادر بخش بعد به مدل مغناطیسی جهانی (WMM) می پردازیم:

معرفی مدل مغناطیسی جهانی آمریکایی/انگلیسی برای سال 2005-2010 (WMM)این مدل مشتمل بر یک بررسی کامل از داده های مورد استفاده، تکنیک های مدلسازی به کار رفته و نتایج بدست آمده در تولید مدل مغناطیسی جهانی(WMM) برای سال 2005 است. این مدل که تا سال 2010 معتبر است، برای استفاده در سیستم های جستجوی هوایی و دریایی استفاده می شود. WMM مدلی از میدان مغناطیسی اصلی زمین است یعنی همان قسمت از میدان که در هسته زمین تولید می شود.
مدل مغناطیس جهانی یک محصول از آژانس زمین و فضای ملیNGA ایالات متحده است. WMM توسط مرکز داده های زمین فیزیک ملی NGDC ایالات متحده و سرویس زمین شناسی بریتانیا BGS به کمک اطالاعات و سرمایه گذاری NGA ایالات متحده و آژانس تصویر نگاری جغرافیایی وزارت دفاع DGIA بریتانیا تولید شده است.
مدل مغناطیسی جهانی، مدل استاندارد مورد قبول در سازمان دفاع ایالات متحده، وزارت دفاع بریتانیا، سازمان پیمان آتلانتیک شمالیNATO)) و استاندارد مورد استفاده در سیستم های ناوبری و تعیین وضعیت اداره آبنگاری جهان (WHO) است. این مدل در سیستم های ناوبری عمرانی نیز به صورت گسترده استفاده می شود.
تکنیک مدلسازیمیدان مغناطیسی زمین،B ، یک مقدار برداری است که با توجه به مکانr و زمان t تغییر می کند. آن میدان مغناطیسی زمین که توسط یک سنسور مغناطیسی بر روی زمین و یا بالای سطح زمین اندازه- گیری می شود، در واقعیت یک ترکیب از میدان های مغناطیسی مختلف است که توسط چندین منبع مختلف تولید شده است. این میدان ها بر روی هم می افتند و از طریق فرایند القا با هم اندرکنش دارند. اهم این منابع ژئومغناطیسی عبارتند از:
الف) میدان اصلی(تصویر1-1)، که در لایه بیرونی هسته مذاب و هادی زمین تولید می شود.Bm
ب) میدان پوسته ای ناشی از منتلِ (قشر زیر پوسته و حول هسته زمین) یا بالای زمین.Bc
ج) میدان ترکیبی مزاحم ناشی از جریانهای الکتریکی که در ارتفاع بالای جو و مگنتوسفیر جاری بوده و باعث القای جریانهای الکتریکی در زمین و دریا می شوند.Bd
بدینسان، میدان مغناطیسی مورد بحث به صورت حاصل جمع این میدانها خواهد شد.
(1-1) Br,t=Bmr,t+Bcr,t+Bdr,tBm قسمت دائم میدان است، که 95% از کل قدرت میدان را در سطح زمین به خود اختصاص می دهد. تغییرات مستقل تغیییر آرام در زمان Bm است. میدان ناشی از صخره های کروستال مغناطیسیBc، نسبت به فضا تغییر میکند ولی با توجه به مقیاس زمانی که در اینجا در نظر گرفته می شود، نسبت به زمان ثابت فرض می شود.

تصویر SEQ تصویر * ARABIC 1-1- شمایی از خطوط میدان مغناطیسی زمینبا توجه به شکل1-1 میدان مغناطیسی اصلی ناشی از جریانهای مذاب در لایه بیرونی هسته.خطوط میدان تقریباً غیر قطبی شده، بالای سطح زمین، در جنوبی ترین قسمت همیوسفر به سمت بیرون و در شمالی ترین قسمت آن به سمت داخل هستند.
Bc از نظر مقدار غالباً خیلی کوچکتر ازBm است. میدان کروستال نسبت به مقیاس های زمانی مورد نظر در این مطالعه، ثابت است. میدان ناشی از جریانهای یونوسفر و مگنتوسفیر و جریانهای القایی منتجه آنها در منتل و کراست زمین،Bd، هم نسبت به مکان و هم نسبت به زمان تغییر می کند. WMM فقط میدان مغناطیسی اصلی زمین را نشان می دهدBm)). برای ایجادکردن یک مدل دقیق از میدان مغناطیسی اصلی، لازم است که اطلاعات کافی با یک پوشش جهانی مناسب و حداقل سطح اغتشاشات در دست داشت. مجموعه اطلاعات ماهواره دنیش اورستد و جرمن چمپاین نیازمندیها را تامین می کند. هر دو ماهواره اطلاعات برداری و اسکالر دارای کیفیت بالایی را در تمام طول ها و عرض های جغرافیایی تامین می کنند. اما این عمل در طول کل دوره های زمانی مورد نیاز برای مدلسازی انجام نمی گیرد. بر این اساس این اطلاعات ماهواره ای با اطلاعات متوسط ساعتی از پایش زمینی که تقریباً در تمام بازه زمانی مورد دلخواه به صورت پیوسته در دسترس است، دائماً افزایش می یابد. هرچند که فضای پوشش ضعیفی بدست دهد. بدینسان اطلاعات بدست آمده از پایش، قیود با ارزشی را برای زمان تغییر میدان مغناطیسی زمین فراهم می کنند. استفاده همزمان از اطلاعات بدست آمده از پایش زمینی و همچنین اطلاعات دریافتی از ماهواره، یک مجموعه اطلاعات دارای کیفیت قابل قبول برای مدلسازی رفتار میدان مغناطیسی اصلی نسبت به زمان و مکان برای ما تامین می کند.
Bc دارای تغییرات فضایی در دامنه چندین متر تا چندین هزار کیلومتر است و نمی توان آن را با مدل های هارمونیک کروی دارای درجه پایین، به طور کامل مدل کرد. بر همین اساس، WMM شامل تاثیر هم مرز کراستنیست جز برای آن قسمت با طول موج بسیار بالا.Bc عموماً در دریا کوچکتر از خشکی است و با افزایش ارتفاع، کاهش می یابد. مغناطیسی شدن صخره در اثرBc، می تواند یا به صورت القایی(بوسیله میدان مغناطیسی اصلی) یا دائمی و یا یک ترکیب از هر دو باشد.
اصل این پدیده این است که جو در نور روز در ارتفاع های 100-130 کیلومتر ، در اثر تشعشع خورشید یونیزه شده و توسط باد و جزر و مد در میدان اصلی زمین به حرکت در می آید و بدینسان شرایط لازم برای فعالیت یک دینام (حرکت یک هادی در یک میدان مغناطیسی) فراهم می شود. دیگر تغییرات روزانه و سالیانه، در اثر چرخش زمین در میدان مگنتوسفر خارجیدر یک مرجع خورشید آهنگ ایجاد می شود. تغییرات بی قاعده ناشی از توفان های مغناطیسی و ریز توفانها است. توفانهای مغناطیسی در حالت کلی دارای سه فاز هستند: فاز اولیه – اغلب همراه با یک شروع ناگهانی و افزایش میدان افقی در عرض های جغرافیایی میانی -یک فاز اصلی و یک فاز احیاء. فاز اصلی حاوی یک تشدید از جریان حلقه(شکل1-2) از صفحه پلاسما است.

تصویر SEQ تصویر * ARABIC 2- شمای جریان پلاسما در اطراف زمیندر شکل1-2 سیستم جریان مگنتوسفری(قرمز) یک میدان مغناطیسی تقریبا یکنواخت، نزدیک به زمین تولید می کند. جریانهای همخط با میدان (زرد)، جریانهای مگنتوسفری را با جریانهای یونوسفر نزدیک زمین جفت می کنند. [افتر کیولسون و راسل 1995]
در طول فاز احیاء، جریان حلقه به حالت نرمال در مدت چند روز و ریز توفانهای زیر مجاور مرتبط باز می گردد. طوفان مغناطیسی و اثرات ریز توفانها در عرض جغرافیایی بزرگ مغناطیس زمین عموماً شدیدتر هستند. چرا که در آنجا، منطقه یونیزه قسمتهای بالایی جو(یونوسفر)توسط جریانهای هم خط میدان، با مگنتوسفیر جفت شده اند و در نتیجه بشدت از میدان مغناطیسی درون سیاره ای و سیستم های جریان در دنباله مغناطیسی تاثیر می پذیرند. هم تغییرات میدان مزاحم با قاعده و هم بی قاعده، هر دو با فصل و چرخه فعالیت مغناطیسی خورشید مدوله می شوند. میدان مزاحم اولیه اغلب به عنوان میدان خارجی شناخته می شود، چراکه منابع اصلی آن-یونوسفر و مگنتوسفر-خارج از سطح زمین که اندازه گیریهای مغناطیس زمین به صورت سنتی در آن انجام می شود، هستند. با اینحال این جمله می تواند گمراه کننده باشد و در هنگام استفاده از داده های ماهواره ای از آن صرفنظر می کنیم. چرا که یونوسفر پایین تر از ارتفاعی قرار دارد که این اطلاعات می آیند و بر همین اساس به صورت کامل در بطن این سطح پایش قرار گرفته است. برای اطلاعات بیشتر در مورد کراستال و میدانهای مزاحم (و اطلاعات کلی راجع به مغناطیس زمین) مریل و همکاران 1996 و پارکینسون1983 را ببینید.
بردار میدان مغناطیسی زمین B با 7 جزء مشخص می شود. این اجزاء عبارتند از:
– مولفه های قائمX (با شدت شمالی )
Y (با شدت شرقی)
Z (شدت عمودی-مثبت به سمت پایین)
F شدت کل، Hشدت افقی
I شیب مغناطیسی (زاویه میل، زاویه بین صفحه افقی و بردار میدان-مثبت اندازه گیری به سمت پایین)
D انحراف مغناطیسی(زاویه انحراف، زاویه افقی بین شمال حقیقی و بردار میدان- راستای مثبت اندازه گیری به سمت شرق).
GV، تغییرات شبکه
را می توان از روی مولفه های قائم با استفاده از رابطه های 1-16به دست آورد. جدول 2دامنه مقادیر مورد انتظار برای مولفه های مغناطیسی و GV در سطح زمین را نشان می دهد.
WMM برای 2005 تا 2010 یک مدل از میدان اصلی کروی-هارمونیک با درجه و مرتبه 12 برای 2005 را با یک مدل متغیر پیشگوی مستقل کروی-هارمونیک با درجه و مرتبه 8 برای دوره 2005 تا 2010 مقایسه می کند.
مدل برنامه کامپیوتری در نظر گرفته شده، مولفه های X،Y ،Z ،F ،D ، I،H و GV در مختصات زمین شناختیرا محاسبه می کند.
دامنه در سطح زمین
واحد Max Min نام جانشین نام جزء
nT 42،000 17،000- شدت شمالی مولفه شمالی X
nT 18،000 18،000- شدت شرقی مولفه شرقی Y
nT 61،000 67،000- مولفه پایین Z
nT 42،000 0 کل میدان شدت افقی H
nT 67،000 22،000 شیب مغناطیسی شدت کل F
درجه 90 90- تغییرات مغناطیسی زاویه میل I
درجه 180 180- انحراف مغناطیسی D
درجه 180 180- تغییرات مغناطیسی شبکه تغییرات شبکه GV
جدول SEQ جدول * ARABIC 2-دامنه تغییرات اجزاء مغناطیسی و GV در سطح زمیناطلاعات بدست آمده از داده ها و کنترل کیفیتداده های ماهوارهاساسی ترین مشخصه داده های ماهواره پوشش جهانی آنها است که غالباً در یک بازه نسبتاً کوچک زمانی بدست می آید. زاویه اینکلینیشن مدار (زاویه بین صفحه مداری مسیر گردش ماهواره و صفحه استوای زمین) دامنه طول جغرافیایی تحت پوشش را نشان می دهد. یک زاویه 90 درجه، پوشش 100% به دست می دهد. یک زاویه کمی کمتر یا بیشتر از 90 درجه، در مناطق کوچکی حول قطبهای جغرافیایی، فواصلی را ایجاد می کند که هیچ پوشش اطلاعاتی ندارد. مشخصه مهم دیگر داده های ماهواره این است که میدان کراستال به علت فاصله ماهواره از پوسته زمین، به شدت ضعیف شده است.
یک ماهواره با زاویه میل بالا نسبت به زمان وضعی در حالی که زمین زیر آن می چرخد، ثبوت کمتر و یا بیشتری دارد. بدینسان در مدت 24 ساعت، یک تصویر خام از زمین به دست می دهد. در این مدت زمان، ماهواره حدود 15 دور حول مدارش می گردد. با یک فاصله طولی در حدود 24 درجه. یک نقص این مدار خورشید آهنگ، این است که کل پایش در شب در یک عرض جغرافیاییمورد نظر، برای یک دوره زمانی طولانی، تقریباً زمان وضعی مشابهی دارد. در نتیجه، مدلسازی میدان های خارجی که وابسته به زمان وضعی می باشد، از روی یک چنین داده هایی می تواند مشکل باشد. ماهوارۀ مگ ست، که به مدت 7 ماه در زمستان 1979/1980 یک نقشه برداری (مساحی) دقیق بردار مغناطیسی انجام داد، یک مثال از یک مدار کاملاً خورشید آهنگ با نقص و کمبود زمان وضعی مشابه آنچه گفته شد، است. به صورت مشابه، ماهوارهSAC-C بر روی یک مدار ثابت ظهر/نیمروز قرار دارد. در حالیکه اورستد و چمپ به آرامی در زمان وضعی حرکت آرام می شوند.
حرکت آرام زمان وضعی وابسته به زاویه میل مدار است. که معمولاً به صورتی انتخاب می شود که از تضریب فرکانس های سالیانه جلوگیری کند تا قادر به تفکیک اثر هر یک از میدان مغناطیسی خارجی وابسته به سال و وابسته به زمان وضعی باشد. چون ارتباط بین ستاره نگار و مغناطیس سنج برداری درSAC-Cدارای خطاست، فقط داده های اورستد و چمپ برای تولید WMM2005 استفاده شده اند.
در ذیل به معرفی این ماهواره ها و نحوه عملکرد آنها اشاره می کنیم.
Orstedماهواره دانمارکی اورستد ماهواره ای است که برای مدل سازی میدان مغناطیسی زمین اختصاص داده شده است و داده ها را با کیفیت بالا جمع آوری و ارسال می کند و نقصی در عملکرد آن مشاهده نشدهاست.

تصویر SEQ تصویر * ARABIC 3- نمای ماهواره اورستدمغناطیس سنج هادر ساکت ترین موقعیت، نوک بوم 8 متری، مغناطیس متر اورهویزر(OVM) شدت میدان مغناطیسی را اندازه می گیرد(بدون وابستگی به راستا) و تا نیم تسلا دقت دارد. کاربرد اصلی آن، کالیبراسیون دقیق(مطلق) مقادیر اندازه گیری شده توسط ابزار CSC (سیم پیچ کروی فشرده) است. برای جلوگیری از تداخل جزئی مغناطیس مترها، در فاصله معینی از OVM، بردار میدان مغناطیسی، توسط یک مغناطیس سنج حساس CSC اندازه گیری میشود و شدت و راستا و راستای آن تعیین میگردد. این وسیله تا بازه های زمانی چند روزه تا حدود 5/0 نانو تسلا پایدار است.
ابزار جمع آوری داده ها[data products]ابزار جمع آوری داده ها برای مدلسازی میدان اصلی عبارتند ازMAG-F برای اندازه گیری شدت میدان (مقادیر اسکالر) و MAG-L برای میدان برداری.

CHAMPماهواره کوچک تحقیقاتی چمپ یک ماهواره آلمانی با ماموریت بهبود مدلهای میدان مغناطیسی و جاذبه زمین می باشد. در ابتدا ماموریت برای 5 سال در نظر گرفته شده بود ولی تا سال 2008 تمدید شد. مدار چمپ دوبار برای طولانی تر کردن مدت ماموریت، افزایش داده شده است.
ابزار مغناطیسی چمپ بسیار مشابه با ابزار اورستد است. چمپ همان ابزار مغناطیس سنج برداری و اسکالر را حمل میکند.
مغناطیس سنج هادر فاصله چهار متری از سر بوم، یک مغناطیس سنج اورهیزر با دقت پروتن یکبار در هر ثانیه،کل شدت میدان مغناطیسی را اندازه می گیرد. این وسیله، دارای دقت مطلق 5/0 نانو تسلا است.

تصویر SEQ تصویر * ARABIC 4-نمای روبروی ماهواره چمپوسایل جمع آوری داده هاوسایل علمی استاندارد چمپ از سطح 0 تا سطح 4 شماره بندی شده اند. بسته به میزان پیش پردازش که توسط آنها بر روی داده های اصلی انجام می شود، تجهیزات علمی از ابزار سطح 2 شروع می شوند که با مدارهای دقیق کالیبره، نشانه گذاری و ترکیب شده اند و به عنوان فایل های روزانه درCDF (فرمت داده های روزانه)ذخیره شده اند. تجهیزات سطح 3 آخرین اطلاعات تجزیه و تحلیل شده، اصلاح شده و کالیبره شده را مقایسه می کند.

SAC-Cفضاپیمای SAC-C آرژانتین، برای مطالعه ساختار و دینامیک جو زمین، یونوسفر و میدان مغناطیسی زمین طراحی شده بود.

تصویر SEQ تصویر * ARABIC 5- ماهواره SAC-C در مدارمغناطیس سنج برداری و ستاره نگار بسیار با نمونه های به کار رفته در اورستد شبیه هستند. داده های رسیده از این ماهواره خیلی مفید هستند چونSAC-C در یک مدار زمانی موضعی ثابت قرار گرفته است. و تکمیل کننده حرکت آرام مدارهای اورستد وچمپ می باشد. بدلیل عدم وجود کالیبراسیون دقیق، از داده های SAC-C نمی توان برایWMM2005 استفاده کرد.
داده های پایشیکی از مشخصه های اصلی پایش، پوشش زمانی طولانی و پیوسته آن در زمان، در منطقه ای که قرار است WMM استفاده شود، است. این بدین معنی است که پیش بینی میدان مغناطیسی برای سالهای متمادی در آینده چنان که مورد نیاز WMM باشد، مقدور است و اینکه تغییرات با قاعده و بی قاعده در میدان خارجی می تواند دسته بندی و اثر آنها در WMM به حداقل رسانده شود. توزیع فضایی پایش به طور اعم توسط موقعیت مورد نظر و با توجه به تبحر محلی، بودجه، تامین انرژی و وقتهای پراکنده بدست آمده است و در برخی از موقعیت ها، تا حد منطقی نسبت به زمان ثابت است.
تامین تجهیزاتسه نوع تجهیزات در یک پایش وجود دارد. اولین گزینه متغیر سنج ها را مقایسه می کند که اندازه گیری های پیوسته از بردار مغناطیسی میدان زمین انجام می دهد. هم متغیر مترهای دیجیتال و هم آنالوگ، هر دو نیاز به محیط کنترل شده دمایی و سکوهای کاملاً ثابت دارند. ولی می تواند عموماً بدون دخالت دست کار کند. عادی ترین و ساده ترین نوع متغیر مترهای امروزی، مغناطیس متر سه محوره است. دومین گزینه، شامل ابزار دقیق است که می توانند از میدان مغناطیسی زمین بر مبنای واحد های پایه ای فیزیکی دقیق و یا ثابت های فیزیکی عمومی، اندازه گیری نمایند.
ساده ترین نوع ابزار دقیق، شاردروازه های اندازه گیری زاویه است. برای اندازه گیری D و I و مغناطیس مترهای با دقت پروتون برای اندازه گیریF.
در ابزار اول، واحد اندازه گیری زاویه است. برای تعیین این زوایا از سنسور شار ورودی که بر روی تلسکوپ یک زاویه سنج غیر مغناطیسی نصب شده است، استفاده می شود تا زمان عمود شدن آن بر بردار میدان مغناطیسی باشد ردیابی گردد.

تصویر SEQ تصویر * ARABIC 6-مناطق پایش گر در نقاط مختلف زمینبرای تعیین D,I شمال واقعی با مراجعه به یک علامت ثابت در یک ارتفاع مشخص تعیین می شود. این کار با پایش نجومی انجام می گیرد. اندازه گیری توسط یک شاردروازه زاویه سنج تنها به صورت دستی انجام می گیرد. در حالیکه، یک مغناطیس متر پروتونی می تواند به صورت خودکارکار کند.
سومین گزینه مقادیر اندازه گیری شده نیمه دقیق را مقایسه می کند. این ها ابزار هایی هستند که انحراف از یک میدان که به صورت با قاعده و با استفاده از یک ابزار دقیق تعیین شده اند.
جمع آوری داده ها و کنترل کیفیتBGSو NGDCاطلاعات و داده های پایش را از طریق مشارکت فعالانه خود در سیستم مرکزی دادههای دنیا جمعآوری می کند .
آنها اطلاعات و داده های مناسب برای مدلسازی میدان مغناطیسی را نگه می دارند. با سازمانهایی که داده های پایش مغناطیسی را به کار می برند در تماس اند و با سایر WDC ها همکاری دارند.
هر سال BGS درخواست خود راجع به دریافت آخرین داده ها و سایر اطلاعات وابسته را به همه سازمانهایی که در حوزه پایش دادهها کار میکنند میفرستد. WDC ها در ادینبورگ BGS و بولدرNGDC مقادیر متوسط سالیانه یکسانی را برآورد می کنند.WDC ها در کپنهاگ و بولدر نیز مقادیر متوسط ساعتی یکسانی را بر آورد می کنند. مقادیر متوسط ساعتی که برای WMM استفاده می شوند، از سایت WDC کپنهاگن دریافت می شوند.
BGS نیز فعالانه داده های پایش جهانی را از طریق مشارکت خود در اینترمگنت (بین مغناطیسی) جمع آوری می کند. کار اینتر مگنت ایجاد یک شبکه جهانی از پایش گره های مغناطیسی مرتبط به منظور هماهنگ کردن مشخصات استاندارد مدرن برای تجهیزات اندازه گیری و ثبت و ضبط داده ها است. اینکه بتواند از این طریق تبادل داده ها را تسهیل کرده و تولید ابزار مغناطیس سنج زمین را به زمان واقعی نزدیک کند.
کیفیت داده ای که یک پایشگر تولید می کند، بستگی به مسئولیت پذیری اپراتور دارد. مهمترین جنبه مدلسازی جهانی پایداری خطوط پایه است. یک خط پایه عبارت است از اختلاف بین داده های متغیر متری کالیبره شده، و پایش های دقیق. یک خط پایه با نقاط بسیار، پراکندگی پایین، حرکت آرام و جابجایی کم نشانه ای از یک کیفیت عالی است. نقشه های خطوط پایه برای پایش های اینتر مگنت بر رویCD های سالیانه ای از داده های تعیین شده آورده شده اند. اطمینان از کیفیت و کنترل اندازه ها، به غیر از آنچه که توسط کاربر پایش گری انجام می گیرد، توسط اینتر مگنت از طریق برنامه استانداردسازی پایشگری آن انجام می گیرد. مراکز داده های جهانی، و با شرکت بسیاری از کاربران پایشگر در کارگاه های پایشگری بین المللی مرتبط با مغناطیس زمین آخرین پروسه کنترل کیفیت پایش از اجرای WMM توسط BGS انجام می گیرد. برای متوسط های ساعتی، این عمل شامل رسم کلیه داده ها برای تشخیص خطا های توپوگرافیک و پرش ها و رسم اختلاف بین داده ها و مدل های جهانی اولیه برای تشخیص حرکت های آرام است.
انتخاب داده برای WMM2005WMM میدان اصلی (Bm) و تغییرات آرام آن با زمان را مدل می کند (تغییرات سکیولار برای 2005 تا 2010). با این وجود، میدان مغناطیسی زمین آنچنان که بر روی سطح زمین اندازه گیری می شود و یا در ماهواره ، عرض جغرافیایی یک ترکیب از چندین میدان مغناطیسی است. ریسک بایاس کردن مدل Bm بسیاری از میدانهای تولید شده در خارج از زمین بسیار متغیر است و نسبت به زمان و مدلسازی آنها مشکل است. پروسه انتخاب داده ها از این رو به منظور کمینه کردن سهم این میدان ها و اثرت القا شده آنها در زمین است. سه گزینه استاندارد وجود دارد:
1- اطلاعات فقط در نیمه شب زمین انتخاب شده اند
2- داده فقط در دوره های آرام مغناطیسی انتخاب شده است
3-فقط داده های اسکالر در عرض های جغرافیایی بالا انتخاب شده اند.
اولین استاندارد برای کمینه کردن توزیع سهم میدان مغناطیسی تولید شده در یونوسفر بسیار موثر است. چون هدایت یونوسفر تنها در نیمه روز زمین بالا است. دوره های آرام مغناطیسی شامل آن بازه های زمانی است که میدانهای خارجی به شدت ضعیف هستند و زمانیکه آنها نسبت به زمان تغییرات اضافی ندارند. شناخت دوره های آرام مبتنی بر اندیس های DST واست. (محاسبه از داده های پایشگری) از قدرت و راستای اندازه گیری شده میدان مغناطیسی درون سیاره ای( IMF ) و سرعت بادهای خورشیدی خواهد بود. داده های اسکالر در ارتفاع بالا انتخاب شده است تا اثرات سیستم های جریانی موجود را در این مناطق به کمترین مقدار ممکن برساند؛ این مناطق به نوبه خود باعث تولید نویز بسیار زیادی در داده های برداری می شوند.
اندیسkp صفحه ای بر مبنای اندیس K است. یک اندیس موضعی از دامنه ای سه ساعتی در فعالیت مغناطیسی دو مولفه افقی میدان x,y نسبت به یک منحنی مفروض و روز آرام برای پایش مغناطیس زمین درجه اغتشاشات موضعی با اندازه گیری در بازه های زمانی 3 ساعته برای بسیاری از مولفه های میدان مغناطیسی دچار اغتشاش شده انجام می گیرد. سپس این دامنه، با استفاده از یک محور لگاریتمی شده که متعلق به وضعیت معلوم است، به یک اندیس K موضعی تبدیل می شود. این کار تلاشی برای نرمال کردن فرکانس حدوث اغتشاشات با اندازههای مختلف است. اندیس Kp سه ساعته (میانگین مقدار K از 13 مورد انتخاب شده از میان مشاهدات ایستگاههای لرویک، اسکدالمیور و هارتلند) که در مقیاس سه تایی ارائه شدهاست (28 مقدار).
ذرات بارداری که توسط میدان مغناطیسی زمین در حرکت های آرام مگنتوسفر حول زمین در فاصلهای معادل 3 تا 8 برابر شعاع زمین به دام افتاده اند، یک حلقه جریان الکتریکی در راستای غرب ایجاد می کنند. که میدان آن با میدان مغناطیسی اصلی زمین مخالفت می کند. قدرت این میدان از مرتبه 10 هاnT در دوره های زمانی آرام و چندین صد nT در زمان بادهای مغناطیسی است. جریان وقفه مغناطیسی، دم و حلقه جزئی موجب اغتشاشات اضافی می شوند و باعث عدم تقارن در میدان می شوند که در مدت طوفانهای مغناطیسی افزایش یافته اند. قسمت متقارن این میدان مزاحم مرکب توسط DST بررسی شده است. زمان طوفان مزاحم برای 4 مورد پایش و اندازه گیری در ارتفاع پایین به دست آمده است.
از آنجایی که WMM با اهداف تحقیقاتی مورد استفاده قرار میگیرد، باید بتواند به صورت دقیق مقادیر میدان مغناطیسی را برای یک بازه زمانی 5 ساله محاسبه کند. بر این اساس، توانایی در محاسبه تغییرات ارضی، خیلی مهم است و داده های بازه های زمانی طولانی در این مرحله به کار می آید.
انتخاب و پیش پردازش برای مدل ها
مجموعه داده های ماهواره ای اورستد و چمپ نیازمندی های WMM را برطرف می کنند. چمپ پایین تر از دو ماهواره قرار دارد و از اینرو در معرض سطح آلودگی بیشتری است. این آلودگی ناشی از سیگنال میدان پوسته و همچنین سیستم های جریان الکتریکی که بین سطح زمین و مسیر ماهواره در جریان است، می باشد. از سوی دیگر، داده های چمپ که در ارتفاع پایین به دست آمده قید های بهتری را بر روی طول موج های کوچک مدل میدان مغناطیسی داخلی، تامین می کند.
هر دو ماهواره، داده های برداری و اسکالر با کیفیت بسیار بالا در تمام عرض ها و طول های جغرافیایی تأمین می کنند. گپ ها کاملاً در اتصالات بین مجموعه داده های متوسط ساعتی پایش شده تقریباً در کل دوره مورد نظر پیوسته است. هرچندکهپوشش فضایی ضعیفاستشکل1ضمیمه (الف) داده های پایشی از اینرو قید های خوبی را در مدت زمان تغییرات میدان مغناطیسی زمین به دست می دهد. سطح نویز در داده های پایش بیشتر از داده های ماهواره ای است. که علت آن نزدیکی پایشگرها به اجسام هادی در پوستهاست.میدان هایخارجیمتغیر بازمان،جریان هایالکتریکی را به اینهادی ها القا می کند و باعث تولید تزاحم مغناطیسی در پایشگرها می شود.
مقادیر اندازه گیری شده مغناطیسی ماهواره چمپ بدلیل اثر دیا مغناطیسی محیط پلاسمای اطراف، تحت تأثیر قرار می گیرد و باعث کاهش توانایی خواندن میدان مغناطیسی می شود. این اثر در مرتبه یک چندnT بوده و در نزدیکی استوای مغناطیسی در ساعت های پیش از نیمه شب قوی تر است. با استفاده از چگالی الکترون و دماهای خوانده شده توسط پراب(سنجنده) لانگمور چمپ، یک اصلاح دیا مغناطیسی ساده بر روی داده های چمپ اعمال می شود.
انتخاب برای توانایی پیشگویی پیشرو تا 2010پیشگویی تغییرات سکیولار تا 2010 تا حدودی وابسته به مجموعه طولانی از پایش های متوسط سالیانه در X،Y،Z از آنجایی که داده های ماهواره و داده های متوسط ساعتی پایش فقط حدود 5 سال را پوشش می دهند. این شامل انتخاب موضوعی بر مبنای پیوستگی و طول مجموعه های زمانی و توانایی پایش و رسم داده ها برای شناسایی، پرش های تعیین نشده و اولین قسمت های ضبط شده که نویزی بوده اند. هر عدم پیوستگی شناخته شده به عنوان مثال ناشی از تغییر موضع ستون، پایه- های پایش مطلق به کار گرفته شده است. لیست پایشگرهای استفاده شده و پوشش زمانی در جدول 6 ضمیمه (ب) آمده است.
روشهای مدلسازیابتدا یک مدل اصلی بر اساس تمامی دادههای موجود تشکیل داده میشود، تا به منظور سنتز مقادیر میدان مغناطیسی در خلال (1999-2000 الی 2004-2005) مورد استفاده قرار گیرد.
پیشبینی تغییرات ارضیپیشبینی تغییرات آتی میدان مغناطیسی، از روی دادههای میانگین سالیانه مشاهده شده بلندمدت و نیز برونیابی چند جملهای مدل اصلی و بر اساس دادههای ماهوارهای و مقادیر میانگین ساعتی مشاهده شده انجام میگیرد. دادههای میانگین با استفاده از تعیین و اعمال فیلترهای خطی پیشبینی کننده بر سری تفاضلی مرتبه اول پردازش میشوند و حاصل تقریبی از تغییرات ارضی تا سال 2010 (مک میلان و کوئین 2000) قابل استفاده می باشد.
تکنیکهای وزندهی به دادههایکی از عمدهترین مسایل در حین مدلسازی میدان ژئومغناطیسی، برآورد وزنی است که باید به هر یک از دسته دادهها اعمال گردد و در هر دسته از دادهها، وزنی که باید به هر یک از دادهها اعمال گردد. در اصل دادهها را باید با معکوس واریانس خطای اندازهگیری وزن دهی کرد، اما این واریانس نیز به نوبه خود اغلب مجهول است. علاوه بر این، مدل های میدان مغناطیسی، تمامی منابع میدان مغناطیسی اندازهگیری شده را مدل نمیکنند بنابراین وزن دادهها باید تأثیر این سیگنال های مدل نشده را نیز در خود بگنجانند. به منظور حفظ اثرات چگالی در نزدیکی قطبین و افزایش میزان نویز در عرض جغرافیایی بالا، به دادههای حاصل از ماهوارهها در این محدودهها وزن کاهیده اعمال میشود. روند مشابهی در بکارگیری دادههای مشاهداتی مورد استفاده قرار میگیرد که توزیع آنها در اروپای غربی و آمریکای شمالی زیاد است و در نیمکره جنوبی کم است.
لایه یونوسفر در عرض جغرافیایی بالا، همواره در معرض بارش ذرات بارداری است که باعث میشوند رسانایی آن حتی در شرایط تاریکی مطلق بالا باشد. تأثیر میدانهای مغناطیسی مگنتوسفیر در یونوسفر قطبی ظاهر میشود و سیستم های مختلف جریان از آن مشتق میشوند. این سیستم جریانها خیلی متغیر هستند اما حتی در دورههای سکوت مغناطیسی نیز وجود دارند. بنابراین دادههای جمعآوری شده در این نواحی باید به دلیل وجود نویز بالا با وزن کاهیده در سری دخالت داده شوند. به همین منوال، دادههای برداشت شده در طلوع و غروب خورشید از آنهایی که در نیمهشب برداشت میشوند خیلی نویزدارتر هستند؛ علیالخصوص در ارتفاعات بالا این مسئله جدیتر است و وزندهی باید به نحوی صورت گیرد که این نکته را در خود لحاظ کند. چگالی بالای داده بَرداری ماهوارهای در عرض جغرافیایی بالا، و شکافی که در دادههای مربوط به قطبین وجود دارد، از خصوصیات مدار ماهواره ناشی میشود. سایر نامنظمیهای پوشش دادههای فضایی از ارجح بودن انتخاب دادههای مربوط به دوره سکوت ناشی میشود. جهت جبران معضل ناشی از دادههای نامساوی، تعداد دادهها در نواحی مساوی شمرده میشود و دادههای هر یک از نواحی در معکوس تعداد دادههای همان ناحیه ضرب میشود.
قطب مغناطیسی و محل دوقطبی خارج از مرکزقطبهای ژئومغناطیسی، که از آنها تحت عنوان دو قطبی نیز یاد میشود را میتوان از طریق 3 ضریب نخست گاوسی مورد محاسبه قرار داد. با استفاده از ضرایب WMM2005 که در سال 2005 برای قطب مغناطیسی شمالی محاسبه شدهاست، این قطب در طول جغرافیایی 78/71 درجه غربی و عرض جغرافیایی ژئودزی 74/79 درجه شمالی قرار دارد؛ و قطب جنوب ژئومغناطیسی در طول جغرافیایی 22/108 درجه شرقی و عرض جغرافیایی 79/74 درجه جنوبی قرار دارد.
قطبهای مغناطیسی که با عنوان قطبهای فرورفته نیز شناخته میشوند، از تمامی ضرایب گاوسی و با استفاده از یک روش تکراری محاسبه میشوند. در سال 2005 قطب مغناطیسی شمالی در طول جغرافیایی 23/118درجه غربی و عرض جغرفیایی ژئودزی 21/83 درجه شمالی قرار داشت و قطب جنوب مغناطیسی در طول جغرافیایی 86/137 درجه شرقی و عرض جغرافیایی 53/64 درجه جنوبی قرار داشت. در عمل، میدان ژئومغناطیسی در این قطبین فرورفته کاملاً قائم است، اما در طول روز مسیر هایی به صورت بیضیگون را طی میکند که از روزی به روز دیگر تغییرات چشمگیری دارد و تقریباً در مرکز موقعیت فرورفتگی قرار دارد.
موقعیت مرکز دوقطبی خارج از مرکز که از آن با عنوان مرکز مغناطیسی نیز یاد میشود، با استفاده از 8 ضریب اول گاوسی محاسبه میشود که در سال 2005 تقریباً بودهاست.
پارامتریسازی مدلمیدان هندسی اندازهگیری شده در سطح زمین یا در مدار ماهواره، حاصلجمع میدانهای حاصل از منابع داخلی یا خارجی کره زمین است. برخلاف منابعش، میدان مغناطیسی داخلی B یک میدان پتانسیل است و بنابراین میتوان آن را به صورت منفی گرادیان یک کمیت اسکالر نوشت. این پتانسیل برحسب ترمهای هارمونیک کروی به صورت ذیل نوشته میشود:
(2-1)
که در آن a (2/6371 کیلومتر) شعاع مرجع میدان مغناطیسی استاندارد زمین است، عرض جغرافیایی، طول جغرافیایی و شعاع در یک دستگاه مختصات مرجع کروی ژئوسنتریک است وضرایب گاوسی وابسته به زمان از درجه n و مرتبه m است که منشاءهای داخلی میدان را توصیف میکند.توابع لژاندر شبه نرمال اشمیت هستند.[ضمیمه الف]
در این توابع تعداد n = 36جمله مورد استفاده قرار داده شده و از باقی جملات صرفنظر شدهاست. فرض آن است که ضرایب داخلی گاوسی[جدول 1 ضمیمه ب] از درجه 1 تا 8 چندجملهای درجه 2 نسبت به زمان هستند،
(3-1)

در سمت چپ معادله 3-2، وتوابع متغیر با زمان هستند ودر سمت راست معادله نماینده ثوابت هستند. زمان بر حسب سال دهدهی داده شده است و t0 تاریخ مرجع مدل است و تقریباً در نقطه میانی گستره زمانی ماهواره و مقادیر میانگین ساعتی مشاهده انتخاب شدهاند. از درجه 9 تا 12 وابستگی ضرایب گاوسی داخلی به زمان، به صورت خطی در نظر گرفته میشود، و در درجات بالاتر نسبت به زمان ثابت فرض میشود. این عدد، آخرین عددی است که در آن میتوان ضرایب را بدون اثر دمپینگ به صورت روباست تعیین کرد.
مدلی که در معادله 2-2 ارائه شده است، صرفاً در مواردی که منشاء داخل کره زمین است کاربرد دارد؛ نظیر میدان پوسته زمین و میدان داخلی اصلی زمین. برای میدانهای خارجی ناشی از جریانات یونوسفر و مگنتوسفیر، یک نمایش هارمونیک کروی نظیر معادله 2-1 مناسب است. با این حال، میدانهای خارجی معمولاً در دستگاه مختصات مرجع متصل به خورشید بیان میشوند. مدل فعلی ما، نوعی مدل پارامتری مگنتوسفیری درجه 2 ثابت است که در دستگاه مختصات مرجع خورشیدی بیان میشود. برای مشاهده کننده مدوری که به زمین متصل شدهاست، این میدان تغییرات منظم روزانه و فصلی دارد.
جابجاییهای جزر و مدی آب دریا از طریق میدان مغناطیسی زمین، میدانها و جریانهای الکتریکی القایی و میدانهای مغناطیسی ثانویپدید میآورد که تا حدود 7 نانو تسلا در سطح اقیانوسو 3 نانو- تسلا در مدار ماهوارهای میرسد. این میدانها به خوبی از دادههای ماهوارهای قابل استخراج و تجزیه و تحلیل هستند و با پیشبینیهای مربوط به جریانهای اقیانوسی جذر و مدی اشتراکاتی دارند (تایلر و دیگران، 2003).
در نهایت وقتی مجموعه دادهها شامل دادههای میانگین مشاهدات ساعتی باشد، جابجایی عددی در هر یک از جایگاههای ناظر نیز باید لحاظ گردد تا اثر میدانهای محلی که اکثراًً در پوسته زمین تولید میشوند و به وسیله مدل قابل توصیف نیستند نیز تفکیک گردد. سپس در جایگاه مشاهده، میدان مغناطیسی B به صورت:
(4-1)
خواهد بود. که بردار جابجایی عددی، که با عنوان انحراف پوستهای نیز خوانده میشود، نسبت به زمان ثابت میماند.
پارامتریسازی فوق برای برازش مجموعه دادههای منتخب از اندازهگیریهای ماهوارهای و مقادیر میانگین ساعتی مشاهده شده مورد استفاده قرار میگیرد.
نوع دیگری از دستگاه محورهای مختصات که در حوزه مدلسازی میدان مغناطیسی بکار میرود، سیستم مختصات ژئومغناطیسی است. لازم به ذکر است در نرم افزار طراحی شده ما، کاربر اطلاعات مربوط به طول و عرض جغرافیایی را وارد میکند و برنامه این اطلاعات را به مختصات ژئو مغناطیسی بر میگرداند. این سیستم مختصات در بدست آوردن WMM2005 برای شناسایی مکان دادهها در یک باند عرض جغرافیایی از استوای ژئومغناطیسی که در آن مقادیر دادههای برداری مورد نیاز هستند بکار میرود و بر مبنای میدان دوقطبی داخلی مرکزی شده قرار دارد و با سه ضریب اول میدان اصلی در یک مدل هارمونیکی کروی جهانی بیان میشود. محور مرجع آن همراستا با محور دوقطبی قرار دارد که از محور گردش زمین حدود 11 درجه انحراف داشته و سطح زمین را در قطبهای ژئومفناطیسی قطع میکند. استوای ژئومغناطیسی، دایره عظیمهای است که نسبت به قطبین ژئومغناطیسی در موقعیت 90 درجه قرار دارد و عرض جغرافیایی ژئومغناطیسی بین صفر درجه در استوای ژئومغناطیسی تا 90 درجه در قطبین ژئومغناطیسی متغیر است.[ضمیمه الف]
ضرایب مدلضرایب مدل، که از آنها با عنوان ضرایب گاوسی نیز یاد میشود، تصویر دقیق و مناسبی از میدان مغناطیسی اصلی زمین ارائه میکند. مقادیر مربوط به آنها در جدول 1 ضمیمه (الف) ارائه شدهاست. این ضرایب برای محاسبه مقادیر المانهای میدان و نرخ سالیانه آنها در نقاط مختلف نزدیک سطح زمین و در هر تاریخی در خلال سالهای 2005 الی 2010 مورد استفاده قرار میگیرند.
9-2 معادلات مربوط به محاسبه عناصر میدان مغناطیسی
روشی گام به گام برای محاسبه عناصر میدانهای مغناطیسی در یک مکان و زمان مشخص ارائه گردیدهاست. که در آن h ارتفاع جغرافیایی، و طول و عرض ژئودزی و t زمان برحسب سنوات دهدهی است.
در نخستین گام، مختصات ژئودزی بیضیگون بوسیله تبدیل زیر به مختصات کروی ژئوسنتریک منتقل میشود:
(5-2)
(6-2)
که در آن A = 6378.137 km محور شبهاصلی (شعاع استوایی) بیضیگون وB = 6356.75231 kmمحور شبه فرعی بیضیگون مرجع WGS84 است.
در قدم بعدی، ضرایب گاوسی درجه n و مرتبه m در زمان مشخصی تعیین میشوند. این کار از طریق تنظیم ضرایبمیدان در زمان 2005 برای تغییرات ارضی خطی انجام میگیرد:
(7-2)

که در آن زمان داده شده بر حسب سال دهدهی است و t0 = 2005زمان مرجع مدل است.
در گام سوم، مؤلفههای برداری میدان X'،Y' و Z' در مختصات ژئودزی به صورت ذیل محاسبه می شوند
(8-1)
(9-1)
(10-1)
در این نقطه، میتوان تغییرات ارضی مؤلفه های میدان را نیز به صورت زیر محاسبه کرد
(11-1)
(12-1)
(13-1)
در گام چهارم، مؤلفههای برداری X'، Y' و Z' به دستگاه مختصات ژئودزی برگردانده میشوند.
(14-1)

که در آن اختلاف میان عرضهای جغرافیایی ژئوسنتریک و ژئودتیک است و در گام 1 محاسبه شده است. به روش مشابه، مشتقات زمانی مؤلفههای برداری با استفاده از رابطه 15-1 محاسبه میشوند.
(15-1)

در گام بعدی، المانهای مغناطیسی H، F، D، Iو تغییرات شبکه GV به طرق زیر از روی مؤلفههای برداری محاسبه میشود
(16-1)

که در آن arctan(a, b)، tan-1(a/b) است. با در نظر داشتن ربع زاویهای، و اجتناب از تقسیم آن بر صفر که منجر به کاهش در بازه 180- درجه تا 180 درجه و افزایش در بازه 90- تا 90 خواهد شد؛ در H = 0 کاهش، تعریف نشده خواهد بود.
تغییرات ارضی این المانها با استفاده از
(17-1)
انجام میگیرد که در آن بر حسب درجه بر سال هستند. در اینجا، عاملاز رادیان به درجه تغییر میکند. این ضریب تبدیل در معادله 16-1 حضور نخواهد داشت، البته با این فرض که تابع arctan برحسب درجه خواهد بود.
بنابراین با توجه به اطلاعات به روز شده ماهواره های چمپ و اورستد و تعیین ضرایب مدل، به مدل- سازی میدان مغناطیسی زمین بپردازیم.

328422078105فصل دوم
00فصل دوم
36474401184275400000
-662305243205 تبدیل معادلات استخراج شده
به
مدل قابل استفاده
00 تبدیل معادلات استخراج شده
به
مدل قابل استفاده

معادلات به کار گرفته شده
در این بخش به معرفی معادلات به کار گرفته شده در الگوریتم ها می پردازیم. لازم به ذکر است که اثبات این معادلات در فصل قبلی آورده شده است.
مؤلفه های شتاب جاذبه را بصورت زیرمی باشد:
(1-2)
که در آنU، تابع پتانسیل جاذبه، ، فاصله از مرکز زمین،، عرض جغرافیایی زمین مرکزی و، طول جغرافیایی بوده و ،و بترتیب مولفه های بردار شتاب جاذبه در راستای ، و هستند .
حل مثال عددی
نام مدل ورودی ها خروجی ها
مدل شتاب ناشی از میدان جاذبه زمین ارتفاعm 1500
عرض جغرافیاییDegree 20 -9.8084
طول جغرافیاییDegree 85
درجه مدل تا 360 20
جدول SEQ جدول * ARABIC 3- حل مثال عددی برای مدل شتاب ناشی از میدان جاذبه زمینمدل باد خورشیدی پارکر به صورت زیر محاسبه می گردد.(2-2)

r فاصله مرکز خورشید تا نقطه مورد نظر وشعاع بحرانی( ) و سرعت صوت() می باشد.( پارامتر گرانشی خورشید و T دمای تاج خورشیدی و )
برای محاسبه دمای الکترون و پروتون در هنگام روز و شب از [ جدول 3 ضمیمه ب] و رابطه زیر استفاده می کنیم:
(3-2)
که در آن دمای لایه i ام و ارتفاع لایه i ام و نرخ نیواری دما (تغییرات دما بر حسب ارتفاع،) در لایه i می باشد.
مطابق جدول [2 ضمیمه ب]، عدد لکه خورشیدی(R) بر اساس F10.7
(4-2)
که در آن F10.7، شار خورشیدی در طول موج 7/10 سانتی متر می باشد.
رابطه باد خورشیدی با فعالیت های ژئومغناطیسی در 1AU
(5-2)
که در آن نمایه ‍ ژئومغناطیسی دامنه روزانه سیاره ای است.
حل مثال عددی:
نام مدل ورودی ها خروجی ها
مدل باد خورشیدی ارتفاعm
(1AU for solar wind)
زمانyear(1996-2017)
ماه(1-12)
روز یا شب 300000 71/310 4/18
1300 4/13
2008 800 5/9
10 36/493 87/106
* 92/449 53/42
53/411 76/6
7/151 3/96 7/68 برای محاسبه پارامتر های میدان مغناطیسی، مؤلفههای برداری میدان X'، Y'و Z'در مختصات ژئودزی به صورت ذیل محاسبه میشوند:(6-2)

مؤلفههای برداری X'، Y' و Z' به دستگاه مختصات ژئودزی برگردانده میشوند
(7-2)

که در آن اختلاف میان عرضهای جغرافیایی ژئوسنتریک و ژئودتیک است.
المانهای مغناطیسی H، F، D،I و تغییرات شبکه GV به طرق زیر از روی مؤلفههای برداری محاسبه میشود:
(8-2)

حل مثال عددی
نام مدل ورودی ها خروجی ها
مدل پارامتر های ناشی از میدان مغناطیسی زمینارتفاعm 2000 31 52/0
زمانyear(2005-2010) 20 7/87 7/47
عرض جغرافیاییDegree 30 7/33594 5/30-
طول جغرافیاییDegree 10 1/306 8/36973-
8/36973 7/33594-
1/33596 1/306
6/49957 جدول SEQ جدول * ARABIC 4- مدل پارامتر های ناشی از میدان مغناطیسی زمینپارامترهای ناشی از اتمسفر زمیندر مدل سازی اتمسفر برای ارتفاع های زیر 86 کیلومتر با استفاده از [جدول 4 ضمیمه ب] داریم:
T0 = 288.16 (k) ,P0 = 1.01325e5 (pa), = 1.225 (kg/m^3)
(9-2)

به ترتیب ارتفاع، فشار، دماوچگالیدرلایه میباشد و n عدد مربوطبه لایه میباشد و λ > 0 (λ، نرخ نیواری دما) به معنای افزایش دما با ارتفاع می باشد.
بدین ترتیب دما و فشار و چگالی بدست آمد. برای محاسبه سرعت صوت از رابطه:
(10-2)
استفاده می کنیم که:
= 1.4 نرخ گرمای ویژه
R = 287(J/kg-K)ثابت هوا
برای ارتفاع های بالاتر از 86 کیلومتر که اتمسفر تحت تاثیر فعالیت های خورشیدی و پارامتر F10.7می باشد از [جدول 5 ضمیمه ب] استفاده می کنیم.
حل مثال عددی
نام مدل ورودی ها خروجی ها
مدل پارامتر های ناشی از اتمسفر زمینارتفاعm 90000 54/193
6/179
5/182
18/0
17/0
18/0

8/278
67/268
85/270
جدول SEQ جدول * ARABIC 5- مدل پارامتر های ناشی از اتمسفر زمین
328422078105فصل سوم
00فصل سوم
36474401184275400000
-662305243205 توصیف نرم افزار شبیه ساز
میدان مغناطیسی
00 توصیف نرم افزار شبیه ساز
میدان مغناطیسی

299466078105فصل چهارم
00فصل چهارم
36474401184275400000
-662305243205 ماهیت میدان مغناطیسی
و
شبیه ساز کوثر100
00 ماهیت میدان مغناطیسی
و
شبیه ساز کوثر100

میدان مغناطیسی چیست ؟میدان عبارتست از فضایی اطراف المانی فرضی چون A که در آن محدوده المان غالب و تعیین کننده شرایط همان المان A است . حال اگر المان A دارای خاصیت مغناطیسی باشد ، میدان اطراف آن میدان مغناطیسی خواهد بود . در این صورت اگر ذره متحرک بار داری با بار q و سرعت V وارد فضای میدان مغناطیسی به بزرگی B شود ، بر آن نیرویی به بزرگی F وارد خواهد شد . در واقع میدان عامل این انحراف از مسیر اولیه ذره است . میزان این انحراف تابع میزان و راستای نیروی F است که از رابطه زیر قابل حصول است .
( 4- 1 ) F=q V×Bدر رابطه بالا F بر حسب نیوتن و q بر حسب کلون و V نیز برحسب متر بر ثانیه است . در این صورت میدان مغناطیسی مولد این نیرو دارای واحد تسلا خواهد بود . واحد میدان مغناطیسی در دستگاه SI تسلا است ( هرتسلا معادل نیوتن-ثانیه بر کولن- متر است ) و هر تسلا عبارتست از بزرگی میدانی که به ذره ای یک کولنی که با سرعت یک متر بر ثانیه عمود بر راستای میدان درحال حرکت است ، نیرویی یک نیوتنی وارد کند .
(1- 2 ) then T=N.sC.mB=FqVاما هر تسلا مقدار بزرگی است برای رفع این مشکل در مصارف آزمایشگاهی واحد دیگری به نام گوس مورد استفاده قرار می گیرد و بین گوس و تسلا رابطه زیر برقرار است .
1 تسلا = 10000 گوس
مبانی فیزیکی پیچه هلمهولتزاساس کارکرد پیچه هلمهولتز ، قانون و رابطه بیو و ساوار است . البته در مراجع اصلی فیزیک این رابطه با دو فرم دیفرانسیلی و غیردیفرانسیلی ذکر شده که در ادامه در قالب روابط 1-4 و 1-5 ارائه شده اند . در واقع این روابط میدان مغناطیسی حاصل از المان مبدل میدان را به صورت جزئی ( دیفرانسیلی ) از میدان مغناطیس نهایی در نظر گرفته و با انتگرال گیری از آن در تمام طول جریان به میدان نهایی می رسد . فرم کلی این روابط به شکل روابط 1-4 و 1-5 است .
(4- 4 )* dBr2=μ04π×IdI×(r2-r1)r2-r13(4- 5 )* Br2=μ04πIdI×(r2-r1)r2-r13
تصویر SEQ تصویر * ARABIC 7- میدان تولیدی ت.سط سیم حامل جریان*پارامتر هایی که به صورت پر رنگ نوشته شده اند ، بردار هستند .
19761203402965تصویر 1-1 ) میدان تولیدی توسط سیم حامل جریان
00تصویر 1-1 ) میدان تولیدی توسط سیم حامل جریان
در رابطه و تصویر فوق جنس متغیر ها به قرار زیراست :
: *I جریان مبدل میدان مغناطیسی بر حسب آمپر (A)
r2 : موقعیت نقطه ای که میدان در آن خواسته شده نسبت به مرجعی مطلوب
r1 : موقعیت المان مبدل میدان نسبت به مرجعی مطلوب
0µ : ضریب گذردهی مغناطیسی خلاء برابر با 4.10-7 (N.s2/C2)
B: میدان مغناطیسی تولیدی
* : باید توجه کرد که شدت جریان کمیتی برداری نیست و در روابطی مانند رابطه های 4-4 و 4-5 که در آنها لازم است I نقش بردار را بازی کند ؛ برداری فرضی در رابطه مورد استفاده قرار می گیرد که دارای بزرگی و جهت شدت جریان و راستای سیم حامل جریان است .
در انتهای این بحث باید این مطلب را ذکر کرد که بر اساس روابط 4-4 و 4-5 شدت میدان مغناطیسی در هر نقطه از فضا اولاً به موقعیت آن نقطه و سپس به شدت جریانی که از مدار می گذرد بستگی دارد . اما باید توجه کرد که در بحت پیچه ها شدت جریان گذرا از پیچه ها بر اثر عواملی چون القاء متقابل پیچه ها و دیگری پدیده خود القایی با جریانی که توسط منبع به پیچه ها اعمال می شود ( و البته در محدوده ای بسیار کوتاه از زمان ) متفاوت است و برای ثبت نتایج در آزمایش حلقه های هلمهولتز یا باید صبر شود تا این محدوده زمانی بگذرد و ثبت نتایج صورت گیرد و یا در صورت انجام آزمایش در این محدوده زمانی باید انواع پدیده های القاء وارد روابط شده و روابط اصلاح شوند ( مطالب مذکور در بخش القاء در انتهای همین فصل به طور کامل مورد بررسی قرار خواهد گرفت ) .
میدان مغناطیسی حلقه
میدان مغناطیسی حاصل از یک حلقه هلمهولتز به شعاع a ، در نقطه ای منطبق بر محور مرکزی آن و در فاصله z از مرکز حلقه ( مانند تصویر شماره 1-2 ) با استفاده از قانون بیو و ساوار با استفاده از روش زیر محاسبه می شود :

تصویر SEQ تصویر * ARABIC 8- میدان در نقطه ای روی محور تک حلقه (4- 6 ) dI=adθ(-i Sinθ+j Cosθ) (4- 7 ) r2-r1=-ia Cosθ-j aSinθ+kz(4- 8 ) r2-r1=a2+z21/2از قرار دادن روابط فوق در رابطه 4-5 خواهیم داشت :
(4- 9 ) Bz=μ04πI02πi za Cosθ+j zaSinθ+ka2a2+z23/2 dθنتیجه انتگرال دو جمله اول صفر می شود و آنچه باقی می ماند عبارتست از :
(4- 10 )* Bz=μ0I2a2a2+z23/2k* iو j و k ، بردارهای واحد دستگاه دکارتی هستند .
پیچه هلمهولتز و میدان مغناطیسی آنپیچه هلمهولتز از دو پیچه مستدیر با شعاعهای مساوی و محور مشتورک تشکیل شده که جریانی همسو از آنها می گذرد . فاصله میان دو صفحه پیچه طوری انتخاب می شود که مشتق دوم میدان مغناطیسی در نقطه ای واقع بر محور و به فاصله مساوی از پیچه ها صفر شود . تصویر 1-3 چنین دستگاهی را نشان می دهد .

تصویر SEQ تصویر * ARABIC 9- حلقه های هلمهولتزمیدان مغناطیسی در نقطه P عبارتست از :
(4- 11 ) BKz=Nμ0Ia221a2+z23/2 +12b-z2+a23/2عدد N در رابطه بالا مربوط است به حالتی که در آن هر یک از پیچه ها N دور سیم پیچ دارند . مشتق اول Bz نسبت به z عبارتست از :
(4- 12 ) dBdz=Nμ0Ia22-322za2+z25/2 -322(z-2b)2b-z2+a25/2در نقطه z=b مقدار این مشتق صفر است و مشتق دوم تابع میدان نسبت به Z به شکل زیر است
(4-13)
d2Bdz2=-3Nμ0Ia221a2+z252-522z2a2+z272+12b-z2+a252-522z-2b22b-z2+a272 و در نقطه z=b مقدار آن برابر است با :
(4- 14 ) d2Bdz2z=b=-3Nμ0Ia22b2+a2-5b2+b2+a2-5b2b2+a27/2که به ازاء a2-4b2=0 صفر می شود . پس انتخاب مناسب برای b عبارتست از :
2b=aیعنی فاصله بین دو پیچه باید برابر با شعاع پیچه ها باشد . با این شرط و با استفاده از رابطه 4-11 بزرگی میدان در نقطه وسط حلقه ها برابر است با :
(4- 15 ) B(T)=Nμ0Ia853/2 =8.992×10-7NIaدر رابطه بالا شدت جریان بر حسب آمپر و شعاع حلقه بر حسب متر وارد معادله شده تعداد دور سیم نیز بدون بعد است . در نهایت میدان مغناطیسی تولیدی در مرکز فاصله بین دو پیچه بر حسب تسلا خواهد بود .
برای سهولت می توان رابطه 4-15 را به شکل زیر بازنویسی کرد :
(4- 16 ) B(G)=32πN532a*I10در رابطه 4-16 بزرگی میدان مغناطیسی بر حسب گاوس ، شعاع بر حسب سانتیمتر و شدت جریان نیز بر حسب آمپر هستند .
ویژگی و کاربردهای حلقه های هلمهولتزبنابر آنچه گفتیم میدان مغناطیسی به واسطه ذاتی که دارد چه از نظر بزرگی و چه راستا به شدت تابع موقعیت و فاصله نسبت به مولد میدان مغناطیسی است . ویژگی و معجزه حلقه های هلمهولتز تولید میدانی یکنواخت ( چه جهت و چه اندازه ) و درعین حال قابل پیش بینی در محدوده ای از فضاست . همین توانایی حلقه ها ، این حلقه ها را به سامانه های پرکاربرد در زمینه انجام تست و کالیبراسیون محصولات دیگر مرتبط با میدان مغناطیسی تبدیل کرده است . از آنجا که میدانهای الکترومغناطیس در امروزه بسیار پر کاربرد هستند ، حلقه های هلمهولتز اهمیتی صدچندان پیدا می کند .
حلقه های هلمهولتز در تست ابزارهای سنجش بزرگی میدان های الکترومغناطیس مانند اسیلوسکوپها ، تست رادارها و سونارها ، تعیین میزان پاسخگویی سطوح در مقابل میدانهای خارجی ، تعیین ضرایب گذردهی و پذیرفتاری مغناطیسی سطوح با جنس مختلف ( مخصوصاً مواد نانو و نوترکیب ) و ... کاربرد دارد . در عرصه هوافضا نیز هر جا میدان مغناطیسی مطرح است ( در مقدمه از اهمیت میدان مغناطیسی صحبت کرده ایم ) می توان از شبیه ساز میدان مغناطیسی نیز استفاده کرد . تست و تعیین دوپل مغناطیسی مگنتورکرها ، تست و تعیین میزان حساسیت سنسورها و آنتنها نسبت به امواج الکترومغناطیس و میدانهای مغناطیسی ، سمت و سو دادن و هدایت پرتوهای ذرات باردار و سنگین در دستگاههای شبیه ساز محیط تابشی فضا ؛ کاربردهای شبیه ساز میدان مغناطیسی یا حلقه های هلمهولتز است .
تغییرات میدان تولیدی توسط حلقه های هلمهولتز در فضای بین حلقه ها
پیچه های هلمهولتز نقش مهمی در تحقیق علمی دارند و غالباً برای تولید یک میدان مغناطیسی نسبتاً یکنواخت در ناحیه کوچکی از فضا به کار می روند . اما نکته دیگری نیز مطرح است و آن اینکه در چه محدوده ای از فضا می توان میدان را با تقریب خوبی یکنواخت انگاشت یا در دستگاه مختصات دکارتی و در راستای سه بعد از نقطه مرکزی تا چه فاصله ای می توان جابجا شد در عین اینکه میدان مغناطیسی تولیدی با تقریب خوبی ثابت بماند . برای بحث و بررسی این مطلب دو حالات زیر مورد برررسی قرار گرفته اند .
جابجایی در راستای محور حلقه ها
بحث تحلیل نحوه تغییرات مؤلفه های میدان عمود بر محورهای مختصات و نیز در راستای محورهای مختصات از این رو مطرح است که ، جسمی که به عنوان مورد آزمایش در داخل پیچه ها قرار می گیرد دارای ابعاد بوده و در واقع دارای طولی است که در راستای محور مختصاتی و سطحی است که عمود بر محور گسترده شده اند . در این قسمت بحث مربوط به تغییرات مؤلفه های میدان در راستای محورهای مختصات و در بخش آتی بحث مربوط به بررسی تغییرات مؤلفه ها در راستای عمود بر محورها به طور کامل مورد بررسی قرار خواهد گرفت .
به منظور بررسی این موضوع کافیست بسط تیلور میدان حول نقطه مرکزی دو پیچه را تا جمله مرتبه چهارم بنویسیم
(4- 17 ) Bz=Ba2+z-a2∂B∂za2+12z-a22∂2B∂z2a2+…در رابطه بالا Z همان فاصله از یکی از حلقه هاست مانند آن فاصله ای که در تصویر 1-3 نشان داده شده است . چون سه مشتق اول تابع در مرکز دو حلقه صفر است . با محاسبه مشتق چهارم تابع چنین می توان نوشت :
(4- 18 ) Bz=Ba2+124z-a24∂4B∂z4a2+…(4- 19 ) Bz≈Ba21-144125z-a2a4حال برای نقطه ای به فاصله از مرکز دو حلقه رابطه 1-18 و 19 چنین قابل نوشتن است :
(4- 20 )Ba2+ε≈Ba21-144125a2+ε-a2a4(4- 21 ) Ba2+ε-Ba2=-Ba2.144125εa4رابطه 4-20 همان رابطه 4-19 است که در آنa/2 + جایگزین Z شده است در این صورت با تغییر ، بزرگی میدان مغناطیسی در فاصله از مرکز حلقه محاسبه می شود . اما رابطه 4-21 نیز بیانگر اختلاف بزرگی میدان در نقطهa/2 + با نقطه مرکزی حلقه است که این اختلاف تابع بزرگی میدان در مرکز پیچه هاست .
حال اگر به اختلاف میدان در نقاطa/2 + و a/2مقدار دهیم ، می توانیم ماکسیمم فاصله ای را که در آن اختلاف به آن مقدار مفروض می رسد را بدست آوریم :
→110= 144125εa4Ba2+ε-Ba2=110Ba2⇒ε=0.543a→1100= 144125εa4Ba2+ε-Ba2=1100Ba2⇒ε=0.305a→11000= 144125εa4Ba2+ε-Ba2=11000Ba2⇒ε=0.172aنمودار تصویر 10 نشان دهنده تغییرات بزرگی میدان در نقطه مرکزی فاصله بین حلقه ها با فاصله گرفتن از نقطه مرکزی فاصله ، واقع بر خط واصل مرکز دو حلقه است .
برای رسم نمودار 10 فرضیات زیر در نظر گرفته شده است ( فرضیات مربوط به نمونه مورد آزمایش یا همان مدل 6402 شرکت ETS.LINDGREN است ) .
a=30.5 cm
N=36
I=20 A
then B(a/2) = 2.122*10-3 T = 21.22 G
( 1-22 ) Bz≈2.122*10-31-144125z-15.2530.54 z∈0,30.5
تصویر SEQ تصویر * ARABIC 10-نمودار تغییرات شدت میدان تولیدی منطبق بر محور حلقه های هلمهولتز

user8341

لیست علائم اختصاری
D-T Deuterium-tritiumD-3He Deuterium-Helium3
D-D Deuterium- Deuterium
T-T Tritium- tritium
ICF Inertial confinement fusion
H1ProtiumH2DeuteriumH3TritiumRWMResistive-Wall ModeRFPReversed field pinch NTMNeoclassical Tearing-ModeMHDMagnetohydrodynamicTFToroidal Fieldمقدمه
مقدمهیکی از مهمترین اهداف بشر در جهتگیری زمینههای تحقیقاتی و پژوهشی، دستیابی به منابع جدید انرژی می‌باشد. در این راستا بشر تلاش کرده است تا با ساخت رآکتورهای هستهای، به منبعی از انرژی دست یابد که بتواند مدت زمان بیشتری از آن، نسبت به سوخت‌های فسیلی استفاده کند. بطور کلی دو شیوه بنیادی، برای آزادسازی انرژی از یک اتم وجود دارد: شکافت هستهای و همجوشی هسته‌ای.
مزیت همجوشی هسته‌ای نسبت به شکافت هسته‌ای، فراوانی بسیار زیاد منابع سوختی آن (سوخت اصلی راکتورهای همجوشی دوتریوم می‌باشد که در آب دریاها به وفور وجود دارد. تولید انرژی بالاتر نسبت به روش شکافت هسته‌ای به ازای هر نوکلئون از ماده سوخت (به عنوان مثالی از انرژی تولیدی در یک راکتور همجوشی می‌توان گفت اگر یک گالن از آب دریا را که دارای مقدار کافی دوترون است در واکنش همجوشی استفاده کنیم معادل ۳۰۰ گالن گازوئیل، انرژی بدون آلودگی تولید می‌کند) ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>falzner</Author><Year>2006</Year><RecNum>1</RecNum><DisplayText>[1]</DisplayText><record><rec-number>1</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423060407">1</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>falzner, S.P.;</author></authors></contributors><titles><title>An Introduction to Interial Confinement Fusion.</title><secondary-title>New York: CRC Press</secondary-title></titles><periodical><full-title>New York: CRC Press</full-title></periodical><dates><year>2006</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[1]، عدم وجود معضل پسماندهای هسته‌ای با طول عمر طولانی در روش همجوشی و در نهایت ایمن‌تر بودن راکتورهای همجوشی در هنگام وقوع حوادث احتمالی است که سبب برتری آن بر شکافت هستهای گردیده است. سوخت‌های متنوعی در فرایند همجوشی هستهای قابل بکارگیری می‌باشد. از آن جمله دوتریوم-تریتیوم(D-T) ، دوتریوم-هلیوم 3 (D-3He)، دوتریوم-دوتریوم (D-D) و تریتیوم-تریتیوم (T-T) می‌باشد. بیشتر تحقیقات انجام شده در فرایندهای همجوشی بر روی سوخت D-T انجام شده است و علت عمده آن نیز بالا بودن سطح مقطع واکنش پذیری این سوخت نسبت به سایر سوخت‌ها در بازه‌ی دمایی عملکردی راکتورها می‌باشد. این سوخت در کنار مزیت ذکر شده و سایر مزیت ها محدودیتهایی نیز دارد، نظیر پرتوزایی زیاد و گران بودن سوخت تریتیوم که جزو مواد اولیه این واکنش‌ها است. از طرفی دیگر واکنش همجوشی D-3He از میان سایر سوخت‌ها، به دلیل بازدهی بالاتر، تبدیل مستقیم انرژی و کاهش خطرات ناشی از تابش، هزینه تعمیر و نگهداری پایینتر و... مورد توجه قرار گرفت ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Santarius</Author><Year>1998</Year><RecNum>2</RecNum><DisplayText>[2-4]</DisplayText><record><rec-number>2</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423060467">2</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Santarius, J. F.; et al.;</author></authors></contributors><titles><secondary-title>Journal of Fusion Energy</secondary-title></titles><periodical><full-title>Journal of Fusion Energy</full-title></periodical><pages>33-40</pages><volume>17</volume><number>1</number><dates><year>1998</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Kulcinski</Author><Year>1992</Year><RecNum>3</RecNum><record><rec-number>3</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423060514">3</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Kulcinski, G. L.; et al.;</author></authors></contributors><titles><secondary-title>Fusion Technology</secondary-title></titles><periodical><full-title>Fusion Technology</full-title></periodical><volume>21</volume><number>1779</number><dates><year>1992</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Santarius</Author><Year>2003</Year><RecNum>4</RecNum><record><rec-number>4</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423060578">4</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Santarius, J. F.; et al.;</author></authors></contributors><titles><secondary-title> Fusion Science and technology</secondary-title></titles><volume>44</volume><number>289</number><dates><year>2003</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[2-4]. که این فرایند در راکتورهای متفاوت با شرایط مختلفی قابل انجام است.
لذا با این مقدمه 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 روشهای 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 هسته‌ایواکنش‌های هسته‌ای 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.
شکافت هسته‌ایدر واکنش شکافت، 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 تشکیل می‌شود که تقریبا بلافاصله می‌شکافد و کریپتون 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 که مورد استفاده قرار گرفته است اینک این نیرو همان اندازه از برق جهان را تامین می‌کند که 40 سال پیش بوسیله تمام منابع انرژی تأمین می‌شد شکافت هسته‌ای مزایای بسیاری نسبت به سوخت‌های فسیلی دارد اما مسئله‌ی پسماندهای آن که حاوی مواد پرتوزا با طول عمر طولانی هستند از جمله مهم‌ترین مسائل خاص در مورد استفاده از شکافت هسته‌ای می‌باشد. از سوی دیگر ذخایر اورانیوم جهان برای استفاده در راکتورهای شکافت تنها در یک سده کفایت می‌کنند.
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 ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Krane</Author><Year>1996</Year><RecNum>5</RecNum><DisplayText>[5]</DisplayText><record><rec-number>5</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423060620">5</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Krane, K.S.; </author></authors></contributors><titles><secondary-title>Modern Physics. published by Wiley</secondary-title></titles><periodical><full-title>Modern Physics. published by Wiley</full-title></periodical><dates><year>1996</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[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 فرآیند 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.
همجوشی هسته‌ایواکنش‌های همجوشی هسته‌ای از نوع واکنش‌هایی است که در خورشید و ستارگان صورت می‌گیرد. این واکنش عبارت است از ترکیب (برخورد) هستههای چهار اتم هیدروژن معمولی (شکل 1-1) که ضمن آزاد سازی مقدار زیادی انرژی ناشی از تبدیل جرم به انرژی است (E=mc2)، یک هسته‌ی هلیوم در دماهای بسیار بالای مرکز خورشید و ستارگان تولید می‌گردد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Wilhelemsson</Author><Year>2004</Year><RecNum>6</RecNum><DisplayText>[6]</DisplayText><record><rec-number>6</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423060659">6</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Wilhelemsson, H.;</author></authors></contributors><titles><title>Fusion and the cosmos</title><secondary-title>Condensed Matter Physics</secondary-title></titles><periodical><full-title>Condensed Matter Physics</full-title></periodical><dates><year>2004</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[6].
در کره‌ی زمین، این انرژی را می‌توان به سه روش محصور سازی مغناطیسی، محصورسازی اینرسی یا لختی و محصور سازی از طریق کاتالیزور میون، تولید کرد؛ که البته همه در مرحله‌ی آزمایش قرار دارند. همجوشی هسته‌ای به دلیل پرتوزایی کمتر و ایمنی بیشتر و فراوانی بیشتر سوخت اولیه برای انجام واکنش‌ها نسبت یه شکافت مورد توجه بیشتری قرار گرفته است. برای تولید انرژی در مقیاس بزرگ، به تعداد زیادی از واکنش‌هایی که با هم رخ دهند، نیاز است. دافعه‏ی کولنی، مانع رخ دادن همجوشی هسته‏ای می‏گردد. برای غلبه بر این دافعه، به دما و چگالی بالایی مورد نیاز است. در نتیجه سوخت باید در حالت پلاسما باشد.در دمای به قدر کافی بالا، سرعت‏های حرارتی ذرات خیلی زیاد خواهند شد. در این صورت، ذرات این فرصت را خواهند داشت که به اندازه‏ی کافی به هم نزدیک شده، بر دافعه‏ی کولنی چیره شوند وتوانایی پیوند داشته باشند. در طی این فرایند انرژی بسیار زیادی آزاد میگردد.
اگر چگالی پلاسما بیشتر از ١٠20 یون در هر سانتی‌متر مکعب باشد، آن گاه زمان محصورسازی می‌تواند کوتاهتر باشد. اگر پلاسما خیلی فشرده شود، زمان محصورسازی، بی نهایت کوتاه و انرژی آزاد شده، فوقالعاده شدید است. در این صورت با یک بمب سر و کار خواهیم داشت نه یک راکتور کنترل شده. بههمین دلیل، با وجود آن که وظیفه محصورسازی مشکل میگردد، چگالی پلاسما در حداقل نگه داشته می‌شود.
بطور عملی هنوز محفظهای وجود ندارد که بتواند پلاسما با دمایی در حدود چند صد میلیون درجه را محصور سازد. حتی محفظههایی که از فلزات مقاوم در دماهای بالا ساخته شده باشند، تنها در دماهای پایینتر از چند هزار درجه قابل استفاده خواهند بود. ستارگانی نظیر خورشید کره عظیم پلاسمای خود را از طریق جاذبه حفظ میکنند. پلاسما از ذرات باردار تشکیل یافته است. این ذرات نمی توانند خطوط میدان مغناطیسی را قطع کنند، اما حول این خطوط میچرخند. این نکته، خلاصهای از مبنای فکری طرح محصورسازی پلاسما توسط خطوط میدان مغناطیسی را تشکیل داده است.
در یک تعریف کلی فرایند جلوگیری از برخورد پلاسما با دیواره‌های مخزنی که در آن جای دارد، محصورسازی نامیده می‌شود و همچنین زمان تقریبی برای اینکه یون‌ها توسط میدان احاطه کننده به دام افتاده باقی بمانند، زمان محصورسازی نامیده می‌شود.

شکل 1-1- مراحل زنجیره‌ی پروتون – پروتون که در خورشید اتفاق می‌افتد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>McCollam</Author><Year>2013</Year><RecNum>7</RecNum><DisplayText>[7]</DisplayText><record><rec-number>7</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423061554">7</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>McCollam, K.; </author></authors></contributors><titles><title>Magnetic confinement in plasma physics</title><secondary-title>UW–Madison Physics Dept.</secondary-title></titles><periodical><full-title>UW–Madison Physics Dept.</full-title></periodical><dates><year>2013</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[7]
انتخاب سوخت مناسبباتوجه به فرآیندهای طبیعی و نتایج حاصل از آنها، مشخص شده است که واکنشهای همجوشی بسیاری وجود دارد. متغیرها برای واکنشهای مختلف، هستههای سوخت درگیر، محصولهای واکنش که خارج می شوند، مقدار واکنش و بستگی احتمال انجام واکنش به خواص جنبشی واکنش دهندهها، می باشند.
برهم کنش ایزوتوپهای هیدروژنی (دوتریم وهلیوم 3) یکی از واکنش‌های مورد توجه در فرآیند همجوشی میباشد. به دلیل این‌که ایزوتوپ های هیدروژن فقط یک بار الکتریکی دارند و انرژی حرارتی کمتری برای نزدیک شدن به یکدیگر نیاز دارند، به عبارت دیگر در دماهای پایین همجوشی ایزوتوپهای هیدروژن اتفاق میافتد. به علت عدد اتمی واحد ایزوتوپها، این برهم کنش هیدروژنی دارای قابلیت نفوذ بسیار بالایی در سد کولنی میباشد. برای تعیین سوخت‌های همجوشی مناسب، باید در دسترس بودن سوخت مورد نظر، شرایط نگهداری و سطح مقطع واکنش مورد نظر را در نظر گرفت. برخی از واکنش‌های گوناگون همجوشی، شامل واکنش‌های ذکر شده در جدول(1-1) می‌باشد. در بیشتر واکنش‏های همجوشی، دو هسته‏ سبک با هم ترکیب و به هسته‏‏ سنگین‏تر تبدیل می‏شوند که رابطه‏ واکنش هسته‏ای آن‏ها به صورت زیر است:

جدول1-1- برخی از واکنش‌های همجوشی ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>falzner</Author><Year>2006</Year><RecNum>1</RecNum><DisplayText>[1]</DisplayText><record><rec-number>1</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423060407">1</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>falzner, S.P.;</author></authors></contributors><titles><title>An Introduction to Interial Confinement Fusion.</title><secondary-title>New York: CRC Press</secondary-title></titles><periodical><full-title>New York: CRC Press</full-title></periodical><dates><year>2006</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[1]
سوخت واکنش همجوشی شکل اختصاری بهره انرژی بر حسب ژول
DT D+T→42He+10n T(d,n)4He 2.8×10-12
DDn D+D→32He+10n D(d,n)3He 5.24×10-13
TT T+T→42He+10n+10n T(t,2n)4He 1.81×10-12
DDp D+D→T+P D(d,P)T 6.46×10-13
D-3He D+32He→42He+P 3He(d,P)4He 2.93×10-12
P_6Li P+63Li→42He+32He 6Li(p,x)3He 6.44×10-13
P_11B P+115B→3(42He) 11B(p,2x)4He 1.39×10-12
واکنش D-T دارای بیشترین سطح مقطع میباشد، مقدار بیشینه سطح مقطع آن 5 بارن برآورد شده است ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>al.</Author><Year>2002</Year><RecNum>111</RecNum><DisplayText>[8]</DisplayText><record><rec-number>111</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="tx9da0v069srt5eteeoxtwa7fvfdz5wd09zx" timestamp="0">111</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>HarmsA. et al.</author></authors></contributors><titles><title>Principles of Fusion Energy</title><secondary-title>World Scientific Publishing Co. pte. 1td.</secondary-title></titles><dates><year>2002</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[8].
(1-1)
واکنش همجوشی قابل دسترس دیگر، در برگیرندهی هستهی دوتریم به عنوان سوخت است:
(1-2)
این نمایش نشان میدهد که واکنش D+Dاز طریق دو کانال واکنش متمایز، همجوشی میکند که تقریبا با احتمالهای برابر صورت میگیرد. سطح مقطع برای هریک از آنها حدود 100 مرتبه کوچکتر از واکنشD-T است از این دو واکنش در مییابیم که خواص واکنش D-T مطلوبتر از خواص واکنش D-D است ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Biberian</Author><Year>2009</Year><RecNum>9</RecNum><DisplayText>[9]</DisplayText><record><rec-number>9</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423061676">9</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Biberian, J.P.;</author></authors></contributors><titles><title>Experiments and Methods in Cold Fusion</title><secondary-title> Journal of Condensed Matter Nuclear Science</secondary-title></titles><volume>2</volume><dates><year>2009</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[9].
همچنین ممکن است دوتریم، با محصولهای واکنش تریتیوم و هلیوم-3 همجوشی کند که افزون بر معادله‌ی (1-1)، داریم:
(1-3)
واکنش همجوشی یاد شده، در برگیرندهی دوتریم و همچنین هستههای سبک دارای جرم بیشتری هستند. از مزایای این واکنش نسبت به D-D میتوان به سوختی رادیواکتیو نبودن و یک واکنش نوترونیک بودن اشاره کرد. به عبارت دیگر در مسیر واکنش همجوشی هیچ نوترونی تابش نمیکند، در نتیجه تابش نوترون به طور چشمگیری کاهش مییابد که میتواند به معنای یک محافظ خیلی ارزان برای راکتور استفاده شود؛ زیرا تابشهای نوترونی باعث تخریب دیواره راکتور میشوند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Brereton</Author><Year>1988</Year><RecNum>10</RecNum><DisplayText>[10]</DisplayText><record><rec-number>10</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423061736">10</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Brereton, S. J.; Kazimi, M. S.;</author></authors></contributors><titles><secondary-title> Fusion Engineering and design</secondary-title></titles><volume>30</volume><number>207</number><dates><year>1988</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[10]. قلهی آهنگ واکنش برابر با58 است. اما تولید هلیوم -3 بسیار سخت است، در حال حاضر میتوان آن را محصولی از راکتورهای شکافت دانست، زیرا تریتیوم تولید شده در راکتورهای شکافت به طور طبیعی بعد از مدتی به هلیوم 3 واپاشی میکند.
اگر این شکل ادامه یابد، برای واکنش هستهای ، تعداد زیادی کانالهای واکنش مشخص شده است:
(1-4)
واکنشهای هستهای که درگیر هستههای سبک، مانند پروتون، میباشند ممکن است مطابق فرآیندهای زیر روی دهد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Atzeni</Author><Year>2004</Year><RecNum>11</RecNum><DisplayText>[11]</DisplayText><record><rec-number>11</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423061786">11</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Atzeni, S.;</author></authors></contributors><titles><title>The Physics of Inertial Fusion</title><secondary-title> Rome: Clarendon PRESS</secondary-title></titles><dates><year>2004</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[11]:
(1-5 الف) (1-5 ب)
(1-5 ج)
و همچنین دیگر واکنشهای مبتنی بر و ، عبارتند از:
(1-6)
(1-7)
(1-8)
نمایش فیزیکی واکنشهای همجوشی، تنها بررسیهای لازم برای تعیین و گزینش آن، به عنوان سوخت راکتور همجوشی نیست بلکه بررسیهای دیگری در برگیرندهی قابل دسترس بودن سوختهای همجوشی، سختی در نگهداری و دانسیتهی میزان واکنش کافی، نیز لازم میباشد.
تاکید بر دیگر نکات واکنشهای همجوشی یاد شده، ضروری است. در هر حالت، کسرهای مختلف از مقدار واکنش، در شکل انرژی جنبشی ذرات باردار و نوترونهای خنثی باقی میماند، در نتیجه ایدهی یک راکتور همجوشی پایه گذاری شده با بازده بالا؛ تبدیل مستقیم انرژی ذرات باردار، به ویژه برای واکنشهایی که کسر بزرگتری از مقدار آنها در شکل انرژی جنبشی باردار باقی میماند، مناسب به نظر میرسد. این نکته به طور ویژهای مورد توجه است؛ چرا که نوترونهایی که به عنوان محصول واکنش همجوشی پدیدار میشوند، به گونهی تغییر ناپذیری به محصولات رادیو اکتیو در مواد مهارکننده قلب همجوشی کمک میکنند.
کمیتی مهم در ارتباط با واکنش‌های هسته‌ای، سطح مقطع واکنش است که به صورت احتمال برهم‌کنش هر جفت از ذرات، تعریف می‌شود. برای وقوع واکنش همجوشی، دو هسته‏ی باردار مثبت باید با غلبه بر نیروی دافعه‏ی کولنی، با هم برخورد کنند. تابع پتانسیل دافعه‏ی کولنی به صورت زیر است:

که Z1 , Z2، عدد اتمی هسته‌های برهم‌کنش کننده می‌باشد.
نیروی دافعه‏ی کولنی در فاصله‏ بیشتر از مجموع شعاع دو هسته برقرار است. شعاع دو هسته از رابطه‏ زیر بدست می‏آید:

که A1,A2 اعداد جرمیِ هسته‌های برهم‌کنش‏ کننده هستند.
شکل1-2 نشاندهنده انرژی پتانسیل برحسب فاصله‏ دو هسته‏ باردار می‌باشد که با انرژی مرکز جرم به هم نزدیک می‏شوند و نشان‏دهنده‏ چاه هسته‏ای، سد کولنی و نقطه‏ی بازگشتی کلاسیکی است.

شکل 1-2- انرژی پتانسیل بر حسب فاصله‏ی دو هسته‏ی باردار که با انرژی مرکز جرم به هم نزدیک می‏شوند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Atzeni</Author><Year>2004</Year><RecNum>11</RecNum><DisplayText>[11]</DisplayText><record><rec-number>11</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423061786">11</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Atzeni, S.;</author></authors></contributors><titles><title>The Physics of Inertial Fusion</title><secondary-title> Rome: Clarendon PRESS</secondary-title></titles><dates><year>2004</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[11].در فاصله‏ی r <rn، دو هسته تحت تأثیر نیروی جاذبه‏ی هسته‏ای قرار می‏گیرند که با چاه پتانسیل به عمق، مشخص می‌شود. با استفاده از معادلات می‏توان ارتفاع سد پتانسیل را پیدا کرد:

بر طبق مکانیک کلاسیک، فقط هسته‌هایی با انرژی بیشتر از این مقدار می‏توانند بر سد کولنی غلبه کرده و با هم برخورد کنند و هسته‌هایی با انرژی نسبی () کمتر از، می‏‏توانند تا نقطه‏ی بازگشت کلاسیکی به هم نزدیک شوند. ولی در مکانیک کوانتومی، واکنش همجوشی بین دو هسته با انرژی کمتر از سد کولنی، نیز ممکن است؛ چون تونل‏زنی از سد کولنی مجاز است. پارامترهای دخیل در برهم‌کنش بین پرتابه و هدف، سطح مقطع واکنش و واکنش‏پذیری هستند.
ایده‌های راکتور همجوشیانواع روشهای محصورسازی مورد استفاده در راکتورهای همجوشی هسته‌ای، همجوشی از طریق محصورسازی اینرسی، همجوشی از طریق کاتالیزور میون و محصورسازی از طریق محبوس کردن مغناطیسی می‏باشند که هدف هر سه روش، برآورده ساختن معیار لاوسون می‌باشد. محصورسازی لختی، فرایند نگهداری پلاسما را در چگالی‏های بالا و در زمان کوتاه انجام می‏دهد و محصورسازی مغناطیسی، پلاسما را در چگالی‏های پایین، در زمان نسبتاً طولانی محصور می‏سازد و روش کاتالیز میون در دماهای معمولی رخ می‌دهد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Jones</Author><Year>1986</Year><RecNum>16</RecNum><DisplayText>[12]</DisplayText><record><rec-number>16</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062363">16</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Jones, S.E.;</author></authors></contributors><titles><title> Muon-Catalysed Fusion Revisited</title><secondary-title>Nature</secondary-title></titles><periodical><full-title>Nature</full-title></periodical><pages>127-133</pages><volume>321</volume><number>6066</number><dates><year>1986</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[12].
1-5-1- همجوشی هستهای کنترل شده توسط لختی(ICF)زمان محصورسازی در محصورسازی لختی خیلی کوتاه است. در نتیجه برای داشتن نرخ واکنش همجوشی بیشتر، نیازمند چگالی بالای پلاسما هستیم. در این روش، سوخت با استفاده از نیروهای قوی بیرونی، باید تا 1000 برابر چگال‌تر از حالت جامد فشرده شود.
کپسول با استفاده از پرتوهای محرک که از اطراف سطح خارجی آن تابیده می‌شود، متراکم می‌گردد. در محصورسازی به روش لختی، از روش‌های مختلفی برای تراکم کپسول استفاده می‌شود. در هر کدام از این روش‌ها سعی بر آن است که نسبت انرژی خروجی به انرژی ورودی را بالا ببرند. نوع پرتوهای محرک که برای تراکم کپسول استفاده می‌شود، عامل اصلی بالا و پایین بردن بهره انرژی در ICF می‌باشد. از پرتوهای لیزرهای پر توان پالسی، باریکه‌هایی از ذرات باردار نظیر یون‌های سنگین، یون‌های سبک و باریکه‌های الکترونی برای متراکم نمودن کپسول‌ها می‌توان استفاده کرد. این پرتوهای محرک که بصورت پالس‌هایی با توانW‌ 1014 تهیه می‌شود، دارای بهره انتقال انرژی متفاوتی به کپسول هستند. پرتوهای لیزری و باریکه‌های یون سنگین نسبت به سایر پرتوهای محرک به علت بهره بالاتر جذب انرژی در کپسول‌ها مورد توجه بیشتری قرار گرفتند. در طراحی کپسول‌های سوخت هر دو روش پرتوهای محرک لیزری و باریکه‌های یون سنگین مورد بررسی قرار گرفته است ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Nakai</Author><Year>1990</Year><RecNum>13</RecNum><DisplayText>[13, 14]</DisplayText><record><rec-number>13</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423061968">13</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Nakai, S.; et al.; </author></authors></contributors><titles><title>Inertial Confinement</title><secondary-title>Nuclear Fusion</secondary-title></titles><periodical><full-title>Nuclear Fusion</full-title></periodical><pages>1779-1797</pages><volume>30</volume><number>9</number><dates><year>1990</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Blanc</Author><Year>2010</Year><RecNum>15</RecNum><record><rec-number>15</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062093">15</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Blanc, X.; Despres, B.;</author></authors></contributors><titles><title>Numerical Methods for inertial confinement fusion</title><secondary-title>Laboratoire Jacques-Louis Lions</secondary-title></titles><periodical><full-title>laboratoire Jacques-Louis Lions</full-title></periodical><dates><year>2010</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[13, 14].
انتخاب پرتوهای یون سنگین به علت قابلیت بالای انتقال انرژی به کپسول، بالای 25 درصد در مقایسه با باریکه‌های لیزری با بهره‌ی انرژی کمتر از 10 درصد روشی موثر به ‌شمار می‌رود که به خاطر ناپایداری‌هایی که در اثر نایکنواختی و ناهمزمانی باریکههای یونی اتفاق می‌افتد، اخیرا بصورت غیر مستقیم مورد استفاده قرار می‌گیرد. نور لیزر، ساده‌ترین و کم هزینه‌ترین روشی است که طراحان از آن برای تراکم کپسول استفاده می کنند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Blanc</Author><Year>2010</Year><RecNum>15</RecNum><DisplayText>[13, 14]</DisplayText><record><rec-number>15</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062093">15</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Blanc, X.; Despres, B.;</author></authors></contributors><titles><title>Numerical Methods for inertial confinement fusion</title><secondary-title>Laboratoire Jacques-Louis Lions</secondary-title></titles><periodical><full-title>laboratoire Jacques-Louis Lions</full-title></periodical><dates><year>2010</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Nakai</Author><Year>1990</Year><RecNum>13</RecNum><record><rec-number>13</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423061968">13</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Nakai, S.; et al.; </author></authors></contributors><titles><title>Inertial Confinement</title><secondary-title>Nuclear Fusion</secondary-title></titles><periodical><full-title>Nuclear Fusion</full-title></periodical><pages>1779-1797</pages><volume>30</volume><number>9</number><dates><year>1990</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[13, 14].

شکل 1-3- نمایی از کپسول هدف ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>falzner</Author><Year>2006</Year><RecNum>1</RecNum><DisplayText>[1]</DisplayText><record><rec-number>1</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423060407">1</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>falzner, S.P.;</author></authors></contributors><titles><title>An Introduction to Interial Confinement Fusion.</title><secondary-title>New York: CRC Press</secondary-title></titles><periodical><full-title>New York: CRC Press</full-title></periodical><dates><year>2006</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[1]
کپسول هدف در این روش، قرص کوچکی با شعاع کمتر از ، حاوی یک لایه‏ی کروی است که بطور مثال با گاز دوتریوم– تریتیوم بصورت متقارن و یکنواخت بصورت شکل 1-3 پر شده است. این لایه، حاوی یک ماده با Z بالا در ناحیه‏ی خارج و DT در داخل است که توده‏ی سوخت را تشکیل می‏دهد.
برای رسیدن به شرایط دما و چگالی بالای مورد نیاز برای همجوشی، باید این کپسول تا جایی که ممکن است به طور متقارن و با انرژی انفجاری خیلی زیادی تابش ببیند. انرژی مورد نیاز، برای راه‏اندازی این فرایند بسیار زیاد است. برای گرمایش یک کپسول سوخت با قطر ، تا دمای، به اندازه‏ی انرژی مورد نیاز است که این انرژی می‌تواند با نور شدید لیزر یا توسط پرتوهای یونی تامین شود. این مقدار انرژی باید در چند پیکوثانیه به قسمت خارجی لایه‏ی هدف منتقل شود. به دلیل انفجار انرژی روی قسمت خارجی لایه‏ی هدف، این لایه‏ گرم شده بلافاصله یونیزه و تبخیر می‌شود. این فرایند کندگی نام دارد. وقتی این قسمت کنده می‌شود، قسمت داخلی و سوخت به دلیل بقای اندازه‏ حرکت، به سمت داخل رانده می‌شود (شکل1-4). در حین این رانش، چگالی سوخت تا چند صد گرم بر سانتیمتر مکعب و دمای سوخت تا حد دمای احتراق برای همجوشی افزایش می‌یابند. در نتیجه، احتراق رخ می‏دهد و فشاری به سمت خارج ایجاد می‌شود که بر موج انفجار به داخل غلبه کرده و منجر به انفجاری به خارج می‌شود. بدین ترتیب چگالی و دمای مورد نظر بدست می‏آیند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Blanc</Author><Year>2010</Year><RecNum>15</RecNum><DisplayText>[14]</DisplayText><record><rec-number>15</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062093">15</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Blanc, X.; Despres, B.;</author></authors></contributors><titles><title>Numerical Methods for inertial confinement fusion</title><secondary-title>Laboratoire Jacques-Louis Lions</secondary-title></titles><periodical><full-title>laboratoire Jacques-Louis Lions</full-title></periodical><dates><year>2010</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[14].

شکل 1-4- مراحل همجوشی به روش محصورسازی لختی ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Blanc</Author><Year>2010</Year><RecNum>15</RecNum><DisplayText>[14]</DisplayText><record><rec-number>15</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062093">15</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Blanc, X.; Despres, B.;</author></authors></contributors><titles><title>Numerical Methods for inertial confinement fusion</title><secondary-title>Laboratoire Jacques-Louis Lions</secondary-title></titles><periodical><full-title>laboratoire Jacques-Louis Lions</full-title></periodical><dates><year>2010</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[14]
1-5-2- همجوشی هستهای توسط کاتالیزور میون(µCF)
روش دیگری برای رسیدن به انرژی همجوشی هسته‌ای در سال 1957 مطرح شد، که تحت عنوان همجوشی از طریق کاتالیزر میون معروف است و یک فرآیند همجوشی گسترده و تجدید پذیر است که در دماهای معمولی رخ می‌دهد. همانطور که گفته شد یکی از مهم‌ترین مسایل در فرآیند همجوشی، غلبه بر نیروی دافعه‌ی کلونی و ایجاد شرایطی که یون‌ها در محدوده‌ی نیروهای جاذبه‌ی نیرومند هسته‌ای قرار گیرند، می‌باشد. پیدایش میون در مدار اتم هیدروژن، اثر کاهش دافعه‌ی نیروی کلونی دارد. میون ذره‌ای بنیادی است که خواص آن مانند الکترون است، با این تفاوت که جرم میون تقریبا 207 برابر جرم الکترون است و ذره‌ای ناپایدار با زمان عمر µS2/2 می‌باشد. پس از گذشت این زمان میون به یک الکترون e- و یک نوترینوی میونی و به یک پادنوترینوی الکترونی واپاشی می‌کند. بصورت دقیق در اوایل 1980مورد مطالعه قرار گرفت ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Jones</Author><Year>1986</Year><RecNum>16</RecNum><DisplayText>[12]</DisplayText><record><rec-number>16</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062363">16</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Jones, S.E.;</author></authors></contributors><titles><title> Muon-Catalysed Fusion Revisited</title><secondary-title>Nature</secondary-title></titles><periodical><full-title>Nature</full-title></periodical><pages>127-133</pages><volume>321</volume><number>6066</number><dates><year>1986</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[12].
جرم زیاد میون نسبت به الکترون، به آن اجازه می‌دهد که وارد مدار اتم هیدروژن با شعاع بوهر، 207 مرتبه کوچکتر از شعاع الکترون شود و این باعث می‌شود که این اتم هیدروژن نسبت به دیگر اتم‌ها یا یون‌های هیدروژن، سنگین‌تر است. بنابر این، این هسته‌ی سنگین به دلیل کاهش نیروی دافعه‌ی کلونی می‌تواند با صرف انرژی کمتری به اتم‌ها و یون‌های دیگر هیدروژن، بسیار نزدیک شود و هنگامیکه هیدروژن میون‌دار و هیدروژن معمولی به اندازه‌ای به هم نزدیک شوند که تغییرات توزیع بار را احساس کنند، به حدی رسیده‌اند که نیروهای جاذبه‌ی هسته‌ای بین آن‌ها ایجاد شده است و پدیده همجوشی را بوجود می‌آورد بنابر این یکی از روش‌های ایجاد همجوشی در دمای پایین استفاده از کاتالیزور میون است.
میون اولین بار توسط اندرسون وندرمییر در سال ١٩٣٧ کشف شد. از طرف دیگر هنگامی که پاول ذره پایون را در سال ١٩۴٧ کشف کرد، فرانک پیشنهاد کرد که پایون‌های منفی می‌توانند به کمک محصور سازی شیمیایی، واکنشهای همجوشی را کاتالیز نمایند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Frank</Author><Year>1947</Year><RecNum>17</RecNum><DisplayText>[15]</DisplayText><record><rec-number>17</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062414">17</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Frank, F.;</author></authors></contributors><titles><secondary-title> Nature</secondary-title></titles><volume>160</volume><number>525</number><dates><year>1947</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[15]:
pπ + d → pdπ→3He + π(1-9)
با وجود اینکه، احتمال جذب پایون توسط هسته بسیار بزرگ است، اما پایون زمان کافی برای تشکیل pdπ را نخواهد داشت. یک سال بعد، ساخارف پیشنهاد همجوشی کاتالیزور میونی را مطرح کرد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Sakharov</Author><Year>1948</Year><RecNum>18</RecNum><DisplayText>[16]</DisplayText><record><rec-number>18</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062457">18</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Sakharov, A.;</author></authors></contributors><titles><secondary-title>Lebedev Physics Institute Report</secondary-title></titles><periodical><full-title>Lebedev Physics Institute Report</full-title></periodical><dates><year>1948</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[16].
به دلیل اینکه تشکیل مولکول‌های میون‌دار در اثر فرایندهای برخوردی چند مرحله‌ای صورت می‌گیرد، بازده همجوشی کاتالیزور میونی، به شرایط ماکروسکوپی از قبیل دما، چگالی محیط و کسر غلظت‌های هیدروژن مایع و ضریب چسبندگی میونی وابسته است و می‌تواند به کمک تئوری سینتیکی که اساس آن آهنگ‌های برخوردی میکروسکوپی و سطح مقطع‌ها می‌باشد بهینه گردد. در سال‌های اخیر برای افزایش چرخه میونی، مخلوط سه تایی H/D/T پیشنهاد شده، که گزارشات و مقالات متناقضی در مورد افزایش یا کاهش ضریب تکثیر میونی گزارش شده است ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Eskandari</Author><Year>1998</Year><RecNum>19</RecNum><DisplayText>[17-19]</DisplayText><record><rec-number>19</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062505">19</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Eskandari, M. R.; and Deilami S.;</author></authors></contributors><titles><title>Stability studies of D/T/H sys-- using Hurwitz method</title><secondary-title>IPAC, Kerman</secondary-title></titles><periodical><full-title>IPAC, Kerman</full-title></periodical><dates><year>1998</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Markushin</Author><Year>1991</Year><RecNum>20</RecNum><record><rec-number>20</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062559">20</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Markushin, V. E.; et al.;</author></authors></contributors><titles><title> Kinetics of muon catalyzed fusion in the triple H2-D2-T2 mixture atlow deuterium and tritium concentrations</title><secondary-title> Technical Report PSI-PR-41-92, Preprint from Paul Scherrer Institute, Villigen</secondary-title></titles><dates><year>1991</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Eskandari</Author><Year>1999</Year><RecNum>22</RecNum><record><rec-number>22</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062767">22</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Eskandari, M. R.; et al.;</author></authors></contributors><titles><secondary-title> Journal of Nuclear Science</secondary-title></titles><volume>36</volume><number>1</number><dates><year>1999</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[17-19].
1-5-3- محصورسازی مغناطیسی (MCF) در محصورسازی مغناطیسی از میدان‌های مغناطیسی و الکترونیکی برای گرما دادن و فشردن پلاسمای هیدروژن در راکتور ITER استفاده میشود ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite ExcludeYear="1"><Author>Wagner</Author><RecNum>23</RecNum><DisplayText>[20]</DisplayText><record><rec-number>23</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062841">23</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Wagner, F.;</author></authors></contributors><titles><title> ThePhysics Basis of ITER Confinement</title><secondary-title>Max-Planck-Institut für Plasmaphysik EURATOM Association</secondary-title></titles><periodical><full-title>Max-Planck-Institut für Plasmaphysik EURATOM Association</full-title></periodical><dates><year>2009</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[20].
راکتورهای همجوشی هستهای که در آنها پلاسما به روش مغناطیسی محصورشده است براین اساس که میدان مغناطیسی تمام یا قسمتی از سطح پلاسما را بپوشاند، به دو گروه زیر تقسیم شدهاند:
چنبرهای
انتها باز
از معروفترین ماشین‌های پینچ می‌توان از تتا پینچ و Z پینچ نام برد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Polsgrove</Author><Year>2011</Year><RecNum>24</RecNum><DisplayText>[21]</DisplayText><record><rec-number>24</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062899">24</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Polsgrove, T.; Robert, S.F.; Adams ,B;</author></authors></contributors><titles><title>Design of Z-pinch and Dense Plasma Focus Powered Vehicles</title><secondary-title>49th AIAA Aerospace Sciences Meeting including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition</secondary-title></titles><periodical><full-title>49th AIAA Aerospace Sciences Meeting including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition</full-title></periodical><dates><year>2011</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[21]. این سیستم‌ها آرایش استوانه‌ای دارند. در تتا پینچ جریانی از یک سیم‌پیچ استوانه‌ای پلاسما را دور می‌زند، و میدان حاصل از آن منجر به محصورسازی آن می‌شود. در Z پینچ توسط الکترودهایی که در قاعده‌ها قرار دارد جریانی در جهت محوری تولید می‌شود میدان ناشی از آن، پلاسما را گرم و متراکم می‌کند.
پینچ معکوس نوعی پینچ است که در آن جریانی در خلاف جهت جریان پلاسما اعمال می‌شود. در این دستگاه برهم‌کنش میدان قطبی ناشی از جریان رسانای داخلی، با جریان پلاسما منجر به حرکت پلاسما به سمت خارج می‌شود. در این دستگاه از دو استوانه هم محور به عنوان الکترود استفاده می‌شود. با تخلیه‌ی شعاعی میان دو الکترود میدان مغناطیسی قطبی القا می‌شود که پلاسما را گرم و متراکم می‌کند.
در سیستم‌های آینه‌ای پلاسما، از یک سیم‌پیچ ین-یانگ استفاده می‌شود پلاسما در این آرایش در ناحیه‌ای که از حداقل میدان مغناطیسی برخوردار است، محصور می‌شود. این نوع دستگاه‌ها عملکرد پایا دارند اما در آنها پلاسما از انتهای باز میدان خارج و تلف می‌شود، بنابراین باید از روش‌های کنترل انرژی خروجی استفاده کرد.
از جمله آزمایش‌های آینه‌ای در جهان عبارتند از: GDT و GoL-3-II در روسیه، Qt-UP و Gamma-10 در ژاپن. در حال حاضر با توجه به نتایج عملی و تجربی به دست آمده بیشتر آزمایش‌های مغناطیسی بر توکامک متمرکز شده‌اند. در شکل 1-5 یک راکتور از نوع آینه‌ای نشان داده شده است.

شکل1-5- راکتور آینهای ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Stacy</Author><Year>2010</Year><RecNum>25</RecNum><DisplayText>[22]</DisplayText><record><rec-number>25</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063009">25</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Stacy, M. Stacey;</author></authors></contributors><titles><title>Fusion An Introduction to tHe physics and technology of magnetic confinement fusion</title><secondary-title>Second, completely Revsed and enlarged Edition</secondary-title></titles><periodical><full-title>Second, completely Revsed and enlarged Edition</full-title></periodical><dates><year>2010</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[22]
همچنین بنابر نوع عملکرد راکتورها، آنها را میتوان به انواع زیر نیز تقسیم بندی کرد (از مهمترین آنها می‎توان به دستگاههای چنبره‎ای مانند توکامک، استلاراتور، چنبره برآمده ، اسفرومک، اسفراتور، تورساترون و دستگاههای انتها بازی چون آینه‎های مغناطیسی، پینچها و پلاسمای کانونی اشاره کرد.):
پایا: در این نوع راکتور واکنش‌های همجوشی به صورت مداوم انجام میگیرند.
تپی: این راکتور به طور مرتب قطع و وصل میگردد. زمان همجوشی تقریبا با زمان محصور بودن پلاسما برابر است.
شبه پایا: در مقایسه با انواع نامبرده، یک راکتور متوسط محسوب میگردد . زمان همجوشی آن اندکی بیشتر از زمان محصور شدن پلاسما است. اما در هر حال زمان محدودی است. (توکامک نمونهای از این نوع راکتور است.)
طبقه بندی انواع راکتور ها برحسب روش محصور کردن پلاسمادر دستگاه چنبره‎ای، پلاسما توسط میدان‌ مغناطیسی محصور می‎گردد. میدان اصلی در توکامک میدان چنبره‎ای است که بطور نمادین در شکل(1-6) نشان داده شده است. در جدول (1-2) نیز خلاصهای از انواع راکتورها برحسب روش محصور کردن پلاسما و نوع عملکرد آنها آورده شده است.
جدول1-2- انواع راکتورها برحسب روش محصور کردن پلاسماآرایش میدان مغناطیسی دستگاه نوع عملکرد
چنبره ای توکامک شبه پایا
تنگش میدان وارونه شبه پایا
استلاراتور پایا
هلیوترون پایا
تنگش چنبره ای تپی
انتها باز آیینه ای پایا
تنگش مستقیم تپی
پلاسمای کانونی تپی
شکل 1-6- نمایی از دستگاه چنبرهای پلاسما ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Glasstone</Author><Year>1980</Year><RecNum>27</RecNum><DisplayText>[23, 24]</DisplayText><record><rec-number>27</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063252">27</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Glasstone, S.;</author></authors></contributors><titles><title>Fusion Energy</title><secondary-title>U.S. Department of Energy, Technical Information Center</secondary-title></titles><periodical><full-title>U.S. Department of Energy, Technical Information Center</full-title></periodical><dates><year>1980</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Emrich</Author><Year>2001</Year><RecNum>26</RecNum><record><rec-number>26</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063119">26</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Emrich, W. J.;</author></authors></contributors><titles><title>Field-Reversed Magnetic Mirrors for Confinement of Plasmas</title><secondary-title>NASA Tech Briefs</secondary-title></titles><periodical><full-title>NASA Tech Briefs</full-title></periodical><dates><year>2001</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[23, 24]
1-6-1- راکتور توکامکتوکاماک یکی از انواع رآکتورهای همجوشی هستهای است که عمل محصورسازی را به خوبی انجام میدهد. طرح توکاماک در دهه پنجاه میلادی توسط روس‌ها پیشنهاد شد. کلمه توکاماک از کلمات "toroidalnaya", "kamera", and "magnitnaya" به معنی " اتاقک مغناطیسی چنبره‌ای" گرفته شده است. این سیستمها حاوی پلاسمای سوخت هستند که توسط دو سری میدان مغناطیسی نگهداری میشوند، و شکلی مانند چنبره تشکیل می‌دهند. ITER اسم مجموعهایست که اولین رآکتور همجوشی جهان از نوع توکاماک را ساخته است. این مجموعه متشکل از کشورهای روسیه، اروپا، ژاپن، کانادا، چین، ایالات متحده و جمهوری کره می‌باشد. آنها در این راه از فوق هادیها برای قسمتهای مغناطیسی رآکتور استفاده کرده و توان خروجی این توکاماک 410 مگا وات می‌باشد.
1-6-2- قسمتهای اصلی راکتور توکاماک ITERنمایی از راکتور توکامک ایتر در شکل(1-7) و (1-8) آورده شده است که شامل قسمتهای متفاوتی برای انجام فرایند محصورسازی پلاسما به روش مغناطیسی می‌باشد. این اجزا به همراه فرایندی که در آن انجام می‌گیرد بصورت خلاصه و در حد لزوم در زیر آمده است:
لوله خلأ: پلاسما را نگه داشته و از محفظه فعل و انفعال محافظت میکند
انژکتور پرتو خنثی(سیکلوترون یون): ذرات پرتو را از شتاب دهنده به پلاسما تزریق میکند تا به پلاسما برای رسیدن به دمای بحرانی کمک نماید.
میدان مغناطیسی مارپیچ: رفتار مغناطیسی بسیار قوی که شکل و محتوای پلاسمای استفاده شده در میدان مغناطیسی را محدود میکند.
ترانسفورماتور/ سولنوئید مرکزی: الکتریسیته را برای میدان مغناطیسی مارپیچ تامین میکند.
سیستم خنک کننده: آهنربا را خنک میکند.
سیستم عایق: ساخته شده از لیتیم است؛ گرما و انرژی بالای نوترون را از راکتور همجوشی هسته‌ای جذب میکند.
دایورتور: خروج محصولات هلیم از راکتور همجوشی

شکل 1-7- راکتور توکاماک ایتر ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Wagner</Author><Year>2012</Year><RecNum>28</RecNum><DisplayText>[25]</DisplayText><record><rec-number>28</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063339">28</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Wagner, F.;</author></authors></contributors><titles><title>Fusion Energy by Magnetic Confinement</title><secondary-title> Research Laboratory for Advanced Tokamak Physics, St. Petersburg Polytechnical State</secondary-title></titles><dates><year>2012</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[25]

شکل 1-8- سطح مقطع ایتر با پلاسمای بیضی ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite ExcludeYear="1"><Author>Wagner</Author><Year>2009</Year><RecNum>23</RecNum><DisplayText>[20]</DisplayText><record><rec-number>23</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062841">23</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Wagner, F.;</author></authors></contributors><titles><title> ThePhysics Basis of ITER Confinement</title><secondary-title>Max-Planck-Institut für Plasmaphysik EURATOM Association</secondary-title></titles><periodical><full-title>Max-Planck-Institut für Plasmaphysik EURATOM Association</full-title></periodical><dates><year>2009</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[20]
1-6-3- راکتور اسفرومکاسفرومک نوع دیگری از راکتورهای همجوشی است که بر خلاف توکامک که شکل چنبرهای دارد، بصورت کروی است. در مرکز اسفرومک هیچ مادهای وجود ندارد. اسفرومک از ترانسفورماتور (مانند آنچه که در توکامک بکار رفته) برای تولید سطوح پیچیده شار به شکل دوقطبی مورد نیاز برای محبوس سازی استفاده نمیکند بلکه پلاسمای بسیار داغ را در یک سیستم میدان مغناطیسی ساده و فشرده که فقط از یک سری ساده از کویلهای کوچک پایدار کننده استفاده می‌کند، بوجود می‌آورد. میدان‌های مغناطیسی قوی لازم درون پلاسما با چیزی که دینام مغناطیسی نامیده می‌شود تولید می‌شوند. در اسفرومک شعاع اصلی با شعاع فرعی برابر است یعنی پلاسما مطابق شکل در سیستمی کروی محصور می‎شود.
1-6-4- سایر راکتورهای محصورسازی مغناطیسیغیر از توکامک و اسفرومک دستگاه‌های دیگری برای محصورسازی مغناطیسی وجود دارد ، که تفاوت آنها در نوع آرایش میدان مغناطیسی و شکل آنهاست. برخی از این دستگاهها، تنگش میدان- وارونه، استلاراتور (شکل1-9) و هلیوترون،چنبره فشرده، دستگاه تنگش-تتا، دستگاه تنگش-Z ، پلاسمای کانونی می‌باشد.
استلاراتور وسیله‌ای برای حبس پلاسمای داغ به وسیله میدان مغناطیسی به منظور حفظ یک واکنش همجوشی کنترل شده است و یکی از ابتدایی‌ترین ابزارهای کنترل شده همجوشی بوده که اولین بار توسط لیمان اسپیتزر در سال 1950 اختراع شد. این اختراع تغییر در هندسه دستگاه‌های همجوشی قبلی بود.

شکل1-9- شماتیک هندسی راکتور استلاتور ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Emrich</Author><Year>2001</Year><RecNum>26</RecNum><DisplayText>[23, 24]</DisplayText><record><rec-number>26</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063119">26</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Emrich, W. J.;</author></authors></contributors><titles><title>Field-Reversed Magnetic Mirrors for Confinement of Plasmas</title><secondary-title>NASA Tech Briefs</secondary-title></titles><periodical><full-title>NASA Tech Briefs</full-title></periodical><dates><year>2001</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Glasstone</Author><Year>1980</Year><RecNum>27</RecNum><record><rec-number>27</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063252">27</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Glasstone, S.;</author></authors></contributors><titles><title>Fusion Energy</title><secondary-title>U.S. Department of Energy, Technical Information Center</secondary-title></titles><periodical><full-title>U.S. Department of Energy, Technical Information Center</full-title></periodical><dates><year>1980</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[23, 24]
از مزایای استلاراتورها می‌توان عدم احتیاج به جریان چنبره‌ای (در نتیجه افزایش احتمال فعالیت مداوم) و ثبات سیستم بیشتر را نام برد.
فصل دوم
سینیتیک همجوشی پلاسمای دوتریوم – هلیوم 3
فصل دوم: سینیتیک همجوشی پلاسمای دوتریوم–هلیوم 3سوخت‌های جدید و خواص آنهامشکلات مربوط به پسمان همجوشی را می‌توان با انتخاب یک سوخت بهتر کاهش داد. کاندیداهای مختلفی برای سوخت‌های همجوشی وجود دارند که سوخت‌های پیشرفته نامیده می‌شوند و تعداد نوترون‌های تولید شده در آن ها نسبت به همجوشی D-T بسیار کمتر است و بنا براین مشکلات مربوط به رادیواکتیویته و ایمنی و زیست محیطی ندارند. به طور کلی، همجوشی غیر نوترونی به هر شکلی از همجوشی اطلاق می‌شود که در آن کمتر از یک در صد از انرژی آزاد شده توسط نوترون‌ها حمل شود، ولی شرایط لازم برای کنترل همجوشی غیر نوترونی بسیار دشوارتر از شرایط لازم برای چرخه سوخت متداول دوتریم-تریتیم است و هنوز به طور تجربی حاصل نشده است.
دلایل اصلی اهمیت مطالعه برای یافتن چرخه‌های سوخت پیشرفته عبارتند از ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Nakai</Author><Year>1990</Year><RecNum>13</RecNum><DisplayText>[13, 14]</DisplayText><record><rec-number>13</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423061968">13</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Nakai, S.; et al.; </author></authors></contributors><titles><title>Inertial Confinement</title><secondary-title>Nuclear Fusion</secondary-title></titles><periodical><full-title>Nuclear Fusion</full-title></periodical><pages>1779-1797</pages><volume>30</volume><number>9</number><dates><year>1990</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Blanc</Author><Year>2010</Year><RecNum>15</RecNum><record><rec-number>15</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062093">15</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Blanc, X.; Despres, B.;</author></authors></contributors><titles><title>Numerical Methods for inertial confinement fusion</title><secondary-title>Laboratoire Jacques-Louis Lions</secondary-title></titles><periodical><full-title>laboratoire Jacques-Louis Lions</full-title></periodical><dates><year>2010</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[13, 14]:
حذف تریتیوم از چرخه سوخت به منظور ساده سازی چرخه سوخت (عدم نیاز به زایش تریتیوم) و افزایش ذخیره سوخت همجوشی (ذخیره لیتیم زمین مقدار کل تریتیمی را که قابل تولید با پوشش‌های زاینده هست محدود می‌کند.)
(حذف و یا کاهش فوق العاده) تولید نوترون در رآکتورهای همجوشی به منظور اجتناب از (یا تا حد ممکن کاهش دادن) فعالسازی اجزای راکتورها و تخریب ناشی از نوترون‌ها.
دو چرخه مهم سوخت پیشرفته p-11B و D-3He می‌باشد، چرخه سوخت D-3He، تعداد خیلی کمتری نوترون نسبت به چرخه سوخت D-T تولید می‌کند و انرژی این نوترون‌ها نیز خیلی کمتر است، بنابراین، میزان تخریب مواد کاهش خواهد یافت. مطالعات نشان داده‌اند که چرخه سوخت D-3He به میزان قابل توجهی مساله طول عمر اجزای راکتور را با کاهش تخریب نوترونی حل می‌کند در حالی که مشکل فعال سازی نوترونی و تولید پسماندهای مربوط به آن کماکان باقی می‌ماند. در این چرخه، تریتیم حذف شده است ولی ایزوتوپ نایاب هلیم 3 جایگزین آن شده است. بر روی زمین در حدود 400 کیلوگرم هلیم3 قابل حصول است که در حدود GW-year 8 انرژی همجوشی بدست می‌دهد و مقادیر بیشتر از این باید یا از طریق واکنش‌هایی که شامل نوترون هستند، تهیه شود (که مزیت بالقوه همجوشی غیر نوترونی را از بین می‌برد) و یا اینکه از منابع ماورای زمین تهیه شود. بر روی سطح ماه در حدود 109 کیلوگرم هلیم3 وجود دارد که معادل هزار سال مصرف انرژی فعلی جهان است. همچنین، در اتمسفر سیارات عظیم گازی در حدود 1023 کیلوگرم هلیوم 3 وجود دارد که قادر است در حدود 1017 سال مصرف فعلی انرژی جهان را تولید کند، یعنی منابع هلیم 3 منظومه شمسی عملا پایان ناپذیرند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Santarius</Author><Year>2006</Year><RecNum>29</RecNum><DisplayText>[26]</DisplayText><record><rec-number>29</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063586">29</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Santarius, J.;</author></authors></contributors><titles><title>A Strategy for D–3He Development</title><secondary-title>Fusion Technology Institute</secondary-title></titles><periodical><full-title>Fusion Technology Institute</full-title></periodical><dates><year>2006</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[26].
ولی استخراج هلیم 3 از این منابع و انتقال آن به زمین بسیار دشوار و پرهزینه خواهد بود و تنها در آینده‌های دور می‌توان به آن اندیشید ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Santarius</Author><Year>1998</Year><RecNum>2</RecNum><DisplayText>[2]</DisplayText><record><rec-number>2</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423060467">2</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Santarius, J. F.; et al.;</author></authors></contributors><titles><secondary-title>Journal of Fusion Energy</secondary-title></titles><periodical><full-title>Journal of Fusion Energy</full-title></periodical><pages>33-40</pages><volume>17</volume><number>1</number><dates><year>1998</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[2].
چرخه سوخت D-3He نسبت به D-T برای احتراق، نیازمند شرایط محصورسازی بالاتری nτET=2.4×1023keV.s/m3) ) است و در فشار پلاسمای یکسان، چگالی توان همجوشی کمتری نسبت به همجوشی D-T بدست خواهد داد. همچنین گرچه واکنش اصلی 3He(D,p)αرا می‌توان غیر نوترونی دانست ولی تولید نوترون از طریق واکنش جانبی D(D,n)3He و واکنش ثانویه D(T,n)α اجتناب ناپذیر است.
واکنش همجوشی 11B-p ایمن‌ترین و بهترین واکنش هسته‌ای هست که وجود دارد، 11B به فراوانی در آب دریا و منابع دیگر یافت می‌شود و 80 درصد بور موجود بر روی زمین را شامل می‌شود و هیدروژن هم که فراوان ترین عنصر در عالم هستی است. بنابراین، مشکلی از نظر محدودیت منابع سوخت وجود ندارد. حاصل واکنش آن‌ها نیز گاز بی اثر هلیم است و هیچ نوترونی تولید نخواهد شد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Bussard</Author><Year>2006</Year><RecNum>30</RecNum><DisplayText>[27, 28]</DisplayText><record><rec-number>30</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063640">30</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Bussard, W.; et al.;</author></authors></contributors><titles><title> The Advent of Clean Nuclear Fusion: Superperformance Space Power and Propulsion</title><secondary-title> 57th International Astronautical Congress(IAC), Valencia, Spain</secondary-title></titles><dates><year>2006</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Soto</Author><Year>2005</Year><RecNum>31</RecNum><record><rec-number>31</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063739">31</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Soto, L.;</author></authors></contributors><titles><secondary-title>Plasma Physics and Controlled Fusion-IOPscience</secondary-title></titles><periodical><full-title>Plasma Physics and Controlled Fusion-IOPscience</full-title></periodical><pages>361-381</pages><volume>47</volume><dates><year>2005</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[27, 28].
برای بهره برداری عملی از همجوشی، انرژی حاصل از همجوشی باید بیش از انرژی لازم برای گرمایش پلاسما باشد، بدین منظورشروط متعددی باید برآورده شوند که مهمترین آنها، دستیابی به مقادیر مناسب برای حاصل ضرب nτ و حاصل ضرب nTτ است که مجموع اینها معیار لاوسون نامیده می‌شود. یعنی باید پلاسما را با چگالی مناسب تا دمای مناسبی گرم کرد و این پلاسمای داغ و چگال را به مدت کافی محصور نمود ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Wesson</Author><Year>2004</Year><RecNum>32</RecNum><DisplayText>[29]</DisplayText><record><rec-number>32</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063806">32</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Wesson, J.;</author></authors></contributors><titles><title> Tokamaks</title><secondary-title>Clarendon Press-Oxford</secondary-title></titles><periodical><full-title>Clarendon Press-Oxford</full-title></periodical><volume>third edition</volume><dates><year>2004</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[29].
مقدار عدد به دست آمده در معیار لاوسون برای سوخت دوتریم تریتیم ازسال 1969 تا سال 2000 حدود 500 هزار برابر افزایش یافته است. سوخت‌های جدید مورد نظر هنوز نیاز به یک تا دو مرتبه افزایش در بزرگی دارند. بررسی‌های نظری نشان داده‌اند که این کار شدنی است ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Santarius</Author><Year>2006</Year><RecNum>33</RecNum><DisplayText>[30]</DisplayText><record><rec-number>33</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063863">33</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Santarius, F.;et al.;</author></authors></contributors><titles><title>Role of Advanced-Fuel and Innovative Concept Fusion in the Nuclear Renaissance</title><secondary-title>APS Division of Plasma Physics Meeting, Philadelphia</secondary-title></titles><periodical><full-title>APS Division of Plasma Physics Meeting, Philadelphia</full-title></periodical><volume>31</volume><dates><year>2006</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[30].
خواص دوتریومدوتریوم همان عنصر هیدروژن است که علاوه بر یک پروتون یک نوترون نیز درون هسته آن وجود دارد. اگرمولکول آب توسط دوتریوم تشکیل شود به آن آب سنگین () می‌گویند. در هر لیتر از آب دریا (۳۵) گرم دوتریوم وجود دارد. دوتریوم یکی از پایه‌های لازم برای همجوشی هسته‌ای است. در آب در کنار هر ۷۰۰۰ اتم هیدروژن ۱ اتم دوتریوم موجود است که جدا کردن آن با توجه به نزدیکی خواص آب سنگین و آب سبک بسیار سخت است. این دوتریومها باید تغلیظ و انبار شوند تا ابتدا به آب سنگین ۱۵٪ و سپس به آب ۹۹٪ تبدیل شود، جدا سازی آب سنگین از آب سبک بسیار سنگین ، پیچیده و سخت است. به دلیل آنکه گرمای تبخیر آب سنگین بشتر از آب معمولی می‌باشد، از آن در نیروگاههای اتمی جهت خنک کردن راکتورها استفاده میکنند.
دوتریوم را می توان به آسانی از آب استخراج کرد. هیدروژن موجود در زمین شامل دوتریوم به نسبت جرمی 1:5000 است. یک تریلی پر از دوتریوم انرژی معادل 2 میلیون تن زغال سنگ یا 1.3میلیون تن نفت (10میلیون بشکه)، یا 30 تن اکسید اورانیوم، آزاد خواهد کرد.
دوتریوم در واکنش‌های همجوشی زیر با آهنگ واکنش مساوی شرکت میکنند:
(2-1)
(2-2)
محیطى که به این درجه از گرما برسد، نمی‌تواند در یک جداره مادى بگنجد.
خواص هلیوم 3هلیوم 3 یکی از ایزوتوپ‌های غیر پرتوزای عنصر گازی هلیوم است که دارای ۲ پروتون و یک نوترون است. از این ماده به عنوان سوخت در تحقیقات مربوط به راکتورهای هسته‌ای، استفاده می‌شود. در زمین به ندرت یافت می‌شود و عموما در لایه‌های فوقانی سنگی کره ماه که طی بیش از میلیاردها سال توسط بادهای خورشیدی ایجاد شده است، به فراوانی موجود است. هلیون هسته اتم هلیوم 3 حاوی دو پروتون و تنها یک نوترون می‌باشد. این در حالی است که هلیوم معمولی حاوی دو نوترون می‌باشد. وجود فرضی آن اولین بار در 1934 پیشنهاد شد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Oliphant</Author><Year>1934</Year><RecNum>34</RecNum><DisplayText>[31]</DisplayText><record><rec-number>34</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063934">34</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Oliphant, M. L. E.; Harteck ,P.; Rutherford, E.;</author></authors></contributors><titles><title> Transmutation Effects Observed with Heavy Hydrogen</title><secondary-title>Proceedings of the Royal Society</secondary-title></titles><periodical><full-title>Proceedings of the Royal Society</full-title></periodical><pages>692-703</pages><volume>144</volume><number>853</number><dates><year>1934</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[31].
بخاطر جرم اتمی پایین‌ترش نسبت به هلیوم4 دارای خصوصیات فیزیکی متفاوتی نسبت به آن است. به سبب تعامل ضعیف ناشی از پیوندهای دو قطبی-دو قطبی بین اتم‌های هلیوم، خواص فیزیکی ماکروسکوپی آن عمدتا توسط نقطه صفر انرژی آن (انرژی جنبشی حداقل) تعیین می‌شود. همچنین خواص میکروسکوپی هلیوم 3 سبب می‌شود که نقطه صفر انرژی آن بالاتر از هلیوم 4 باشد. این نشان می‌دهد که هلیوم3 می‌تواند بر تعامل دو قطبی-دو قطبی با انرژی حرارتی کمتری نسبت به هلیوم-4، غلبه کند.
هلیوم 3 می‌تواند توسط یکی از دو واکنش زیر در واکنش‌های همجوشی شرکت کند:
2D + 3He →   4He +  1p + 18.3 MeV(2-3)
3He + 3He → 4He   + 2 1p+ 12.86 MeV(2-4)
که هدف در این مطالعه استفاده از دوتریوم و هلیوم 3 می‌باشد. سرعت‌های واکنش با دما متغیر است اما سرعت واکنش D-3He هرگز بالاتر از 56/3 برابر سرعت واکنش D-D نمی‌باشد. شکل 2-1 بیانگر حالت مقایسه‌ای بین انواع سوخت‌هاست.

شکل2-1- واکنش پذیری انواع سوخت‌ها ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Tang</Author><Year>2011</Year><RecNum>35</RecNum><DisplayText>[32]</DisplayText><record><rec-number>35</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063997">35</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Tang, R.;</author></authors></contributors><titles><title>Study of the G--ynamic Mirror (GDM) Propulsion Sys--</title><secondary-title> thesis (A dissertation submitted in partial fulfillment ofthe requirements for the degree of Doctor of Philosophy) in the University of Michigan</secondary-title></titles><dates><year>2011</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[32]
سرعت واکنش همجوشی به سرعت با دما افزایش می‌یابد تا اینکه به بیشینه مقداری رسیده و سپس به تدریج افت می‌کند. در مقایسه‌ای کلی جدول 2-1 را خواهیم داشت.
سوخت‌های پیشرفته، همجوشی سوخت‌های نسل دوم و سوم هستند که مقادیر بسیار کم یا اصلا هیچ نوترونی تابش نمی‌کنند و چرخه‌های سوخت نسل اول در آنها وجود ندارد. تعداد نوترون‌های تولید شده در واکنش‌های شامل هلیوم 3 بسیار کم است (در مورد واکنش 3He-3He عملا صفر و در مورد D-3He حدود 01/0 تا 05/0 همجوشی D-T و کمتر از 02/0 همجوشی D-D است.
محصول نسل سوم واکنش‌های همجوشی فقط ذرات باردار است و هر گونه واکنش جانبی نسبتا بی اهمیت است. در شرایط مناسب، فقط 1/0 درصد از انرژی حاصل از واکنش p-11B، توسط نوترون‌های تولید شده از واکنش‌های جانبی حمل می‌شود ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Santarius</Author><Year>1998</Year><RecNum>2</RecNum><DisplayText>[2]</DisplayText><record><rec-number>2</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423060467">2</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Santarius, J. F.; et al.;</author></authors></contributors><titles><secondary-title>Journal of Fusion Energy</secondary-title></titles><periodical><full-title>Journal of Fusion Energy</full-title></periodical><pages>33-40</pages><volume>17</volume><number>1</number><dates><year>1998</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[2].
استفاده از سوخت‌های جدید نسبت به D-T با مسایل بیشتری مواجه است. به عنوان مثال در مورد D-3He باید:
دمای احتراق دست کم حدود 6 برابر افزایش یابد.
مقدار neτe حداقل حدود 8 برابر
حاصل ضرب nτT حداقل در حدود 50 برابر افزایش می‌یابد.
جدول2-1- نسل‌های مختلف سوخت‌های همجوشی PEVuZE5vdGU+PENpdGU+PEF1dGhvcj5LaHZlc3l1azwvQXV0aG9yPjxZZWFyPjIwMDI8L1llYXI+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ADDIN EN.CITE PEVuZE5vdGU+PENpdGU+PEF1dGhvcj5LaHZlc3l1azwvQXV0aG9yPjxZZWFyPjIwMDI8L1llYXI+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ADDIN EN.CITE.DATA [26, 33-37]
n/MeV بهره انرژی محصولات واکنش‌ها
سوخت‌های همجوشی نسل اول
0.306 3.268 MeV32He + 10n 21H + 21H (D-D)
0 4.032 MeV31H + 11p 21H + 21H (D-D)
0.057 17.571 MeV42He + 10n 21H + 31H (D-T)
سوخت‌های همجوشی نسل دوم
0 18.354 MeV42He + 11p 21H + 32He (D-3He)
سوخت‌های همجوشی نسل سوم
0 12.86 MeV42He+ 211p 32He + 32He
0 8.68 MeV3 42He115B + 11p
نتیجه کل سوختن دوتریوم(مجموع 4 سطر اول)
0.046 43.225 MeV2(4He + n + p) 6D
سوخت هسته‌ای در زمان حال
0.001 ~200 MeV2 FP+ 2.5n 235U + n
در استفاده از سوخت D-3He کاهش فوق العاده شار نوترونی باعث کاهش قابل ملاحظه تخریب تابشی می‌شود ودرنتیجه طول عمر دیواره اولیه و حفاظ تابشی افزایش می‌یابد و به حفاظ تابشی کوچک‌تری نیاز خواهد بود و تعمیرات و نگهداری راحت‌تر می‌شوند. افزایش شار ذرات باردار امکان تبدیل مستقیم انرژی همجوشی را با بازده بالا فراهم می سازد.
مشکلات عمده در استفاده از انرژی هسته‌ای در سالیان گذشته از سه مساله اصلی، احتمال پخش مواد رادیواکتیو، مشکلات مربوط به نگهداری پسماندهای هسته‌ای با عمر طولانی، احتمال استفاده از مواد حاصل برای کاربردهای تسلیحاتی می‌باشد. تمام این مشکلات مربوط به رآکتورهای هسته‌ای، مربوط است به:
سوخت رادیواکتیو
محصولات رادیواکتیو واکنش
نوترونها
همجوشی هسته‌ای تا حدودی از این مشکلات می‌کاهد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Soto</Author><Year>2005</Year><RecNum>31</RecNum><DisplayText>[28]</DisplayText><record><rec-number>31</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063739">31</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Soto, L.;</author></authors></contributors><titles><secondary-title>Plasma Physics and Controlled Fusion-IOPscience</secondary-title></titles><periodical><full-title>Plasma Physics and Controlled Fusion-IOPscience</full-title></periodical><pages>361-381</pages><volume>47</volume><dates><year>2005</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[28].
مزیت عمده سوخت‌های جدید همجوشی این است که سوخت و محصولات واکنش‌های نسل دوم و سوم همجوشی میزان پرتوزایی (تخریب حرارتی و وجود تریتیم) و نکات بالقوه مربوط به تکثیر تسلیحاتی و همینطور مشکلات مربوط به پسمانداری را تا حد زیادی کاهش داده یا حذف می‌کنند، ولی برای استفاده از آنها به پیشرفت فیزیکی و مهندسی زیادی نیاز است. از این سوخت‌های جدید می‌توان برای ساخت نیروگاه‌های برق ایمن، تمیز و اقتصادی، در سفینه‌های فضایی و موشک‌ها به عنوان سوخت و نیز برای کاربردهای پزشکی و غیره استفاده کرد. از مزایای دیگر آنها می‌توان از عدم نیاز به پوشش‌های زاینده تریتیم و حلقه‌های پیچیده سرمایش ثانویه و عدم نیاز به دستگاه‌های پیچیده تست نوترون و مدت زمان‌های بررسی طولانی نام برد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Soto</Author><Year>2005</Year><RecNum>31</RecNum><DisplayText>[28]</DisplayText><record><rec-number>31</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063739">31</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Soto, L.;</author></authors></contributors><titles><secondary-title>Plasma Physics and Controlled Fusion-IOPscience</secondary-title></titles><periodical><full-title>Plasma Physics and Controlled Fusion-IOPscience</full-title></periodical><pages>361-381</pages><volume>47</volume><dates><year>2005</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[28].


پارامترهای متعددی در استفاده از سوخت‌های مختلف دخیلند، از جمله: .
انرژی کل محصولات همجوشی : Efus
محصولات باردار همجوشی: Ech
عدد اتمی ذرات درگیر در واکنش: Z
میزان انرژی حمل شده توسط نوترون ها
اتلاف انرژی از طریق تابش ترمزی و....
در رابطه با همجوشی D-D و D-T اتلاف انرژی از طریق تابش ترمزی مشکل جدی و مهمی است که باید حل شود، برای سوخت‌های سنگین‌تر D-3He و p-11 B و 3He-3He میزان این اتلاف به قدری است که کار یک راکتور همجوشی بر اساس طرح‌های توکامک و همجوشی لیزری را ناممکن می‌سازد.
تابش سینکروترونی نیز نکته دیگری است که باید مورد توجه قرار گیرد. بررسی‌ها نشان داده‌اند که درمورد همجوشی D-T تابش سینکروترونی نقش چندانی در بالانس انرژی ندارد، در حالی که در مورد همجوشی 3He-D این اثر قابل توجه است. و این مشکل باید در طراحی رآکتورهای احتمالی3 He -D حل شود ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Lerner</Author><Year>2003</Year><RecNum>38</RecNum><DisplayText>[38]</DisplayText><record><rec-number>38</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423066296">38</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Lerner, E.J.;</author></authors></contributors><titles><title>ProspectsFor p-11B Fusion With The Dense Plasma Focus: New Results</title><secondary-title>Conf. Current Trends in International Fusion Research, Washington, USA</secondary-title></titles><periodical><full-title>Conf. Current Trends in International Fusion Research, Washington, USA</full-title></periodical><dates><year>2003</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[38].
درصدی از انرژی کل واکنش که توسط نوترون‌ها حمل می‌شود، در مورد D-T حدود 80 درصد، در مورد D-D حدود 66 درصد و در مورد 3 He –D و p-11B بسیار ناچیز و نزدیک به صفر است که این امر مشکلات مختلف مربوط به نوترون‌ها از جمله تخریب تابشی، حفاظ‌گذاری بیولوژیکی، کنترل از دور، ایمنی و اتلاف توان همجوشی توسط آنها را کاهش می‌دهد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Sadowski</Author><Year>1998</Year><RecNum>39</RecNum><DisplayText>[39]</DisplayText><record><rec-number>39</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423066348">39</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Sadowski, M.;</author></authors></contributors><titles><secondary-title>Special Suppl. School of Physics - Georgia Institute of Technology</secondary-title></titles><periodical><full-title>Special Suppl. School of Physics - Georgia Institute of Technology</full-title></periodical><pages>3-4</pages><volume>39</volume><dates><year>1998</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[39].
پلاسما حالت چهارم مادهپلاسما گازی یونیزه و داغ می‌باشد که حاوی تعداد تقریبا برابری از یونهای مثبت باردارشده و الکترونهای با بار منفی می‌باشد. مشخصات پلاسما کاملا با گازهای خنثی طبیعی متفاوت است (گازهای معمولی به سبب خنثی بودنشان از لحاظ بار الکتریکی توانایی عکس ‌العمل در مقابل مغناطیس و میدان وابسته به آن را ندارند.) از این روست که پلاسما به عنوان حالت چهارم ماده معرفی شده است. برای مثال، به این علت که پلاسماها ذرات باردار الکتریکی تولید میکنند، تا زمانی که گاز بطور خنثی نباشد، به شدت تحت تاثیر میدان‌های مغناطیسی و الکتریکی قرار می‌گیرد. مثالی از چنین تاثیری، به دام اندازی ذرات باردار پر انرژی در عرض خطوط میدان مغناطیسی زمین، به فرم کمربندهای تشعشی ون آلن است.
علاوه بر میدان‌های خارجی اعمال شده، مانند میدان مغناطیسی زمین و یا میدان مغناطیسی بین سیارهها، پلاسما براساس میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی ایجاد شده توسط خود پلاسما و از طریق تغییر غلظت بار محلی و جریان الکتریکی ایجاد شده عمل میکند، که در نتیجه حرکتهای متفاوت یونها و الکترونها ایجاد می‌شود. نیروهای اعمال شده توسط این میدان روی ذرات بارداری که عمل پلاسما را در طول فواصل طولانی ایجاد میکند، تاثیر گذاشته و سبب یکنواختی رفتار انتقالی ذرات و کیفیت بالایی میگردد که در گازهای خنثی دیده نمی‌شود. به رغم وجود غلظت بارهای محلی و پتانسیل های الکتریکی، پلاسما از نظر الکتریکی "شبه خنثی" است، زیرا بطور کل، تعداد تقریبا برابری از ذرات باردار مثبت و منفی طوری پراکنده شدهاند که تاثیر بارهای یکدیگر را از بین میبرند.
روشهای تولید پلاسماالف) تخلیه الکتریکی:
اگر میدان الکتریکی نیرومندی بر گازی معمولی اعمال کنیم ممکن است تعدادی از الکترونها، اتمهای خود را ترک کنند. هر اتم که به این ترتیب تحت تاثیر قرار بگیرد به طور مثبت باردار می‌شود و در این حالت میگوییم اتم به یون تبدیل شده است. الکترونهای جدا شده که بار منفی دارند آزادانه در دستگاه حرکت می‌کنند و از میدان الکتریکی انرژی میگیرند، با افزایش سرعت، به اتمهای دیگر برخورد میکنند و سبب آزاد شدن الکترونهای بیشتری میشوند. این کار به طور پیدرپی صورت می‌گیرد و تعداد الکترونهای آزاد شده مدام افزایش می‌یابد. این فرآیند به فرآیند آبشاری معروف است. در این میان تخلیه الکتریکی گسترش می‌یابد و جریان الکتریکی برقرار می‌شود. گاز قبل از تخلیه الکتریکی، نارسانا بود. در مواقعی که تخلیه الکتریکی بسیار قدرتمندی انجام می‌گیرد، ممکن است تمام اتمهای گاز به سبب فرآیند آبشاری یونیزه شوند و گاز به پلاسما تبدیل شود.
مخلوط همجوشی با فشار کم را در محفظه چنبرهاى شکل داخل کرده، به کمک یک سیستم اولیه متشکل از چند بوبین، یک میدان مغناطیسى معروف به چنبره‌اى، پدید میآید. سپس، به کمک هایپِرفرکانسها (فوق بسامدها)، محتوى محفظه چنبرهای، یونیزه گشته و در نهایت از طریق القا با افزایش تدریجى میدان مغناطیسى پدیدآمده بوسیله‌ی یک سیم لوله (سولونوئید( که در جهت محور سامانه قرار داده شده است، یک جریان پلاسما بوجود میآید.
ب) تولید پلاسما در درجه حرارت های بالا:
با رساندن دمای گاز به درجه حرارتهای بالا نیز میتوان پلاسما بوجود آورد. دمای لازم برای تولید این نوع پلاسما به روش یونیزاسیون حرارتی بسیار زیاد و از مرتبه دهها هزار درجه است و واقعیت این است که دانشمندان در مواقع بسیار نادر و ویژه از این روش برای تولید پلاسما استفاده میکنند.
پارامترهای بنیادی پلاسماهمه مقادیر در واحد گاووسی (cgs) بیان شده است. غیر از دما که در واحد الکترون ولت آورده شده است و جرم یون که بر حسب واحد جرم پروتون و بصورت μ=mimp می‌باشد. Z مقدار بار، k ثابت بولتزمن، K عدد موج، lnʌ لگاریتم کولن است ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Suryanarayana</Author><Year>2010</Year><RecNum>40</RecNum><DisplayText>[40]</DisplayText><record><rec-number>40</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423066400">40</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Suryanarayana, N.S.; Kaur, J.; Dubey, V.;</author></authors></contributors><titles><title>Study of propagation of Ion Acoustic waves in plasma</title><secondary-title>Departman of physics,Govt.</secondary-title></titles><periodical><full-title>Departman of physics,Govt.</full-title></periodical><dates><year>2010</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[40].
که برای الکترون: lnᴧ≈13.6
و برای یک یون: lnᴧ≈6.8
2-6-1- فرکانسها در پلاسمافرکانس زاویهای حرکت چرخشی الکترون در جهت عمود بر میدان مغناطیسی:
ωce=eB/mec=1.76×107 B--/s
فرکانس زاویهای حرکت چرخشی یون در جهت عمود بر میدان مغناطیسی:
ωci=ZeB/mic=9.58×103 Zμ-1 B--/s
فرکانس الکترونهایی که نوسان میکنند(نوسان پلاسما):
ωpe=(4πnee2/me)1/2=5.64×104 ne1/2 --/s
فرکانس پلاسمای یونی:
ωpi=(4πniZ2 e2/mi)1/2=1.32×103 Zμ-1/2 ni1/2 --/s
سرعت به دام اندازی الکترون:
????Te=(eKE/me)1/2=7.26×108 K1/2 E1/2 s-1
سرعت به دام اندازی یون:
????Ti=(ZeKE/mi)1/2=1.69×107 Z1/2 K1/2 E1/2μ-1/2 s-1
سرعت برخورد الکترون در پلاسمای کاملا یونیزه شده:
????e=2.91×10-6 ne lnᴧ Te-3/2 s-1
سرعت برخورد یون در پلاسمای کاملا یونیزه شده:
????i=4.80×10-8 Z4 μ-1/2 ni lnᴧ Ti-3/2 s-1
سرعت برخورد الکترون (یون) در پلاسمای کمی یونیزه شده: υe,i=Nσe,iυ=N0∞σ(υ)e,if(υ)υdυ
که <σν>e,i سطح مقطع برخورد الکترون (یون) در اتمهای (مولکولهای) گاز عامل، f(ν) تابع توزیع الکترون (یون) در پلاسما و N غلظت گاز عامل می‌باشد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Suryanarayana</Author><Year>2010</Year><RecNum>40</RecNum><DisplayText>[40]</DisplayText><record><rec-number>40</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423066400">40</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Suryanarayana, N.S.; Kaur, J.; Dubey, V.;</author></authors></contributors><titles><title>Study of propagation of Ion Acoustic waves in plasma</title><secondary-title>Departman of physics,Govt.</secondary-title></titles><periodical><full-title>Departman of physics,Govt.</full-title></periodical><dates><year>2010</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[40].
2-6-2- سرعتها در پلاسماسرعت حرارتی الکترون: سرعت معمول یک الکترون در توزیع ماکسول-بولتزمن
????Te= (kTe/me)1/2=4.19×107 Te1/2 cm/s
سرعت حرارتی یون: سرعت معمول یک یون در توزیع ماکسول-بولتزمن
????Ti= (kTi/mi)1/2=9.79×105 μ-1/2 Ti1/2 cm/s
گرم کردن پلاسمایکی از مهمترین مسائل در طراحی راکتورها گرم کردن پلاسما برای ایجاد شرایط مورد نیاز همجوشی خوبخودی می‌باشد. حتی برای سادهترین واکنش‌های همجوشی که بطور معمول برای تولید الکتریسیته با صرفه اقتصادی، معمولا به حدود 100 میلیون درجه سانتیگراد دما نیاز است. این نیاز به دمای بالا به 4 روش تامین میگردد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Harms</Author><Year>2002</Year><RecNum>41</RecNum><DisplayText>[41]</DisplayText><record><rec-number>41</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423066441">41</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Harms, A.A.; Schoef ,K.F.; Miley G.H.; Kingdon ,D.R.;</author></authors></contributors><titles><title>principles of Fusion Energy</title><secondary-title>World scientific co.</secondary-title></titles><periodical><full-title>World scientific co.</full-title></periodical><dates><year>2002</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[41]:
گرم کردن مقاومتی
گرم کردن از طریق فشردن
گرم کردن توسط تاثیر میدان‌های الکترومغناطیسی
تزریق پرتو خنثی
2-7-1- گرمایش مقاومتیگرم کردن از طریق سیم فلزی حامل جریان صورت می‌گیرد. ولتاژ مناسب برای لوازم خانگیV220 می‌باشد و اگر جریان بیش از حد بالا برای این ولتاژ خالص V220 اعمال شود جعبه فیوز خانگی از ذوب شدن سیمها جلوگیری میکند. وارد کردن مقدار ایمن و مناسبی از جریان نیز از تاثیرات دمایی بالا برای سیمها و شروع آتش سوزی جلوگیری میکند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Harms</Author><Year>2002</Year><RecNum>41</RecNum><DisplayText>[41]</DisplayText><record><rec-number>41</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423066441">41</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Harms, A.A.; Schoef ,K.F.; Miley G.H.; Kingdon ,D.R.;</author></authors></contributors><titles><title>principles of Fusion Energy</title><secondary-title>World scientific co.</secondary-title></titles><periodical><full-title>World scientific co.</full-title></periodical><dates><year>2002</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[41].
به استثنای مواد ابر رسانا، هیچ محیط رسانایی، مانند سیمهای فلزی، وجود ندارد که در آن، الکترونها بتوانند از یک اتم به آسانی به اتم دیگر بپرند مگر اینکه بخشی از انرژی خود را بصورت گرما از دست بدهند که علت آن از دست دادن بخشی از اندازه حرکت الکترونها در برخورد با سایر ذرات طبق اصل پایستگی تکانه و تبدیل آن به گرما می‌باشد. پلاسما بسیار خوب است اما یک هادی ایدهآل نیست و مقاومت آن از مرتبه یک میلیونیوم اهم است. این مقدار مقاومت جزیی باعث گرم شدن پلاسماهایی با چگالی کم (مانند پلاسماهایی که در توکامک استفاده می‌شود) تا دماهایی از مرتبه میلیون درجه سانتیگراد میگردد و تا دماهای 10 میلیون درجه سانتیگرادموثر می‌باشد. در مقادیر دمایی فراتر، مقاومت پلاسما بیش از حد ضعیف شده و اثر بخشی روش را کاهش میدهد. گرمایش مقاومتی سبب ذخیره توانی در واحد حجم پلاسما، با معادله (2-5) داده می‌شود:
PΩMWm3=ηI2=10-6ηj2=2.85×10-15ZeffI2a4mTe32(kev) (2-5)
که در آن I، شدت پلاسما، چگالی جریان که به طور یکنواخت در سطح مقطع پلاسما (I=????a2j) وجود دارد. Zeff، میانگین بارهای موثر همهی یونهای تشکیل دهندهی پلاسما می‌باشد و η، مقاومت پلاسما است. این پارامترها به تعدادی پدیده برخورد بستگی دارد و ممکن است بصورت معادله (2-6) ارائه شود:
η≈Aη(KT)-32 (2-6)
با استفاده از قانون آمپر
µ0I=2π(2-7)
و با معرفی ضریب ایمنی در پلاسما:
qa=aB∅R0Bθ (2-8)
این فرم از معادلهی بالا به دو نکته مهم اشاره دارد:

user8259

2-4 پرعیارسازی به روش مغناطیسی...............................................................................................................................24
2-5 پرعیارسازی به روش فلوتاسیون................................................................................................................................24
2-6 روش تشویه...................................................................................................................................................................24
2-7 پرعیارسازی به روش لیچینگ...................................................................................................................................25
2-7-1 لیچینگ کاهشی با محلول یون آهن...........................................................................................................28
2-7-2 لیچینگ کاهشی توسط سولفور دیاکسید یا محلولهای سولفیت.......................................................30
2-7-3 لیچینگ کاهشی با استفاده از کاهندههای ارگانیک....................................................................................31
2-7-4 لیچینگ الکترو-کاهشی.....................................................................................................................................39
2-7-5 لیچینگ همزمان منگنز (IV) و کانیهای سولفیدی..................................................................................39
2-7-6 لیچینگ با هیدروژن پراکسید............................................................................................................................40
2-7-7 لیچینگ در محلول اسید هیدروکلریک...........................................................................................................42
2-7-8 لیچینگ با نیتروژن دیاکسید و محلول نیتریک اسید..................................................................................43
2-8 استحصال منگنز از محلول های لیچینگ.................................................................................................................45
2-8-1 بازیابی منگنز به روش استخراج حلالی............................. ...........................................................................46
2-8-2 بازیابی منگنز به روش رسوب شیمیایی........................................................................................................46
2-8-3 بازیابی منگنز به روش تبادل یونی................................................................................................................. 47
2-8-4 مطالعه انجام شده برای بازیابی منگنز.............................................................................................................47
2-8-4-1 ترسیب منگنز و آهن...................................................................................................................................48
2-9 تولید منگنز الکترولیتی..............................................................................................................................................49
2-10 تولید منگنزدی اکسید الکترولیتی ......................................................................................................................50
2-11 تولید منگنز دی اکسید شیمیایی..........................................................................................................................50
فصل سوم.................................................................................................................. ........................................................51
معرفی مواد،روش ها و تجهیزات
3-1 مقدمه...................................................................................................................... ......................................................52
3-2 تهیه نمونه........................................................................................................................ ................................... ........ 52
3-3 شناسایی نمونه........................................................................................................................ .................................... 52
3-3-1 تجزیه شیمیایی نمونه................................. ................................. ................................ ................................ 52
3-3-2 مطالعات پراش پرتو ایکس(XRD) ...........................................................................................................53
3-3-3 مطالعات میکروسکوپی..................................................................................................................................53
3-3-4 تجزیه سرندی و تعیین دانه بندی و عیار کانسنگ منگنز......................................................................55
3-3-5 مطالعات درجه آزادی..........................................................................................................................................57
3-4 پرعیارسازی منگنز........................................................................................................................................................58
3-4-1 آزمایش پرعیارسازی با جیگ.........................................................................................................................58
3-4-2 آزمایش های پرعیارسازی با میزلرزان...........................................................................................................59
3-4-3 آزمایش های پرعیارسازی به روش مغناطیسی..........................................................................................59
3-4-4 انجام آزمایش های پرعیارسازی به روش فلوتاسیون.................................................................................60
3-4-5 روش آزمایش های پرعیارسازی به روش لیچینگ....................................................................................60
3-4-5-1 تئوری سینتیک لیچینگ....................................................................................................................61
الف- نفوذ از لایه مایع.....................................................................................................................................63
ب-نفوذ از میان خاکستر................................................................................................................................64
ج- واکنش شیمیایی........................................................................................................................................64
3-4-6 روش انجام آزمایش های سینتیک.....................................................................................................................66
3-4-7 نرم افزار طراحی آزمایش..................................................................................................................................... 66
3-4-8 روش انجام آزمایشها ........................................................................................................................................69
فصل چهارم........................................................................................................................................................................70
بحث و نتایج
4-1 مقدمه................................................................................................................................................................................71
4-2 آزمایش های جیگ........................................................................................................................................................71
4-3 نتایج آزمایش های میزلرزان.......................................................................................................................................72
4-4 نتایج آزمایش های پرعیار سازی به روش مغناطیسی...........................................................................................77
4-5 نتایج آزمایش های پرعیار سازی به روش فلوتاسیون............................................................................................80
4-6 نتایج آزمایش های پرعیار سازی به روش لیچینگ..............................................................................................82
الف) تعیین ماده کاهنده..................................................................................................................................................82
ب) تعیین عامل کنترل لیچینگ...................................................................................................................................83
4-6-1 طراحی آزمایش.................................................................................... ...........................................................86
4-6-1-1 آنالیز واریانس مدلها..............................................................................................................................88
4-7 بررسی اثر پارامترهای عملیاتی............................................................................................................................91
4-7-1 بررسی اثر پارامترهای عملیاتی بر بازیابی منگنز........................................................................................91
4-7-2 بررسی اثر پارامترهای عملیاتی بر بازیابی آهن.............................................................................................96
4-7-3 بررسی اثر پارامترهای عملیاتی بر بازیابی سیلیس.....................................................................................99
4-8 بهینه سازی...................................................................................................................................................................99
فصل پنجم........................................................................................... ..........................................................................102
نتایح و پیشنهادات
5-1 مقدمه........................................................................................... ...............................................................................103
5-2 نتایج و پیشنهادات.....................................................................................................................................................103
مراجع.....................................................................................................................................................................................106
فهرست شکلها
عنوان......................................................................................صفحه
شکل1-1 دیاگرام پوربه منگنز ......................................................................................................................................6
شکل1-2 طرح شماتیک یک گرهک همبرگری شکل.............................................................................................13
شکل1-3 نحوهی توزیع ذخایر منگنز در دنیا..............................................................................................................17
شکل2-1 فلوشیت فرآیند بازیابی منگنز با استفاده از محلول لیچ.........................................................................28
شکل2-2 اثر مقدارSO2 بر بازیابی فلزات در کانه با عیار متوسط........................................................................31
شکل2-3 اثر مقدارSO2 بر بازیابی فلزات در کانه پر عیار.....................................................................................31
شکل2-4 اثر مقدارSO2 بر بازیابی فلزات در کانه کم عیار....................................................................................31
شکل 2-5 اندرکنش متغیرها بر بازیابی منگنز...........................................................................................................33
شکل2-6 تاثیر غلظتهای مختلف اسیدنیتریک........................................................................................................34
شکل2-7 تاثیر غلظتهای مختلف اسیداکسالیک......................................................................................................34
شکل2-8 تاثیر مقدار کاهنده بر نرخ لیچینگ منگنز.................................................................................................35
شکل2-9 اثر غلظت ملاس نیشکر بر بازیابی.................................................................................................................37
شکل2-10 اثر غلظت اسیدسولفوریک بر بازیابی منگنز..............................................................................................38
شکل2-11 اثر نسبت وزنی کانسنگ به کاهنده بر بازیابی منگنز..............................................................................38
شکل2-12 بازیابی منگنز بر حسب زمان در دماهای مختلف.....................................................................................38
شکل2-13 اثر غلظت اسیدسولفوریک بر بازیابی منگنز...............................................................................................41
شکل2-14 اثر غلظت هیدروژنپراکسید بر بازیابی منگنز............................................................................................41
شکل2-15 اثر غلظت کاهندههای متفاوت بر بازیابی منگنز........................................................................................42
شکل2-16 اثر غلظت اسیدسولفوریک بر بازیابی منگنز...............................................................................................42
شکل2-17 اثر غلظت اسیدهیدروکلریک بر بازیابی منگنز...........................................................................................43
شکل2-18 اثر غلظت هیدروژنپراکسید بر بازیابی منگنز...........................................................................................43
شکل2-19 بلوک دیاگرام تولید هیدرومتالورژیکی از محصولات فعال و غیرفعال.....................................................44
شکل2-20 تاثیر غلظت اسیدنیتریک بر بازیابی عناصر موجود در کانسنگ...............................................................45
شکل2-21 تاثیر غلظت ملاس بر بازیابی عناصر موجود در کانسنگ..........................................................................45
شکل2-22 تاثیر دما بر بازیابی عناصر موجود در کانسنگ............................................................................................45
شکل2-23 فلوشیت بازیابی منگنز و حذف آهن از محلول لیچ...................................................................................48
شکل2-24 دیاگرام Eh-pH برای سیستم منگنز-آهن-گوگرد.................................................................................49
شکل3-1 طیف EDX مربوط به کانی منگنزدار...........................................................................................................55
شکل3-2 طیف EDX مربوط به کانی حاوی منگنز-سیلیس-کلسیم.....................................................................56
شکل3-3 منحنی توزیع دانهبندی نمونه کانسنگ منگنز..............................................................................................58
شکل3-4 منحنی مربوط به توزیع تجمعی منگنز، آهن و سیلیس..............................................................................58
شکل3-5 منحنی مربوط به عیار منگنز، آهن و سیلیس................................................................................................58
شکل3-6 نمودار مراحل اجرای آزمایشهای پرعیارسازی..............................................................................................60
شکل3-7 نحوه ترکیب ذرات جامد......................................................................................................................................63
شکل3-8 واکنش ذره جامد با سیال اطراف آن طبق مدل هسته انقباظی.................................................................64
شکل3-9 پارامترهای محدودکننده نرخ واکنش در مدل هسته انقباظی....................................................................65
شکل4-1 نمودار بازیابی منگنز بر حسب زمان.................................................................................................................85
شکل4-2 نمودار تعیین عامل کنترل لیچینگ نفوذ........................................................................................................86
شکل4-3 نمودار آرنیوس.......................................................................................................................................................87
شکل4-4 اثر پارامترهای عملیاتی بر بازیابی منگنز.........................................................................................................92
شکل4-5 نمودار کنتوری اثر متقابل درصدجامد و دما بر بازیابی منگنز....................................................................93
شکل4-6 نمودار کنتوری درصدجامد و اسیدسولفوریک بر بازیابی منگنز................................................................94
شکل4-7 نمودار کنتوری درصدجامد و اسیداکسالیک بر بازیابی منگنز....................................................................94
شکل4-8 اثر متقابل اسیدسولفوریک و دما بر بازیابی منگنز........................................................................................95
شکل4-9 اثر متقابل اسیداکسالیک و دما بر بازیابی منگنز.........................................................................................96
شکل4-10 اثر متقابل اسیداکسالیک و اسیدسولفوریک بر بازیابی منگنز..............................................................96
شکل4-11 اثر پارامترهای عملیاتی بر بازیابی آهن......................................................................................................98
شکل4-12 نمودار کنتوری اثر متقابل درصدجامد و دما بر بازیابی آهن.................................................................98
شکل4-13 نمودار کنتوری درصدجامد و اسیدسولفوریک بر بازیابی آهن...............................................................99
شکل4-14 نمودار کنتوری درصدجامد و اسیداکسالیک بر بازیابی آهن...................................................................99
شکل4-15 اثر پارامترهای عملیاتی بر بازیابی سیلیس................................................................................................100
فهرست جدولها
عنوان......................................................................................صفحه
جدول1-1 مشخصات ترکیبهای موجود در محصولات منگنز.........................................................................16
جدول3-1 آنالیز شیمیایی کامل نمونه برداشت شده..........................................................................................54
جدول3-2 نتایج تجزیه سرندی و تجزیه شیمیایی بخشهای مختلف ابعادی...............................................57
جدول3-3 معادلات سینتیک بر اساس مکانیسم مدل نفوذ................................................................................66
جدول3-4 معادلات سینتیک برای واکنشهای جامد-مایع.................................................................................67
جدول3-5 پارامترهای عملیاتی و سطوح آنها.........................................................................................................69
جدول3-6 آزمایشهای طراحی شده با استفاده از روش CCD.....................................................................70
جدول3-7 پارامترهای ثابت و مقادیر آنها در آزمایشهای لیچینگ احیایی...................................................71
جدول4-1 آزمایش جیگ بر روی دانه بندی(1000+3350-) میکرون..........................................................73
جدول4-2 آزمایش میزلرزان بر روی دانه بندی(1000-300+) میکرون........................................................74
جدول4-3 آزمایش میزلرزان بر روی دانه بندی(1000-300+) میکرون.........................................................75
جدول4-4 آزمایش میزلرزان بر روی دانه بندی(300-) میکرون.......................................................................76
جدول4-5 آزمایش میزلرزان بر روی دانه بندی(300-) میکرون......................................................................77
جدول4-6 آزمایش میزلرزان بر روی دانه بندی(300-) میکرون......................................................................78
جدول4-7 آزمایش میزلرزان بر روی دانه بندی(100-) میکرون.....................................................................79
جدول4-8 آزمایش مغناطیسی خشک بر روی محصول میانی دانه بندی(300-) میکرون.......................80
جدول4-9 آزمایش مغناطیسی بر روی دانه بندی(100-) میکرون................................................................81
جدول4-10 پرعیارسازی توسط فلوتاسیون مستقیم.........................................................................................84
جدول4-11 نتایج آزمایش سینتیک لیچینگ در معادله مدل نفوذ.................................................................86
جدول4-12 مقادیر لگاریتم Kدر دماهای متفاوت............................................................................................87
جدول4-13 نتایج حاصل از طراحی آزمایش........................................................................................................88
جدول4-14 نتایج آنالیز واریانس مربوط به مدلهای ارائه شده.........................................................................91
جدول4-15 مقادیر P و F برای پارامترهای عملیاتی و برهم کنش آنها.........................................................91
جدول4-16 شرایط بهینهسازی پیشنهادی توسط نرمافزار.................................................................................101
جدول4-17 مقادیر متغیرها در بهینهسازی پیشنهادی توسط نرمافزار.............................................................102
جدول4-18 نتایج آزمایش اعتبارسنجی شرایط بهینه..........................................................................................102
جدول4-19 نتایج آزمایشهای تعیین اثر دورهمزن در شرایط بهینه.................................................................102
مقدمه
هدف از فرآوری کانه منگنز تولید محصول با مشخصات موردنیاز در صنایع مصرف‌کننده است. به دلیل پایین بودن عیار منگنز در اکثر کانسارهای شناسایی ‌شده در ایران و نیاز به محصول با عیارهای بسیار بالا در اغلب صنایع مصرف‌کننده منگنز، به ‌کارگیری روش‌های مختلف پرعیارسازی برای تغلیظ سنگ استخراج‌ شده لازم و ضروری است. با توجه به کاهش ذخایر معدنی پرعیار فلزی، بالا بودن هزینه‌های معدنکاری و مقرون ‌به ‌صرفه نبودن معدنکاری در معادن فلزی با عیار پایین، استفاده از روشهایی که بتوانند فلزات ارزشمند را از منابعی با عیار کم و یا کانسنگ‌های سخت (که پرعیارسازی آن‌ها دارای پیچیدگی هست) تغلیظ کند، لازم و مفید خواهد بود.
کانسنگ منگنز استخراجی از معدن محمدآباد جیرفت، با عیار تقریبی 21 درصد، می‌تواند از منابع مهم قابل‌استفاده‌ی ذخایر سنگ منگنز در ایران باشد. در حال حاضر به دلیل پایین بودن عیار، ترکیب خاص کانی‌های منگنزدار و نوع درگیری آن‌ها با سایر کانی‌های باطله، سنگ معدن استخراجی از این معدن در صنایع مصرف‌کننده قابل‌استفاده نیست.
هدف از این تحقیق معرفی روشهایی کارآمد برای پرعیارسازی کانسنگ منگنز معدن محمدآباد جیرفت، امکان‌سنجی استفاده از روش لیچینگ در استحصال منگنز از کانه و دستیابی به مشخصات مورد نیاز در صنایع مصرف‌کننده است.
پرعیارسازی کانسنگ منگنز معمولاً با ترکیبی از روش‌ها شامل میز لرزان، جیگ، جدایش مغناطیسی شدت بالای خشک و تر، فلوتاسیون و تشویه کاهشی با استفاده از داروهای ویژه انجام می‌شود.
نمونهی معرف تهیه ‌شده، جهت انجام مطالعات شناسایی نمونه به‌طور کامل مورد تجزیه قرار گرفته و خصوصیات آن به طور دقیق بررسی شد. در مرحله بعد از شناسایی نمونه، بررسی پرعیارسازی کانسنگ منگنز معدن جیرفت به روش‌های ثقلی شامل: جیگ، میز لرزان، روش‌های مغناطیسی و سایر روش‌های فرآوری مواد معدنی مانند فلوتاسیون و لیچینگ انتخابی انجام میگیرد. در روش‌های مذکور، پارامترهای عملیاتی مؤثر در بازیابی منگنز مورد ارزیابی و بهینه‌سازی قرار میگیرند.
این تحقیق به‌منظور امکان‌سنجی پرعیارسازی و با نتیجهی حاصل که قابل ‌استفاده کردن سنگ استخراجی معدن منگنز محمدآباد جیرفت است، در مقیاس آزمایشگاهی انجام شده است. در فصل اول به کلیاتی در مورد منگنز و کانیهای منگنز پرداخته شده است. در فصل دوم ، با اشاره به مطالعات انجام شده توسط دیگر محققین، انواع روشهای فرآوری استحصال منگنز از کانسنگ منگنز معرفی شده است. فصل سوم این تحقیق شامل معرفی نمونه مورد آزمایش و مواد و تجهیزات به کار برده شده همچنین تشریح روش انجام تحقیق است. در فصل چهارم نتایج آزمایشها به همراه بحث در مورد نتایج آورده شده است. و در نهایت در فصل آخر نتیجه گیری و پیشنهادات موردنظر مطرح شده است.

فصل اول
منگنز و کانیهای منگنز
1-1 آشنایی
نام منگنز از واژه لاتین Magnes (Magnet)گرفته شده است که به خواص مغناطیسی پیرولوزیت (کانه اصلی منگنز) اشاره میکند. با نماد Mn، عدد اتمی 25، وزن اتمی94/54، وزن مخصوص 43/7 گرم بر سانتیمتر مکعب، سختی6 در مقیاس موس، جلای فلزی، شکننده و غیر قابل انعطاف، نقطه جوش 1962 درجه سانتیگراد و نقطه ذوب 1244 درجه سانتیگراد. منگنز در گروه 7 جدول تناوبی به عنوان فلز بوده و در دوره 4 قرار دارد. محتوای ایزوتوپی منگنز معمولاً با محتوای ایزوتوپی کروم تلفیق شده و در زمین شناسی ایزوتوپی به کار میرود. نسبتهای ایزوتوپی Mn-Cr شواهدی را از Al26 وPd107 به عنوان تاریخ آغاز بیستم خورشیدی تقویت میکند. تغییرات در نسبت های Cr53/Cr52 و Mn/Cr از انواع متئوریتها، نسبت اولیه Mn53/Mn55 را نشان میدهد که سیستم ایزوتوپی Mn-Cr را پیشنهاد میکند چند ظرفیتی بودن منگنز به دلیل به اشتراک گذاردن 7 الکترون در دو لایه خارجی، با توجه به توزیع 25 الکترونی منگنز، میباشد. شش ایزوتوپ پایدار منگنز Mn51، Mn52 ،Mn53،Mn54،Mn55 و Mn56 میباشند[1].
1-2خواص
خواص فیزیکی
منگنز فلزی به رنگ سفید، خاکستری - نقره ای با هاله مایل به صورتی است، که با فلز کروم در گروه ششم و با فلز آهن در گروه هشتم همجوار بوده و از نقطه نظر شیمیایی شباهتهای زیادی به آن دارد. با این وجود، از نظر خواص متالورژیکی منگنز تفاوتهایی با آهن و فلزات نزدیک به آن دارد. چرا که آهن، کبالت و نیکل خواص مفید فیزیکی خود را به عنوان یک فلز حفظ کرده و در اکثر آلیاژها به عنوان عنصر پایه عمل میکنند، درحالی که منگنزچنین نیست. علت عملکرد منگنز در این حالت این است که در شرایط عادی ترتیب قرارگیری اتمهای منگنز در ساختمان بلورین آن به گونهای است که منگنز معمولاً فلزی شکننده و غیرقابل انعطاف و شکل گیری می‌باشد. اما وقتی که منگنز با آهن (و فولاد)، آلومینیوم و سایر فلزات غیر آهنی تشکیل آلیاژ میدهد، باعث بهبود خواص فیزیکی آلیاژ می‌شود.
خواص شیمیایی
این فلز با اسید واکنش پذیری بالا و با آب به آهستگی تجزیه میشود. در ارتباط با دما منگنز به شکل‌های آلفا ، بتا و گاما دیده می‌شود. شکل‌های آلفا و بتا شکننده هستند. شکل گاما نرم و پایداراست و در صورتی که درجه حرارت پایین نگهداری نشود، سریعاً به شکل آلفا تبدیل می‌شود. دمای تغییر شکل الفا به بتا، بتا به گاما و گاما به الفا به ترتیب 720، 1100، 1236 و 1244 درجه سانتیگراد است.
1-3 کانی شناسی
منگنز در بسیاری از کانیهای موجود در پوسته زمین وجود دارد. علارغم این که بیش از 300 کانی حاوی منگنز شناسایی شدهاند، اما تعداد کانیهای منگنزدار دارای ارزش اقتصادی کمتر از 12 میباشد. مهمترین کانیهای اقتصادی منگنز عبارتند از: اکسیدها شامل کانیهای پیرولوزیت، پسیلوملان، هوسمانیت، براونیت، واد، فرانکلینیت، هیدروکسیدها (منگانیت)، کربناتها (رودوکروزیت)، سیلیکاتها (ردونیت) و سولفورها (آلاباندیت)[2].
1-4 ژئوشیمی
منگنز از نظر فراوانی، دوازدهمین عنصر فراوان در پوسته زمین است. کلارک منگنز در ترکیب پوسته جامد زمین 1/0% و در سنگهای مافیک و اولترامافیک تا 5/1% میرسد. کانیهای منگنز به صورت گسترده پراکنده شدهاند. این عنصر در طبیعت به صورت خالص تشکیل نمیشود و بیشتر به صورت اکسید، کربنات و سیلیکات وجود دارد. منگنز از لحاظ ژئو شیمیایی یک عنصر لیتوفیل قوی با اندکی خصوصیات کالکوفیل است.
منگنز در شرایط pH و Eh پائین (احیا) به دلیل پتانسیل یونی نسبتاً پائین، حلالیت بیشتری نسبت به آهن دارد و آسانتر از آهن از سنگ منشأ لیچ میشود، اما در pH و Eh بالا به دلیل تحرک بالا، ته نشینی آهن در ابتدا انجام میشود و سپس منگنز ته نشین میشود. چنانچه وقتی فعالیتهای آتشفشانی زیر دریایی به محیط آب وارد میشوند، در ابتدا آهن در فاصله نزدیک منشأ فعالیت آتش فشانی برجای گذاشته میشود و سپس منگنز به دلیل حلالیت (تحرک پذیری) بیشتر با فاصله زیادتری رسوب میکند. به عنوان مثال در بخش بالایی کانسارهای ماسیوسولفید (تیپ کوروکو)، آهن در بالای کانسار قرار میگیرد در حالی که منگنز در حاشیه آن تشکیل میشود. شکل1-1 محدوده پایداری یونهای منگنز را نشان میدهد که طبق آن پایداری Mn2+ در آبهای سطحی و دریاها به نسبت زیاد است.

شکل1-1-دیاگرام پوربه منگنز- دما 25 درجه سانتیگراد[3]
در شرایط عادی PH و Eh، ترکیبات کربناته و سیلیکاته منگنز رسوب میکنند. در شرایط اکسیدان قوی از پایداری منگنز کاسته میشود و Mn2+ به Mn4+ تبدیل شده و در نتیجه اکسید منگنز (پیرولوزیت) یا اشکال دیگر MnO2 رسوب میکنند. در شرایط احیا کننده، یونMn+2 به صورت محلول باقی میماند مگر این که این یون با مقدار کافی کربنات حل شده و یا با سیلیس ترکیب شود که در نتیجه رودوکروزیت (MnCO3) یا کانیهای سیلیکاته منگنزدار را تشکیل دهد. در محیط احیاکننده قوی نیز کانیهای آلاباندیت (MnS) یا منگانوزیت (MnO) شکل میگیرند. البته به نظر نمیرسد که محیط رسوبگذاری مناسبی برای آلاباندیت یا منگانوزیت (احیا کننده قوی) وجود داشته باشد. شرایط و محدوده تشکیل سولفید منگنز MnS بسیار محدود است. برخلاف آهن که در محیط احیایی بیشتر به صورت سولفید دیده میشود، منگنز به صورت اکسید و کربنات یافت میشود.
1-5 زمین شناسی اقتصادی
منگنز به صورت اکسید و کربنات در دنیا گسترش وسیعی دارد و کربنات آن غالباً با عناصر دیگری از قبیل کلسیم، منیزیم و آهن همراه است. ذخایر اکسید منگنز تقریباً خالص بوده و گروهی نیز حاوی مقادیر جزئی کبالت، نیکل، تنگستن، مس و باریم یا موادی نظیر رس، آهک، چرت و توف میباشند.
هیچ کانی مستقلی از منگنز در مراحل اصلی تبلور ماگمایی یافت نمیشود، لیکن تشکیل برخی از کانیهای منگنز در پگماتیتها و ذخایر پنوماتولیتی و هیدروترمال بعد از مرحله ماگمائی مشاهده شده است.
در سنگهای رسوبی نیز مینیمم فراوانی منگنز در ماسه سنگ 001/0 تا 01/0% و ماکزیمم آن در خاک سرخ پلاژیک اقیانوسی 17/0%، 68/0% و 86/0% اندازهگیری شده است. متوسط درصد منگنز در سنگهای رسوبی 056/0 % محاسبه شده است. انباشتگی درونزادی منگنز فاقد ارزش اقتصادی است، در حالی که کانسارهای عظیم آن در سنگهای رسوبی شناخته شده است و کانسارهای کوچک و بزرگ در سنگهای آتشفشانی ـ رسوبی و در سطح هوازده سنگهای دگرگونه تشکیل میشوند. کانسنگهای منگنز از نظر عیار منگنز به صورت زیر تقسیم بندی می‌شوند[5،4]:
• کانسنگ منگنز با منگنز بالاتر از ۳۵ درصد
• کانسنگ منگنز آهندار با منگنز ۲۰ تا ۳۵ درصد
• کانسنگ منگنز آهنی با منگنز بین ۱۰ تا ۲۰ درصد
• کانسنگ آهن منگنزدار با منگنز بین ۵ تا ۱۰ درصد
هر چند ذخائر منگنز ممکن است در طیف وسیعی از شرایط و تشکیلات زمین شناسی از پر کامبرین تاسنوزوئیک پیدا شوند، با این وجود ۷۰ درصد ذخائر شناخته شده در تشکیلات زمین شناسی سنوزوئیک وجود دارند و ۱۰ درصد نیز در سنگهای کامبرین یافت می‌شوند. وجود ذخائر مهم منگنز در سنگهای دوران مزوزئیک نادر است به جز در مورد ذخائر منطقه گروت آیلنت در کشور استرالیا و مولانگو در کشور مکزیک بزرگترین و اقتصادیترین ذخائر منگنز از نوع رسوبی بوده و به شکل تقریبا لایهای و گسترده در سطح یافت میشوند. مثالهای این نوع ذخایر وجود ذخائر غنی منگنز در کشورهای مراکش، نیکوپال اوکراین، چیاتورا گرجستان مورودواروکم برزیل و ماهاراشتای هندوستان هستند. انواع دیگری از ذخایر منگنز در ارتباط با تشکیلات رسوبی آهنی دوران پر کامبرین یافت شدهاند در این ذخائر منگنز به صورت کربنات و یا اکسید منگنز و معمولا با عیار کم تمرکز یافته است. مثالهای معروف این نوع ذخائر پست مازبورگ و کورومان در کشور آفریقای جنوبی و ماتوگراس برزیل هستند. نظیر ذخایر لاتریتی آهن، بوکسیت و نیکل، ذخایر بر جای منگنز نیز تحت شرایط مناطق حاره دچار هوازدگی شده و این امر منجر به غنیتر شدن کانسار و تبدیل کانی‌های منگنزدار کم عیار به کانی‌های پرعیارتری نظیر پیرولوزیت و کریپتوملان و منگانیت میشود. مثالهای بارز این نوع ذخایر در کشورهای برزیل منطقه آماپا گابن منطقه مداندا،‌ غنا، استرالیا و هندوستان وجود دارند.
1-5-1 تقسیم بندی کانسارهای منگنز (پارک و مک دیارمید ۱۹۷۵)
1-5-1-1 کانسارهای همراه با توف ها و رسوبات آواری مرتبط با مواد آتشفشانی (نوع آتش فشانی – رسوبی):
این گروه از نظر اقتصادی ارزش بیشتری دارند به عنوان مثال میتوان کانسارهای پونوپو درکوبا، دره رودخانه الکی در شیلی و کانسار منگنز ونارچ قم نام برد.
1-5-1-2 کانسارهای مستقل از فعالیتهای آتشفشانی:
مانند کانسار نیکوپول در اکراین.
1-5-1-3 کانسارهای همراه با کانسارهای آهن لایهای
در ذخایر منگنز، منگنز به دو صورت Mn+4 و Mn2+ واکنش میدهد. منگنزهای موجود در منطقه هیپوژن اغلب دو ظرفیتی بوده و به صورت انواع کانیهای کربناته و سیلیکاته ظاهر میشوند. منگنز دو ظرفیتی نسبتاً محلول و به شدت متحرک است. در منطقه سوپرژن، منگنزهای منتقل شده از منطقه هیپوژن به صورت اکسیدهای چهار ظرفیتی که در منطقه سوپرژن پایدارترند، رسوب میکنند.
بیشتر تمرکزهای اولیه منگنز که تشکیل کانسارهای مهم و اقتصادی منگنز را میدهند و یا انواع دیگر که حاصل فرآیندهای ثانویه هستند، همگی منشأ رسوبی دارند و در این ارتباط اکثر طبقهبندیها مبتنی بر شرایط منطقه رسوبگذاری و نحوه تمرکز منگنز میباشد[6].
رایجترین طبقهبندیها کانسارهای منگنز را به گروههای رسوبی، گرمابی، دگرگونی و سوپرژن تقسیم بندی میکنند.
1-5-2 تقسیم بندی کانسارهای منگنز ( گیلبرت و پارک ۱۹۷۷ )
1-5-2-1 کانسارهای رسوبی منگنز
قسمت اعظم منگنز دنیا از کانسارهای منگنز رسوبی به دست میآید. شوروی سابق یکی از اصلیترین تولیدکنندگان منگنز جهان به شمار میآید که با تولید ۹۰۱ میلیون تن در سال ۱۹۸۹ نزدیک به ۴۱% از کل تولید جهان را به خود اختصاص داده است. در حدود ۷۵% از منابع منگنز کشف شده (در خشکی) در شوروی سابق در حوضه نیکوپول در اوکراین و مابقی در حوضههای چیاتورا در گرجستان واقع شده است.
کانسارهای رسوبی براساس منشأ منگنز به ۲ زیر گروه تقسیم میشوند:
1-5-2-2 کانسارهای رسوبی – آتشفشانی
در این نوع کانسارها منشأ منگنز درونی و عمدتاً آتشفشانهای زیر دریایی میباشند. این نوع کانسارها در مناطقی به وجود آمدهاند که فعالیتهای شدید آتش فشانی زیردریایی وجود داشته باشد. این کانسارها یا همراه با سنگهای تراکی ریولیت و یا همراه با گرینستون و مقادیری از سنگها و کانههای رسوبی هستند. معمولاً کانسارهای آهن ـ منگنز محدود به کمپلکسهای دیاباز ـ پورفیری یا کوارتز ـ کراتوفیری هستند و در نزدیکی مراکز فعالیت آتشفشانی و یا در فاصلهای از آن در بین لایههایی از مواد آذرآواری قرار دارند. این کانسارها از تغییرات کانسارهای رسوبی با منشأ گرمابی در تودههای نفوذی کم عمق تشکیل شدهاند.
کانسارهای این گروه به وسیله ترکیب براونیت، هوسمانیت و رودوکروزیت از کانههای اولیه منگنز و با حضور کانیهای پسیلوملان ـ وناردیت در پوستههای هوازده، قابل تشخیص هستند و شکل کانسار به صورت لایهای است. این کانسارها لایههایی با ضخامت ۱۰-۱ متر و ۵۵ ـ ۴۰% منگنز، کمتر از ۱۰% سیلیس و ۰۶/۰-۰۳/۰% فسفر تشکیل میشوند.
این کانسارها در مناطقی که فعالیتهای آتشفشانی شدید است، ذخیرهای نسبتاً کوچک دارند. کانسار قزاقستان روسیه و کوست رینج در آمریکا نمونهای از این کانسار است[6].
1-5-2-3 کانسارهای رسوبی – غیر آتشفشانی
در این کانسارها منشأ منگنز فرآیندهای بیرونی مانند هوازدگی سنگهای سطحی تأثیر دارد. این کانسارها مجموعه ذخایر منگنز و دیگر عناصری را که عمدتاً به وسیله آبهای سطحی و زیر زمینی از مناطق هوازده خشکی به حوضههای آبی حمل میشوند را شامل میشود. این کانسارها یا همراه با رس و ماسه سنگ گلوکونیتی و یا همراه با کربناتها میباشد.
طی فرآیندهای غنیسازی، دو عنصر آهن و منگنز در مراحل مختلف مانند جدا شدن از سنگهای منبع، حمل و تهنشینی و مراحل دیاژنز از یکدیگر تفکیک میشوند و بدین ترتیب منجر به تشکیل ذخایری با نسبت بالای آهن و منگنز میگردند. با توجه بر این که حلالیت منگنز در بعضی مقادیر PH و Eh اسیدی به طور قابل توجهی از آهن و آلومینیوم بیشتر است، بسته به طبیعت فرآیند هوازدگی، آهن و منگنز ممکن است به طور یکسان تا ترجیحاً منگنز، از سنگهای منبع جدا شده باشند. هوازدگی پوسته بازالتی اقیانوسی به وسیله آب دریا در درجه حرارت پائین ممکن است منجر به حل شدن و ته نشینی اکسیدهای منگنز شود. این کانسارها ۷۵% ذخایر شناخته شده جهان را شامل میشوند.
شکل کانسار به صورت لایهای و عدسی میباشد. و بزرگترین ذخیره منگنز جهان نیکوپول در اوکراین را شامل میشوند. کانسارهای مهم منگنز به طور عمده در محدوده زمانی تشکیل شدهاند که میزان اکسیژن آزاد کاهش داشته است. کانسارهای کشف شده اکثراً متعلق به اوایل پالئوزوئیک، ژوراسیک و اواسط کرتاسه هستند. همراه کانسارهای آهن رسوبی لایهای، مقداری منگنز نیز یافت میشود.
کانسار منگنز نیکوپول واقع در شوروی سابق بزرگترین ذخیره منگنز دنیا محسوب میگردد. این کانسار در الیگوسن تشکیل شده است. این کانسار که از نوع کانسارهای رسوبی منگنز است، در سنگ میزبان کربناته قرار دارد. استراتیگرافی منطقه از پایین به طرف بالا شامل: پی سنگ کریستالین، پی سنگ هوازده، ماسه سنگ و رس، سیلتستون، ماسه سنگ گلاکونیت، لایه منگنزدار، رسهای سبز تا خاکستری، مارن و آهک است.
لایه منگنز شامل سه رخساره اکسید، مخلوط اکسید – کربنات و کربنات است، که کربناتها در حاشیه حوضه رسوبی تشکیل شده اند. رنج منگنز از ساحل به اعماق عبارتند از:
رخساره کربناته(رودوکروزیت منگانو کلسیت) اکسیدی(پیرولوزیت پسیلوملان)
محیط حاشیه حوضه رسوبی یا ساحلی ( محیط عمیق) افق منگنزدار ۲ تا ۳ متر ضخامت، ۲۵ کیلومتر عرض و ۱۵۰ کیلومتر طول دارد. رخساره اکسید حدود ۲۵ درصد ذخیره را تشکیل میدهد. عیار منگنز ۱۵ تا ۲۵ درصد است. منگنز از سنگهای مافیکی اسپلیتی کریستالین منشأ گرفته است. بافت ذخیره از نوع اُالیتی، پیزولیتی، لامیناسیون و جانشینی صدفها است. کانسارهای منگنز در کربناتها در هندوستان، برزیل و مراکش کشف شده است. منشأ منگنز به طور عمده سنگهای آتشفشانی است[6].
1-5-2-4 کانسارهای گرمابی منگنز
این کانسارها به صورت رگهای میباشد و کانیهای اقتصادی آن عمدتاً رودوکروزیت و پیرولوزیت میباشد. چشمههای آب گرم در کانسارهای موجود در قارهها و پیدایش آنها در مناطق فعال کف دریاها مثالهای جالبی از تشکیل کانیهای اکسید منگنز از سیالات هیپوژن هستند. با مقایسه ترکیب کانسارهای منگنز در چشمههای آب گرم امروزی و کانیهای منگنز رگهای هیپوژن قدیمی تشابه بین آنها به خوبی روشن میشود. در ذخایر گرمابی یک نوع پراکندگی ناحیهای مربوط به کانیهای منگنز و سایر فلزات مشاهده شده است. چشمه‌های آب گرم در کانسارهای موجود در خشکی‌ها و پیدایش آنها در مناطق فعال کف دریاها مثالهای جالبی از تشکیل کانیهای اکسید منگنز از سیالات هیپوژن هستند. با مقایسه ترکیب کانسارهای منگنز در چشمه‌های آب گرم امروزی و کانیهای منگنز رگه‌های هیپوژن قدیمی، تشابه بین آنها به خوبی روشن می‌شود. در ذخایر گرمایی یک نوع پراکندگی ناحیهای مربوط به کانیهای منگنز و سایر فلزات مشاهده شده است. در عمیقترین بخشها تنها کانیهای منگنز دو ظرفیتی (رودوکروزیت، رودونیت، تفروئیت و آلاباندیت) همراه با سولفورهای فلزات پایه (Pb, Zn, Cu) و کانسارهای طلا- نقره تشکیل میشود. با بالا آمدن محلولهای هیپوژن به طرف سطح زمین در مناطق فوقانی و امتزاج آن با نزولات اکسیژندار پائین رو، گیبسیت و براونیت که اکسیدهای با ظرفیت کم هستند و کریپتوملان، پسیلوملان، پیرولوزیت و کرونادیت که اکسیدهای با ظرفیت زیاد هستند، به صورت تابعی از میزان اکسیژن و درجه حرارت تشکیل میشوند. مانند کانسار منگنز بیوت (آمریکا) [6].
1-5-2-5 کانسارهای دگرگونی منگنز
کانسارهای دگرگونی حاوی کانیهای فراوان منگنز به تعداد زیادی یافت میشود اما تنها تعداد کمی از این کانسارها و عمدتاً آنهایی که دارای کانیهای براونیت، هوسمانیت و بیگسبیت هستند، اهمیت محلی دارند و نظر کانسار به صورت لایهای است. کانسارهای دگرگونی منگنز در ارتباط با سنگهای سیلیکاته حاوی منگنز در دوره پروتروزوئیک مانند گاندیتها و کودوریتها میباشند. گاندیتها از کوارتز، اسپسارتین، براونیت، هوسمانیت و رودوکروزیت تشکیل شدهاند و کودوریتها از فلدسپات پتاسیک، اسپسارتین و آپاتیت تشکیل یافتهاند. اینها در بین لایه‌های از مرمرها، کوارتزیت‌ها و شیستها قرار دارند. گاندیت‌ها و کوردوریت‌ها در مناطق زیادی با صدها کیلومتر مربع مساحت پراکنده هستند. طول ذخایر منگنزدار از ۳ تا ۸ کیلومتر و ضخامت آنها از ۳ تا ۶۰ متر متغیر میباشد. متوسط میزان منگنز در آنها ۱۰ تا ۲۰ درصد است. بزرگترین کانسارهای شناخته شده از این نوع در هند و برزیل وجود دارند. مانند کانسار منگنز پُست ماسبرگ در آفریقای جنوبی.
براونیت کانی مشخصهی کانسارهای دگرگونی ضعیف است، در دگرگونی شدید کانی بیگسبیت از تحول براونیت و هماتیت تشکیل میگردد و همراه آن هولاندیت، هوسمانیت و ژاکوبسیت نیز ظاهر میشوند. هولاندیت یک کانی هیپوژن است و از طریق دگرگونی مجاورتی و ناحیهای تشکیل میشود. بسیاری از کانسارهای رسوبی منگنز، متعاقباً به وسیله دگرگونی حرارتی و مجاورتی با شدتهای متفاوت تغییر پیدا میکنند و این امر باعث تغییر کانیشناسی و بافت کانسارهای قبلی میگردد، اما نقشی در تمرکز آنها ایفا نمیکند. در کانسنگهای اکسیدی دگرگون شده منگنز، براونیت و بیگسبیت بسته به حضور سیلیس، آهن و … و نیز حرارت و اکسیژن به تنهایی یا با هم تشکیل میشوند[6].
1-5-2-6 کانسارهای منگنز تجزیهای یا سوپرژن
فرآیند تشکیل این کانسارها شامل تجزیه عناصر غیر از منگنز در سنگ مادر توسط آبهای سطحی و زیرزمینی است. این فرآیند باعث متمرکز شدن مواد باقیمانده و یا تجزیه و تهنشینی مجدد منگنز در پوسته هوازده نزدیک سطح می‌شود. اکسیداسیون سوپرژن برجا و غنیسازی سنگهای منگنزدار، به خصوص در سنگهای کربناته، یا تحرک مجدد کانسارهای منگنز قبلی در جریان هوازدگی منجر به تشکیل ذخایر پرعیار و اقتصادی میگردد. سنگ مادر این نوع کانسارها باید دارای درصدکانی منگنز ( ۵ تا ۱۰ درصد ) باشد. هوازدگی در مناطق گرمسیری معمولا منجر به افزایش عیار بیش از ۵ الی ۶ درصد نمیشود. اگر اکسیداسون شدید و فراگیر باشد، پیرولوزیت و یاکریپتوملان (بسته به تمرکز پتاسیم) مستقیما از رودوکروزیت یا پیروکروزیت تشکیل می‌شود. چنانچه اکسیداسیون محدود و دارای تغییراتی از بالا به طرف پایین سطح باشد، فازهای مختلف معرف حالتهای اکسیداسیون متفاوت تقریبا به صورت زیر می‌باشد[6].
رودوکروزیت هوسمانیت منگانیت بیرنسیت نسوتیت پیرولوزیت و کریپتوملان
همانطوری که تحرک آهن و آلومنیوم به تشکیل لاتریتهای آهندار و بوکسیت منجر میشود، منگنز نیز میتواند در طول هوازدگی شیمیایی تشکیل ذخایر بازماندی منگنز با عیار بالا را بدهد. در مرحلهی اصلی تبلور ماگما به دلیل قرار گرفتن منگنز در کانیهای آهن و منیزیمدار، هیچ کانی مستقلی از منگنز تشکیل نمیشود و کانیهای منگنزدار هوازده شده و باعث تشکیل ذخایر اقتصادی منگنز میشوند که به صورت پوشش بر روی سنگهای حاوی منگنز وجود دارد. کانیهای اقتصادی این نوع شامل پسیلوملان، پیرولوسیت و منگانیت میباشد[6].
در مورد ذخایر بازماندی منگنز نیز مانند بوکسیت ها، آب و هوا ـ زهکشی ـ ماهیت سنگ مادر از عوامل تعیین کننده تمرکز ذخیره میباشند. سنگ مادری که منشأ ذخایر بازماندی هستند باید به قدر کافی غنی از منگنز باشند، به عنوان مثال ۱۰% منگنز. این نوع کانسارهای منگنز از هوازدگی شیمیایی سنگهای کربنات منگنزدار و سنگهای سیلیکات ـ کربنات حاوی منگنز تشکیل میشوند. مهمترین ذخایر منگنز بازماندی در غرب آفریقا (گابون)، آفریقای جنوبی، برزیل، هند و ونزوئلا و کانادا شناخته شدهاند[6].
1-5-2-7 گرهکهای (ندول های) منگنز
بزرگترین منابع منگنز در کف اقیانوسها و دریاچههای عهد حاضر وجود دارد که در آن کانسارهای منگنز و آهن به صورت گرهک و کنکرسیونهای نامنظم یافت میشوند (شکل 1-2). قطر گرهکها از ۱ میلیمتر تا ۲۵ سانتیمتر متغیر است و گاهی به یک متر میرسد ولیکن بیشترین پراکندگی مربوط به قطرهای ۷-۳ سانتیمتر است. نودولها معمولا ًبه شکل کروی، بیضوی، عدسی مانند و صفحهای است. گرهکها حاوی ۲۰ تا ۳۰ درصد اکسیدهای منگنز و مقداری آهن میباشند و جمع مقادیر کبالت، نیکل و مس در آنها ۲ تا ۳ درصد میباشد. گرهکها حاوی مقادیری تیتانیوم، وانادیوم و مولیبدن نیز می باشند. میزان ذخیره گرهک های منگنز قابل بازیابی ۵۰ بیلیون تا یک تریلیون تن تخمین زده شده است. سرعت رشد گرهکها یک میلیمتر در هر یک میلیون سال است. گرهکهای منگنز، پوششی که ضخامت آن به اندازه ضخامت یک گرهک میباشد را در کف اقیانوس تشکیل میدهند. در مورد منشأ گرهکها نظریههای مختلفی وجود دارند. امروزه در ایالات متحده آمریکا، آلمان و ژاپن که فاقد ذخایر بزرگ منگنز در خشکی هستند، استخراج نودولهای منگنز- آهن از کف اقیانوسهای آرام و اطلس در اعماق بیش از ۷ کیلومتری را توسط کشتیهای عظیم اکتشافی که عمل لیچینگ (هیدرومتالورژی)، گرم کردن / ذوب (پیرومتالورژی) یا ترکیبی از هر دو را انجام میدهند، آغاز شده است. نودولهای استخراجی حاوی ۳۰ – ۲۵% منگنز، ۱۲- ۱۰% آهن، ۲-۱% نیکل، ۵/۱- ۳/۰ % کبالت و ۵/۱-۱ % مس هستند. تمرکز این نودولها بر حسب تولید در سطح، حدود ۲۰ – ۱۵ کیلوگرم بر متر مربع است[6].
شکل 1- 2- طرح شماتیک یک گرهک همبرگری شکل
میزان ذخیره منگنز بین زون گسله کلاریون و کلیپرتون در حدود ۱۰۶×۲ تن با عیار ۲۵% منگنز، ۳/۱ % نیکل، ۱% مس، ۲۲% کبالت و ۵% مولیبدن تعیین شده است. میانگین منگنز در نودولها ۲۴% است که در مقایسه با میانگین منگنز تودههای معدنی که ۵۵% – ۳۵ است، از نظر اقتصادی به عنوان منبع منگنز پیشنهاد نمیشوند اما آنها حاوی ۱۴% Fe = ، ۱%Cu =، ۱% Ni = و ۲۵/۰% Co = هستند.
1-5-2-8 منگنز نقطهای
دندریتها یا شجرههای پیرولوسیت (MnO2) بر روی سطح شکستگی بسیاری از سنگها قابل مشاهده میباشند. لیکن در سنگهایی که مقدار مس درصد چند صد پیپیام است، به جای تشکیل (دندریت منگنز)، منگنز نقطهای تشکیل میشود.
1-6 اکتشاف وارزیابی ذخایر منگنز
اکتشاف و ارزیابی ذخایر منگنز نسبت به بسیاری از مواد معدنی دیگر مشکلتر است. این کانسارها معمولاً کوچک و به صورت پراکنده هستند و روشهای ژئوفیزیکی گران قیمت برای اکتشاف این تودههای کانساری مقرون به صرفه نیست.
برخلاف روشهای ژئوفیزیکی که در اکتشاف منگنز چندان موفق نیستند، روشهای ژئوشیمیایی به دلیل حلالیت بالای منگنز به عنوان ابزاری مؤثر در پروژه‌های اکتشاف می‌توانند مورد استفاده قرار گیرند. یکی از مشکلات عمده در مراحل اکتشاف منگنز، نگهداری نمونه معرف کانسار برای مراحل ارزیابی و آنالیز است. در گذشتههای دور بیشتر حفاریهای ضربهای برای اکتشاف منگنز استفاده میشد. امروزه بیشتر از حفاریهای چرخشی برای این منظور استفاده میشود، اگر چه در این حالت هم باید برای حفظ نمونه معرف دقت کافی شود.
1-7روشهای عمده استخراج منگنز
اکثر کانسارهای با ارزش منگنز، از غنیسازی ثانویه توسط آبهای زیرزمینی و لیچینگ سنگهای رسوبی منگنزدار تشکیل میشوند. به دلیل تنوع کانسارهای منگنز و گستردگی ترکیبات و کانیهای شناسایی شده در این کانسارها، هیچ یک از روشهای کانهآرایی به تنهایی کاربرد ندارد. در استخراج کانسنگ منگنز، هم روش استخراج روباز و هم زیرزمینی مورد استفاده قرار میگیرد.
ندولهای منگنزدار پوسته کف اقیانوسها ذخایر عظیمی از منگنز را تشکیل میدهند ولی به علت مشکلات تکنیکی زیادی در استخراج آنها وجود دارد. به منظور پر عیار سازی منگنز به دلیل تنوع کانسارهای منگنز و گستردگی ترکیبات و کانیهای شناسایی شده در این کانسارها هیچ یکی از روشهای کانهآرایی به تنهایی و حتی به همراه مجموعهای از سایر روشها، در همه کانسارهای منگنز کاربرد ندارد.
1-8 کاربردهای منگنز
در صنایع فولاد منگنز باعث نورد کردن فولاد و چکشخواری، استحکام، دوام، مقاومت در برابر سایش و شکنندگی میشود. از ترکیب منگنز و آلومینیوم و آنتیموان و کمی مس آلیاژی با خاصیت فرومغناطیس قوی حاصل میشود. منگنز خالص دارای چهار آلوتروپی میباشد. فرم آلفا در درجه حرارت معمولی پایدار است. فرم گامای این عنصر دارای خصوصیات انعطاف پذیری بالا، نرم و راحت با چاقو بریده میشود، و همچنین چکشخوار است. کاربردهای متنوع منگنز باعث میشود که این فلز را در سه نوع عیار متالورژیکی، شیمیایی و باتری طبقهبندی کرد. با توجه به جدول 1-1، عیار متالورژیکی در حدود 38 تا 55 درصد منگنز میباشد، و ممکن است با عیار شیمیایی تنها در شکل فیزیکی آن تفاوت داشته باشد. کانیهایی با عیار باطری و شیمیایی اغلب توسط محتوی MnO2 دستهبندی میشوند، که نوعا در حدود 70 تا 85 درصد (44 تا 54 درصد منگنز) میباشند[7].
جدول1-1 –مشخصات ترکیبهای موجود در محصولات منگنز[7]
نوع محصول ترکیبها درصد ترکیبها
عیار متالورژیکی منگنز
آهن
سیلیکا + آلومینا
فسفر
مس + سرب + روی 0/40
0/16
بدون محدودیت خاصی
کمتر از 3/0
کمتر از 0/1
عیار باتری منگنز
آهن
سرب
مجموع فلزات سنگین به جز آهن و سرب
مجموع غیر محلولها
pH بیشتر از 0/75
کمتر از 0/3
کمتر از 5/0
5/0
0/10
4 تا 7
عیار شیمیایی نوع A
دی اکسید منگنز
آهن بیشتر از 0/80
کمتر از 0/3
نوع B
دی اکسید منگنز
آهن
سیلیکا
آلومینا
فسفر
بیشتر از 0/85
کمتر از 0/3
کمتر از 0/3
کمتر از 0/3
کمتر از 1/0
1-9 توزیع منگنز در دنیا
برخلاف فراوانی و توزیع جغرافیایی ذخائر منگنز 95 درصد از تولید جهان فقط از 7 کشور تولید کننده باشد، همانطور که در شکل 1-3 نیز مشاهده میشود، از تولید کنندگان اصلی منگنز میتوان از آفریقای جنوبی با 62/3 میلیون تن، گابون با 45/2 میلیون تن، استرالیا با 2 میلیون تن، برزیل با 8/1 میلیون تن و هند با 1/1 میلیون تن نام برد. بیش از 80 درصد از ذخائر کشف شده جهان در دو کشور اوکراین و آفریقای جنوبی متمرکز شده است. تقریباً هیچ کشور صنعتی جهان همانند آمریکا، ژاپن و کشورهای اروپایی دارای ذخایر قابل توجه منگنز نیستند و باید همگی نیازهای خود را وارد کنند.

شکل1- 3- نحوه توزیع ذخایر منگنز در دنیا[8]
1-9-1 تولید منگنز در ایران
تاکنون در ایران بیش از 45 کانسار و نشانه معدنی منگنز شناخته شده است که در بین آنها 10 کانسار متوسط و بقیه کانسارهای کوچک و نشانه معدنی میباشند. البته امکان اکتشاف ذخایر پرعیار و بزرگ منگنز، در کشور زیاد است.
مهمترین معادن در دست بهرهبرداری، معادن ونارچ و رباط کریم است که از تولید کنندگان مهم به شمار میروند. مصرف اصلی در کشور، مربوط به صنایع فولاد وبزرگترین مصرف کننده آن کارخانه ذوب آهن اصفهان است. این کارخانه، برای تولید 2 میلیون تن فولاد، نیاز به 100000 تن سنگ منگنز با عیار 25 درصد دارد. افزون بر صنایع فولاد، صنایع دیگر نیز به میزان جزیی منگنز مصرف میکنند.
در حال حاضر، از بین کانسارها و آثار شناخته شده منگنز و آهن منگنزدار ایران، با در نظر گرفتن سطح فعالیتهای انجام شده در آنها، سه معدن و نارچ قم، رباط کریم و ناریگان را میتوان به عنوان تأمین کننده بالقوه نیازهای داخلی در نظر گرفت. از این میان، معدن ونارچ قم با توجه به شرایط نسبتاً مناسب آن از نظر سابقه بهرهبرداری و وجود اطلاعات اکتشافی، وضعیت مناسبی دارد و یکی از مهمترین تأمین کنندههای منگنز ایران است. ذخیره کانسارهای منگنز ایران است حدود 17 میلیون تن برآورده شده است (به جز ذخایر منگنز آهندار). میزان ذخایر کانسارهای آهن منگنز نیز حدود 100 میلیون تن میباشد.
تولید کانسنگ منگنز ایران، سالانه حدود 135 هزار تن است. ایران در مقایسه با دیگر کشورهای جهانی، از نظر تولید کانسنگ منگنز در مکان پانزدهم قرار دارد. به بیانی 5/0 درصد از کل تولید منگنز جهانی، به ایران تعلق دارد.
1-9-2 تولید منگنز در دنیا و توسعه های اخیر
صنعت فولاد یکی از بخشهای مهم در اقتصاد جهان محسوب میشود و به دلیل وجود کثرت حلقههای ارتباطی بالادست و پاییندست با دیگر بخشهای اقتصادی به عنوان صنعتی پیشرو و کلیدی از اهمیت خاصی برخوردار میباشد، به طوری که میزان تولید و مصرف آن نمایانگر پیشرفت صنعتی و اقتصادی کشورها و تحرک دیگر بخشهای اقتصادی است. مصرف سرانه فولاد دنیا حدود 200 کیلوگرم میباشد که این میزان در کشورهای پیشرفته صنعتی بین 350 تا 600 کیلوگرم و در کشورهای فقیر و توسعه نیافته بین 20 الی 40 کیلوگرم است. مصرف سرانه فولاد در ایران نیز حدود 290 کیلوگرم است که در حال حاضر 150 کیلوگرم آن در داخل کشور تولید شده و بقیه از کشورهای دیگر تامین میشود. ایران در بین کشورهای تولید کننده فولاد در سال 2008 با تولید حدود ده میلیون تن در رتبه نوزدهم بوده است. ایران در سال 2009 میلادی با سه پله صعود نسبت به سال 2008 شانزدهمین فولادساز بزرگ جهان لقب گرفت و در سال 2010 میلادی نیز هفدهمین فولادساز بزرگ جهان بوده است و این در حالی است که در بین 20 کشور تولید کننده عمده فولاد جهان تنها کشورهای امریکا، روسیه، مکزیک، آفریقای جنوبی و ایران دارای سه عنصر اصلی تولید فولاد یعنی سنگ آهن، انرژی و آب هستند. لذا کشور ایران از مزیت نسبی در تولید فولاد برخوردار میباشد. آلیاژهای منگنز شامل فرومنگنز و سیلیکومنگنز از مواد مصرفی در صنایع فولادسازی، تولید چدن و صنایع ریختهگری میباشند. مهمترین نقش منگنز تولید فولاد خام، اکسیژنزدایی است. میزان ظرفیت در حال بهرهبرداری فرومنگنز در داخل کشور 42 هزار تن میباشد، در حالی که میزان نیاز به این ماده در حال حاضر 71 هزار تن بوده و تا پایان برنامه چهارم بالغ بر 100 هزار تن خواهد بود. با توجه به شرایط بازار و سیاستهای توسعهای کشور در بخش فولاد چشمانداز گسترش تقاضا برای فرومنگنز وجود داشته و اجرای طرحهای تولید فرومنگنز را توجیهپذیر میسازد. در تولید منگنز سهم ایران 38/0 درصد است و دوازدهمین تولید کننده منگنز دنیا به شمار میآید. سالانه از 21 معدن منگنز کشور بیش از 134 هزار تن استخراج میشود. ذخایر این ماده معدنی نزدیک به 2/8 میلیون تن است. براساس گزارش سازمان زمینشناسی آمریکا بعد از آفریقای جنوبی، استرالیا و چین هر یک با تولید 1/3 میلیون تنی به صورت مشترک در رده دوم و گابن نیز با تولید 2 میلیون تنی در رده سوم قرار گرفتند. برزیل هم با تولید 4/1 میلیون تنی جایگاه چهارم را به خود اختصاص داد. تولید منگنز در سایر کشورهای جهان در سال قبل زیر یک میلیون تن بوده است. از دیگر تولیدکنندگان عمده منگنز در جهان میتوان به برمه، هند، قزاقستان، مالزی، مکزیک و اوکراین اشاره کرد. مجموع تولید جهانی منگنز در سال 2013 به 17 میلیون تن رسید که نسبت به تولید سال 2012 رشد 2/1 میلیون تنی را تجربه کرد. زمینهای حاوی منابع منگنز بسیار گسترده و بزرگ بوده اما در عین حال به صورت پراکنده و نامنظم توزیع شدهاند. در آمریکا ذخایر منگنز دارای عیار بسیار پایین بوده و به همین دلیل استخراج این ذخایر مستلزم صرف هزینه بسیار بالایی است. آفریقای جنوبی دارای حدود 75 درصد از کل ذخایر جهانی شناخته شده منگنز است و اوکراین نیز 10 درصد این ذخایر را در اختیار دارد. در سال 2013 پروژههای مختلفی در زمینه افزایش 5 میلیون تنی ظرفیت تولید منگنز در سراسر جهان در دست اجرا بود که بیشتر این افزایش ظرفیت نیز مربوط به آفریقای جنوبی میشود. سال قبل تولید فولاد آمریکا برنامهریزی شده بود که با افت کوچکی نسبت به سال 2012 مواجه میشود و به همین دلیل واردات فرومنگنز این کشور نیز برآورد میشود که در سال قبل با کاهش 20 درصدی نسبت به سال 2012 مواجه شده است. در نتیجه مصرف ظاهری منگنز آمریکا هم با افت 8 درصدی به 770 هزار تن رسید. در آمریکا سنگ منگز با عیار 35 درصد یا بیشتر از سال 1970 تاکنون تولید نشده است.
اداره زمین شناسی آمریکا ذخائر منگنز را در گروه ذخایر اقتصادی و پایه منتشر میکند. ذخائر اقتصادی شامل ذخایری میشوند که استخراج آنها در شرایط فعلی امکانپذیر و اقتصادی میباشد. ذخایر پایه شامل مجموعه ذخایر اقتصادی و غیراقتصادی می‌شود که از نظر عیار، ضخامت و عمق در شرایطی قرار دارند که از نظر فنی قابل معدنکاری هستند.
براساس گزارش اداره زمین شناسی آمریکا مجموع ذخایر پایه شناخته شده جهان در حدود ۵۰۰۰ میلیون تن است که برای سالها بدون تغییر باقی مانده است و ذخیره عمده جدیدی کشف نشده است. از این مقدار استخراج ۶۸۰ میلیون تن آن در شرایط فعلی اقتصادی می‌باشند.
با توجه به اینکه ذخایر منگنز موجود در خشکی‌ها قادر به تامین نیاز صنایع برای سالهای آتی هستند، به نظر نمیرسد که در آینده نزدیک استخراج ذخایر کف اقیانوسی جهت تامین منگنز اقتصادی بشوند. ولی در صورتی که این ذخایر به منظور دستیابی به مس و یا نیکل آن مورد استخراج قرار گیرند، منگنز و کبالت نیز به عنوان محصولات جانبی میتوانند تولید بشوند. با توجه به کفایت ذخائر مس و نیکل در خشکی‌ها مشخص نیست که دقیقا چه زمانی استخراج ازذخایر کف اقیانوسی اقتصادی بشود. با این حال کشورهای آمریکا،‌ چین، هندوستان، ژاپن و روسیه به تحقیقات خود در قالب پروژه‌های بلند مدت در خصوص اکتشاف و امکانپذیری استخراج ذخایر کف اقیانوسی از آبهای بینالمللی و سواحل خودشان ادامه میدهند.
فصل دوم
روشهای فرآوری کانههای منگنز
2-1مقدمه
در این قصل نگاهی اجمالی به روشهای فیزیکی پرعیارسازی کانسنگ منگنز و به طور مبسوط روش لیچینگ و مطالعات و تحقیقات گذشته در این زمینه شده است. سعی بر این بوده، که تمامی روشهای موجود معرفی شوند. این مطالعات دید مناسبی برای انجام آزمایشهای فرآوری کانسنگ منگنز مورد نظر به دست میدهد.
2-2 سنگجوری
سنگجوری سادهترین و ابتداییترین روش پرعیارسازی سنگ منگنز است که هنوز در بعضی از معادن کاربرد دارد. کانههای منگنز اغلب دارای رنگ تیره مشخص با جلای فلزی و چرب هستند که تا حد زیادی از کانههای غیرفلزی باطلهی همراه که معمولا رنگهای روشنتری دارند، قابل تشخیص هستند. از اهمیت سنگجوری دستی برای مقادیر زیاد کانی کم عیار که ریز دانه هستند کاهش یافته است. گرچه امروزه از سنگجوری دستی برای حذف تکههای آهن،چوب و... از کانسنگ معدن استفاده میشود[9]. این روش محدودیت کاربرد داشته و فقط دانههای درشت کانه با این روش قابل تفکیک هستند و این امر راندمان را به شدت کاهش داده و در مواردی عملا به کارگیری این روش را غیرممکن میسازد. با توجه به محدودیت ظرفیت این روش، در کارخانههایی با ظرفیت زیاد از روشهای «سنگجوری مکانیکی» استفاده میشود[10]. شستشوی سنگ استخراجی و یا خردایش آن در مواردی میتواند سنگ جوری را آسانتر کند.
2-3پرعیارسازی به روش ثقلی
روشهای جدایش ثقلی کانیها بر مبنای حرکت نسبی آنها در یک محیط سیال پایهگذاری شده است. نیروی مؤثر عمدتا وزن دانهها است. نیروی دیگر مقاومت سیال در برابر حرکت جسم است که به ابعاد و شکل دانهها بستگی دارد[9]. روشهای ثقلی برای آرایش تعداد زیادی از کانهها مورد استفاده قرار میگیرند. این روشها در برخی از موارد با وجود هزینه ی کم و سادگی فرآیند با دیگر روشهای پیچیده و گران قیمت نظیر فلوتاسیون قابل رقابت هستند.
تاگارت در مورد قابلیت کاربرد روشهای ثقلی رابطه 2-1 را ارائه کرده است که به کمک آن میتوان معیاری برای سنجش کیفیت پرعیارسازی بهدست آورد:
C.C =∆H-∆F∆L-∆F (2-1)
که در آن :
C.C : معیار پرعیارسازی ، ∆H: جرم مخصوص کانی سنگین، ∆F: جرم مخصوص سیال، ∆L: جرم مخصوص کانی سبک.
با توجه به این که وزن مخصوص کانیهای منگانیت، هماتیت و کوارتز به ترتیب 4/4، 2/5 و 6/2 گرم بر سانتیمتر مکعب است، معیار پرعیارسازی برای کانسنگ منگنز جیرفت برای جدایش منگانیت از هماتیت 25/1، منگانیت از کوارتز 1/2 و هماتیت از کوارتز 6/2 است. مطابق رابطه 2-1، چنانچه نسبت چگالی مؤثر بزرگتر از 5/2 باشد، دانههایی تا ابعاد 75 میکرون را میتوان با روشهای سادهی ثقلی آرایش داد. با کاهش نسبت چگالی مؤثر، ابعاد کوچکترین دانههای قابل آرایش به سرعت افزایش مییابد، به طوری که با کاهش این نسبت به 25/1، تنها دانههایی با ابعاد بزرگتر از 6 میلیمتر و با استفاده از روشهای دقیق ثقلی قابل آرایش هستند. در حد کمتر از 25/1، آرایش ثقلی مواد به طور اقتصادی امکانپذیر نیست[9].
با توجه به معیار پرعیارسازی بین دو کانی منگانیت و هماتیت امکان جدایش برای ذرات بزرگتر از 6 میلیمتر وجود دارد، به علت نزدیک بودن وزن مخصوص کانی هماتیت و منگانیت ، به نظر میرسد که کاربرد روشهای ثقلی برای جدایش این دو کانی چندان مطلوب نیست.
تقریباً تمامی روشهای جداسازی ثقلی اعم از انواع جیگ‌ها، ‌میزهای لرزان، کلاسیفایرها و مارپیچ‌ها، ‌واسطه سنگین و غیره در فرآیند پرعیار سازی منگنز کاربرد دارند. با توجه به وزن مخصوص نسبتاً بالای کانه‌های منگنز (بالاتر از 4) و تفاوت بارز آنها با کانی‌های باطله همراه در صورتی که میزان آزاد بودن و ابعاد دانه‌های کانه و باطله به گونهای باشد که درمحدوده کار دستگاههای جدا کننده ثقلی قرار گیرند، می‌توان بین 80 ـ50 درصد سنگ ورودی را پرعیار کرد. عیار منگنز در محصول خروجی تا 48 درصد نیز گزارش شده است. جیگهای مورد استفاده از انواع مختلف نظیر جیگ دنور، هارتز و دیافراگمی بودهاند که در محدوده دانه‌های درشتتر کاربرد دارند.
کانسنگ منگنز معدنی در ترکیه، با مشخصات کانی شناسی 58/18 درصد منگنز، 82/0 درصد آهن و 85/62 درصد سیلیس برای پرعیارسازی به روش ثقلی خردایش شده و به دو فراکسیون 1+ میلیمتر و 1- میلیمتر تقسیمبندی شده است. عملیات پرعیار سازی بر روی فراکسیون 1+ میلیمتر توسط جیگ و بر فراکسیون 1- میلیمتر توسط میز لرزان صورت گرفت. در نهایت عیار منگنز به 47-45 درصد رسیده است[11].
2-4 پرعیارسازی به روش مغناطیسی
به دلیل تفاوت در خواص مغناطیسی کانههای منگنز و باطله های همراه نظیر کوارتز، کلسیت و رسها روش جداسازی مغناطیسی میتواند به طور نسبتا موثری باعث جداسازی و تغلیظ سنگ منگنز شود[10].
جداسازی مغناطیسی معمولا به تنهایی کارایی لازم را در مورد سنگ منگنز نداشته و اغلب به عنوان تکمیل کنندهی بخش جداسازی ثقلی، فلوتاسیون و یا هیدرومتالورژی مورد استفاده قرار میگیرد که باعث افزایش قابل توجهی در راندمان کل عملیات خواهد شد[10].
2-5 پرعیارسازی به روش فلوتاسیون
کانیهای منگنز از نظر کاربرد روش فلوتاسیون به دو گروه تقسیمبندی میشوند. گروه اول شامل کانههایی با عیار بالایی از منگانیت یا پیرولوزیت همراه با باطلهی کلسیتیاند که با شناوری کلسیت، باطلهای غنی از منگنز (فلوتاسیون معکوس) بهدست میآید. در این حالت کانه در pH حدود 8 و با استفاده از کربنات سدیم و دکسترین زرد آمادهسازی میشود و سپس فلوتاسیون با اسید اولئیک انجام میشود. گروه دوم، کانههای منگنز حاوی پیرولوزیت، منگانیت یا پسیلوملان هستند، که با مقادیر کمی از رس و سایر ترکیبات مولد نرمه همراهاند، و با شناورسازی کانیهای منگنز قابل پرعیار شدن میشوند[12].
2-6 روش تشویه
فرآیندهای متعارف پیرومتالورژی برای استفاده از منگنز سنگ معدن اکسید با هزینههای تولید بالا و انرژی مصرف، بهرهوری پایین، و آلودگی محیط زیست همراه هستند. کاهندههای مورد استفاده برای تشویه کاهشی شامل زغال سنگ، گرافیت و یا CO ، پیریت، آمونیوم سولفیت یا کلرید آمونیوم. مشکلات اصلی این فرآیندهای هیدرومتالورژیکی پالایش منگنز از محلول لیچینگ، هزینه تولید بالا، بازده لیچینگ کم و غیره است. چنانکه، دیاکسید منگنز خالص را میتوان توسط گوگرد در دمای کمتر از 300-400 درجهی سانتیگراد احیا کرد. با استفاده از اسید سولفوریک به عنوان عامل لیچینگ، منگنز میتواند از محصولات تشویه شده باقی بماند. با این حال،MnS در طول تشویه تشکیل شده و زمانی که محصولات تشویه در محلول اسید لیچ شده؛ گازهای مضرH2S اجتناب ناپذیر است.[13]
عمل تشویه که به دنبال آن هیدرومتالورژی صورت میگیرد، نقش مهمی را در به عملآوری کانسنگ منگنز کم عیار و نودلهای منگنز بستر دریا که حاوی مقادیری نیکل، کبالت و مس به صورت اکسید دارد. این اکسیدهای فلزی در نودلها اغلب در ساختمان شبکهای از مواد معدنی آهن و منگنز رخ میدهند. بنابراین شکستن این شبکهها توسط عمل تشویه کاهشی یا محلولهای کاهشی هیدرومتالورژی گامی مهم در بهبود بازیابی فلزات با ارزش به حساب میآیند. روشهای پیشنهادی برای پیرومتالورژی ذوب کردن، تشویه کاهشی، سولفاتی و کلردیدی کردن است. در مقایسه با فرآیند هیدرومتالورژی ترکیب پیرو-هیدرومتالورژی کارایی بازیابی بهتری را نتیجه میدهد، اما این روش مستلزم مصرف انرژی بالایی است.
در تشویه سولفاته کردن، کانیهای منگنزدار در حضور اسید سولفوریک یا آمونیوم سولفات به کانیهای منگنزدار محلول در سولفات تبدیل میشوند. سولفاته کردن منگنز با گاز SO2 نیز کار شده است؛ که در این مورد گاز SO2 دو نقش بازی میکند و به عنوان کاهنده و عامل سولفاته کردن عمل میکند. تشویه سولفاتی به دنبال لیچینگ برای بازیافت باتریهای مصرفی روی-کربن بررسی شده است که با تولید سولفات منگنز و روی همراه بوده است. فرآیند شامل جدایش مکانیکی و لیچینگ اسید سولفوریک، تشویه سولفاتی در حضور اسید سولفوریک یا آمونیوم سولفات پس از لیچینگ بوده است.
ذوب یا تشویه کاهشی در دمای 700-900 درجهی سانتیگراد و سپس به دنبال آن لیچینگ با اسید سولفوریک تا به حال بیشترین روش معمول در صنعت منگنز برای تولید منگنز سولفات میانی یا نهایی برای فرآیند الکترووینینگ است.
واکنش کاهشی به صورت زیر است:
MnO2 + CO/H2 = MnO + CO2/H2O
MnO2 + C = MnO + CO(CO2)
این واکنشها تبدیل منگنز اکسید با ظرفیت بالا به ظرفیت پایینتر به صورتی که در محلول اسید سولفوریک قابل حل باشند، را نشان میدهد[14].


2-7 روش لیچینگ
برای تهیهی منگنز دی اکسید برای باتریها و منگنز فلزی از روش هیدرومتالورژی استفاده میشود[12]. بهرهگیری از روشهای مختلف هیدرومتالورژی از قبیل لیچینگ و بیولیچینگ در پرعیارسازی کانههای منگنز کاربرد وسیعی دارند[15].
فرآیندهای مستقیم لیچینگ کاهشی مختلف مورد مطالعه قرار گرفته و برای پردازش سنگ معدن منگنز کم عیار و نودلهای منگنز بستر اقیانوسها، از شستشو با آهن ، دیاکسید گوگرد، پراکسید هیدروژن، اسید نیتروژن، کاهندههای آلی و زیستی استفاده شده است. از میان این فرایندها لیچینگ با اسید ارزان سولفور دی اکسید و یا یون آهن در مقیاس پایلوت مورد توجه است.
دیاکسید منگنز در اسید سولفوریک رقیق نامحلول است اما وقتی احیا و به MnO تبدیل شد به راحتی در H2SO4 حل شده و تولید MnSO4 مینماید.
MnO + 2H+ = Mn2+ + H2O
از آنجایی که منگنز با الکترولیز محلول فوق بازیابی میشود الکترولیت بازگشتی برای لیچینگ قابل بازیابی میباشد. البته دیاکسید منگنز در حضور یک ماده احیا کننده مانند سولفات فرو، دیاکسید گوگرد، زغال یا اسیداکسالیک طی مراحل اکسایش – کاهش در اسید سولفوریک رقیق حل میشود[15].
MnO2 + 2Fe2+ + 4H+= Mn2+ + 2Fe3+ + 2H2O
واکنش فوق نتیجهی اکسایش و کاهش به شرح زیر است:
اکسایش Fe2+= Fe3+ + e-
کاهش MnO2 + 4H+ + e- = Mn2++ 2H2O
همچنین از یونهای اکسالات و اسید سولفورو به عنوان عوامل کاهش دهنده میتوان استفاده کرد:
[C2O4]2- = 2CO2 + 2 e-
SO2+ 2H2O = H2SO3 + H2O = SO42- + 4H+ + 2e-
در مرحلهی کاهش مشاهده میشود که یون منگنز چهار ظرفیتی در MnO2 به یون دو ظرفیتی کاهش مییابد:
Mn4+ + 2e- = Mn2+
به محض وقوع این واکنش نیروی جاذبهی الکتروستاتیکی در جامد متبلور ضعیف شده و یونهای H+ در محلول، یونهای اکسید را از فاز جامد جدا و تشکیل آب میدهد[15].
پارامترهای موثر بر انحلال اکسید منگنز MnO توسط اسید سولفوریک نظیر غلظت اسید، مقدار نسبت استوکیومتریک اسید، درجه حرارت و مدت زمان لیچینگ مورد بررسی قرار گرفته اند. نتایج حاصل نشان میدهد که غلظت اسید سولفوریک مصرف شده تاثیر اندکی بر میزان انحلال منگنز دارد لذا می توان از اسید رقیق برای لیچینگ استفاده کرد. با افزایش غلظت اسید میزان انحلال آهن افزایش مییابد.
دیاکسید منگنز در شرایط اکسیداسیون اسیدی یا قلیایی پایدار است. از این رو، استخراج منگنز در شرایط احیایی انجام میشود. محلول آبی SO2 ثابت کرده است که لیچ کنندهی موثری برای منگنز از سنگ معدن منگنز دیاکسید، به دلیل سرعت انحلال، عملکرد دمای اتاق، سهولت نسبی خالص سازی محلول لیچ و نداشتن مشکل بازیافت محلول، است. مطالعات بر رویMnO2 مصنوعی برای درک سازوکار لیچینگ انجام شده است. محلول آبیSO2 اکسید منگنز را با کاهش Mn4+و Mn3+فلزی به شکل Mn2+ محلول در آب تبدیل میکند و SO2 به SO42- یا S2O62- اکسیده میشود. واکنش کلی به شرح زیر داده شده است[16]:
MnO2 + SO2 = Mn2+ + SO4
MnO2 + 2SO2 = Mn2+ + S2O6
2MnOOH + SO2 + 2H+ = 2Mn2+ + SO42- + 2H2O
2MnOOH + 2SO2 + 2H+ = 2Mn2+ + S2O62- + 2H2O
SO2 ،FeSO4 ، ساکارز ، زغال چوب ، زغال سنگ و ذغال سنگ چوب نما ،پیریت و غیره را میتوان به عنوان عوامل کاهنده استفاده کرد. اکسالیک اسید میتواند به عنوان یک عامل کاهنده برای استخراج منگنز از سنگ معدن دیاکسید منگنز استفاده شود. از لیچینگ سنگ معدن منگنز با استفاده از اکسالیک اسید تولید میکروارگانیسم ها گزارش شده است. لیچینگ شیمیایی از سنگ معدن منگنز با استفاده از اکسالیک اسید ممکن است بینشی به سمت بیولیچینگ باشد. انحلال منگنز با توجه به کاهش دی اکسید با اکسالیک اسید همراه است. کاهش بین MnO2 و اکسالیک اسید در محیط اسیدی به شرح زیر داده شده[17]:
MnO2 + HOOC--COOH + 2H+ = Mn2+ + 2CO2 + 2H2O
بررسی محلولهای رقیق از دیاکسید گوگرد به عنوان عامل لیچینگ توجه محققان زیادی در این زمینه به خصوص در مورد نودلهای بستر دریاها را جلب کرده است. واکنش بین اکسید فلزی و دیاکسید گوگرد مورد مطالعه قرار گرفته است. مشاهده شده است که:
روش لیچینگ اسید سولفوریک سریع، موثر و حساس است کل واکنش انحلال فقط در 8-10 دقیقه به پایان میرسد.
انحلال در دما و فشار اتاق صورت میگیرد.
دیاکسید گوگرد گاز پسماند است، اعتقاد بر این است که 109میلیون تن SO2 در هر سال به محیط زیست جهانی اضافه شده است. به این ترتیب، با استفاده از SO2 به عنوان عامل لیچینگ، آلودگی هوا را میتوان به حداقل رساند.
محلول آبی SO2 شرایط بسیار کاهنده و بسیار اکسید کننده با اکسیژن ارائه میدهد. بنابراین، این لیچ کنندهها ممکن است برای لیچ فلزات با ارزش از مواد معدنی، سنگ معدن و کنسانتره به عنوان منابع اولیه در حالی که لجن آندی، گرد و غبار دودکشها، قطعات الکترونیکی، آلیاژهای، رشتههای از لامپهای برقی و غیره دیگر منابع ثانویه هستند، استفاده کرد[18].
2-7-1 لیچینگ کاهشی با محلول یون آهن
این فرآیند به صورت شماتیک در شکل 2-1 نشان داده شده است. ویژگی این فرایند هیدرولیز دما بالایFe(III) و رسوب منگنز به عنوان نمک مضاعف (NH4)2Mn2(SO4)3 به طور همزمان است، که سپس با انحلال Fe2O3 و همرسوبی، از هم جدا میشود. انتظار میرود محلول نسبتا خالص منگنز باردار برای الکترولیز از این راه بهدست آید.

شکل2-1- فلوشیت فرآیند بازیابی منگنز با استفاده از محلول لیچ[14]
نگرانیهای اقتصادی این فرآیند بابت هزینهی بالای H2O2 و فرآیند اتوکلاو درجه حرارت بالا است[14]. مطالعهای بر روی سینتیک واکنش بین منگنز دیاکسید و یون آهن در محلول اسیدی انجام شده، که از پتانسیل زوجهای فرو و فریک برای اندازهگیری میزان واکنش استفاده شده است. در این بررسی واکنشها به راحتی در بعضی قسمتهای فعال سطح دیاکسید منگنز و سطحی که یونهای آهن بر روی آن انتشار یافته، رخ داده است. از سوی دیگر، در مطالعهای دیگر به این نتیجه رسیدند که تحت شرایط ویژهی دور همزن، واکنش شیمیایی با انرژی فعالسازی ظاهری 28 کیلورژول بر مول، کنترل شده است. از مفاهیم الکتروشیمیایی برای سیتینک محلول MnO2 با اسیدسولفوریک در حضور پیریت استفاده شده و نتیجه گرفتند که انحلال میتواند با Fe2+ کاتدی که از اکسیداسیون پیریت با یونهای Fe3+ به دست آمده، ادامه یابد. نرخ واکنش اکسیداسیون پیریت به تدریج کاهش مییابد. مطالعهای بر مکانیسم الکتروشیمیایی محلول MnO2 در اسید هیدروکلریک در حضور Fe2+ و Fe3+ انجام شده است و متوجه شدند که با افزایش یونهای Cl- و Fe2+ در محلول سرعت کلی انحلال افزایش مییابد. در مقابل، Mn2+ و Fe3+ در محلول، مانع از رسیدن واکنش به بعضی درجات میشوند[19].
مطالعهای توسط Das et al(1982) [14]، نشان داد که واکنش منگنز دیاکسید در کانی کم عیار منگنز با فروسولفات به سه طریق انجام میگیرد:
فروسولفات طبیعی:
MnO2 + 2FeSO4 + 2H2O = MnSO4 + Fe(OH)SO4 + Fe(OH)3
فروسولفات و مقدار کمی اسید:
MnO2 + 2FeSO4 + H2SO4 = MnSO4 + Fe(OH)SO4
محلول فروسولفات و مقدار زیادی اسید:
MnO2 + 2FeSO4 + 2H2SO4 = MnSO4 + Fe(SO4)3 + 2H2O
بیشتر از 90درصد منگنز را میتوان با لیچینگ کانسنگهای کم عیار با مقدار نسبت استوکیومتری فروسولفات و در دمای 90 درجه سانتیگراد به مدت 1 ساعت و نسبت جامد به مایع 1:10 استخراج کرد. مایع لیچ تحت این شرایط ژلاتینی و فیلتر کردن آن سخت خواهد شد؛ با اضافه کردن اسیدسولفوریک فیلتراسیون به راحتی انجام شده و منگنز استخراجی بیشتر میشود[14].
در سال 2007 ذاکری و همکاران بر روی لیچینگ کاهشی منگنز با استفاده از آهن اسفنجی مطالعهای انجام دادهاند. با استفاده از اسیدسولفوریک و آهن اسفنجی بر روی نمونهی پیرولوزیت، آزمایشات لیچینگ اسیدی صورت گرفته که در 10 دقیقه با دمای 20 درجه سانتیگراد، موفق به بازیابی 98% منگنز از کانسنگ شدهاند[19].
2-7-2 لیچینگ کاهشی توسط سولفور دیاکسید یا محلولهای سولفیت
در فرآیندهای هیدرومتالورژی، سولفور دیاکسید یا نمکهای سولفیتی کاهندههای قوی برای کانیهای منگنز اکسید بالاتر مانند MnO2 و نودلهای منگنز هستند. واکنشهایی که احتمالا در حین لیچینگ منگنز دیاکسید رخ میدهند :
MnO2 + SO2 = Mn2+ + SO42-
MnO2 + 2SO2 = Mn2+ + S2O62-
2MnOOH + SO2 +2H+ = 2Mn2+ + SO42- + 2H2O
2MnOOH + SO2 +2H+ = 2Mn2+ + S2O62- + 2H2O
SO2 به SO42- و مقداری دی تیونات S2O62- اکسایش یافته که به PH محلول، پتانسیل اکسایش-کاهش و درجه حرارت بستگی دارد. در اصل این فرآیند کاهشی SO2 است. استفاده از محصول میانی دی تیونات واکنش کاهشی برای موازنه هر دو محصول کاهش یافته Mn(II) و کلسیم در محلول در حالی که کلسیم اضافی به صورت CaSO4 رسوب کرده؛ مزیت این فرآیند است. در یک پژوهش نیمه صنعتی یک سری آزمایشات بر روی منگنز با عیار 13-18% انجام شده، در اکثر موارد بازیابی منگنز به 90درصد رسید و عیار منگنز در محصول نهایی بیشتر از 60درصد رسید. برای هر واحد منگنز استخراج شده، 5/1 تا 2/2 واحد SO2 و 1/1 تا 5/1 واحد CaO مصرف شده است. در مقیاس آزمایشگاهی از دی تیونات همچنین برای لیچینگ لجنهای کم عیار منگنز(از نودلهای منگنز در بستر دریاها) استفاده میشود. عموما تشکیل دیتیونات در فرآیند شستشو با SO2 نامطلوب است. زمان ماند طولانی برای تبدیل دیتیونات به سولفات لازم است. یک فرآیند که تشکیل S2O62- را با اضافه کردن SO2 به صورت پیوسته، به زیر 1 گرم بر لیتر کاهش میدهد، توسط Ward et al.2004 بررسی و گزارش شده است. لیچینگ مستقیم SO2 بر روی نمونهی غنی منگنز انجام گرفته است (Grimanelis et al. 1992)، این واکنش سریع بوده و در زمان 10 دقیقه، بازیابی منگنز به بیشتر از 95 درصد رسیده که ناخالصی آهن همراه بسیار کم بوده است[14].
در مطالعهای سه نمونه سنگ معدن منگنز عیاربالا، عیار متوسط و کم عیار مورد لیچینگ توسط SO2 به عنوان کاهنده قرار گرفتهاند. این بررسی در دمای محیط، دور همزن 1000 دور بر دقیقه و با اندازه ذرات زیر 150 میکرون انجام شده است. مقدار کاهنده توسط نسبتهای استوکیومتری معادله زیر در نظر گرفته شده است[16]:
MnO2 + SO2 = Mn2+ + SO42-
در مجموع، استخراج منگنز با افزایش نسبت استوکیومتری مقدار SO2، افزایش مییابد [16]. در نمونه با عیار متوسط، همانطور که در نمودار شکل 2-2 مشاهده میشود؛ با نسبت استوکیومتری SO2 به مقدار 75/1، بازیابی منگنز 88/90 درصد میشود. با افزایش نسبت استوکیومتری SO2 به مقدار 5/2، میزان منگنز استخراج شده از نمونه به 17/97 درصد میسد. در نمونهی پرعیار در نمودار شکل 2-3، 40/94 درصد منگنز با نسبت استوکیومتری SO2به مقدار 5/1 استخراج شده، که با افزایش نسبت استوکیومتری SO2 به مقدار 2 بازیابی منگنز به 55/99 درصد میرسد. در نمونهی کم عیار، با توجه به نمودار شکل 2-4، با نسبت استوکیومتری SO2 به مقدار 5/1، تقریبا همهی منگنز نمونه (29/99درصد) استخراج شده است[16].
شکل2- 2- اثر مقدار SO2 بر بازیابی فلزات در کانه با عیار متوسط[16] شکل2- 3- اثر مقدار SO2 بر بازیابی فلزات در کانهی پرعیار[16]

شکل2- 4- اثر مقدار SO2 بر بازیابی فلزات در کانهی کمعیار[16]
2-7-3 لیچینگ کاهشی با استفاده از کاهندههای ارگانیک
در بسیاری از مطالعات بر روی لیچینگ کاهشی کانیهای منگنز چهار ظرفیتی که از کاهندههای ارگانیک استفاده شده، تمرکز شدهاست. این کاهندهها شامل گلوکز، ساکاروز، لاکتوز، خاک اره، گلیسیرین، اسید اکسالیک، اسید سیتریک، تارتاریک اسید و فرمیک اسید است.
کاهندههای کربوهیدراتی به دلیل هزینه کم و بی خطر بودن، مورد توجه هستند. معادله استوکیومتری آنها به صورت زیر پیشنهاد میشود:
C2H12O6 + 12MnO2 + 24H+ = 6CO2 + 12Mn2+ + 18H2O
محصولات واکنش گلوکز توسط HPLC قابل تشخیص است. در اسیدسولفوریک به عنوان واسطه، گلوکز به فرم مونوکربوکسیلیک پلیهیدروکسی اسید و فرمیک اسید اکسید میشود[14].
در بین این کاهندهها اسید اکسالیک و خاک اره به دلیل در دسترس بودن و هزینهی کم، مورد توجه کارهای صنعتی هستند. ممکن است لیچینگ شیمیایی کانههای منگنز با استفاده از اسید اکسالیک دیدی نسبت به بیولیچینگ بدهد[17]. مکانیسم بیولیچینگ عمدتا به طور غیر مستقیم در محصولات لیچینگ کانههای منگنز با اسید اکسالیک یا اسید سیتریک یافت میشود. طبق واکنش زیر، اسید اکسالیک پتانسیل بیشتری برای کاهش منگنز دی اکسید نسبت به اسید سیتریک دارد:
MnO2 + 2H+ +C2O4H2 = Mn2+ + 2H2O + 2CO2
یونهای منگنز یک لایه بر سطح کانه تشکیل میدهند، و واکنش ارائه شده، با انتشار واکنشدهندهها بر روی لایهی نفوذپذیر محصول کنترل میشود.[14]. در تحقیقی که بر روی سنگ معدن منگنز Joda در هند، آزمایشات لیچینگ با اسید اکسالیک به عنوان کاهنده، بر اساس روش فاکتوریل 24 طراحی شده است. در این تحقیق پارامترهای متغیر مقدار اسیداکسالیک، مقدار اسید سولفوریک، زمان و دما در نظر گرفته شده است. این آزمایشها نشان دادهاند که بعد از 3 ساعت، زمان تاثیری بر استخراج منگنز ندارد. اکثر واکنشها در 30 دقیقهی اول کامل میشوند. نتایج آزمایشها مشخص کرده است به ترتیب مقدار اسید اکسالیک، دما و مقدار اسید سولفوریک بیشترین اثر را بر بازیابی منگنز و به ترتیب دما، مقدار اسیدسولفوریک، مقدار اسید اکسالیک و زمان بیشترین اثر را بر بازیابی آهن در این نمونه کانسنگ دارند. با 6/30 گرم بر لیتر اسید اکسالیک، 54/0 مولار اسید سولفوریک در دمای 85 درجه سانتیگراد و زمان 105 دقیقه، 4/98 درصد منگنز از کانسنگ منگنز معدن Joda بازیابی میشود[17]. در مطالعهی دیگری که بر روی نمونهی کانسنگ منگنز سبزوار در ایران، صورت گرفته از روش سطح-پاسخ با نرمافزار DX7 استفاده شده است. مانند تحقیق قبل، در این تحقیق پارامترهای متغیر مقدار اسیداکسالیک، مقدار اسیدسولفوریک، زمان و دما در نظر گرفته شده است. بر اساس این آزمایشها و مطابق نمودارهای شکل 2-5، مقدار اسیدسولفوریک بیشترین اثر را بر روی بازیابی منگنز دارد.

شکل2- 5- اندرکنش متغیرها بر بازیابی منگنز[20]
در این مطالعه، علاوه بر تعیین اثرگذاری پارامترهای مهم بر بازیابی منگنز، بهینهسازی پارامترها و یافتن بهترین حالت بر اساس بیشترین بازیابی منگنز، کمترین بازیابی آهن و مواد مصرفی در محدودهی مشخص شده، انجام گرفته است. طبق نتایج به دست آمده، حالت اپتیمم با مقدار 7درصد اسید سولفوریک،92/42 گرم بر لیتر اسید اکسالیک در 63درجه سانتیگراد و زمان 65 دقیقه، با بازیابی منگنز 4/93 درصد، بازیابی آهن 81/15 درصد در نظر گرفته شده است[20].
یک بررسی مقایسهای بین دو کاهندهی ارگانیک، اسید اکسالیک و اسید سیتریک بر روی نمونه کانسنگ منگنز در هند انجام گرفته است. این آزمایشها با پالپ 2درصد، به مدت 6 روز به طول انجامید که در هر 3 روز، توسط تیتراسیون با اتیلن دیامین تترا استیک اسید 01/0 مولار درصد بازیابی منگنز مشخص شده است. غلظت دو کاهنده از 1 مولار تا 2 مولار متغیر بوده است. بر اساس نتایج به دست آمده از این تحقیق، در غلظت 2 مولار از اسید اکسالیک، بازیابی منگنز بعد از 6 روز ، به 66 درصد رسیده که با کاهش غلظت اسید اکسالیک تا 1 مولار بازیابی منگنز به 15درصد کاهش مییابد. همچنین، در غلظت 2 مولار از اسید سیتریک، بازیابی منگنز بعد از 6 روز، به 40 درصد رسیده که در این مورد نیز با کاهش غلظت اسید سیتریک تا 1 مولار بازیابی منگنز به 7 درصد کاهش مییابد.

شکل2- 6- تاثیر غلظتهای مختلف اسید سیتریک[21] شکل2- 7- تاثیر غلظتهای مختلف اسید اکسالیک[21]
اسید اکسالیک با فراهم کردن یون H+ و از طریق تشکیل کمپلکس اکسالات با منگنز، منگنز را به راحتی از کانه لیچ میدهد. اما اسید سیتریک قادر به تشکیل کمپلکس با منگنز نیست. با توجه به نتایج و نمودارهای شکل 2-6 و شکل 2-7 به همین دلیل اسید اکسالیک پتانسیل و ظرفیت بیشتری نسبت به اسیدسیتریک، برای لیچنگ کاهشی کانسنگهای منگنز را دارا میباشد[21].
تحقیقی دربارهی لیچینگ کانسنگ منگنز- نقره در چین انجام شده است؛ که برای جداسازی نقره از این کانسنگ، لیچینگ کاهشی صوررت گرفته است. ابتدا توسط روشهای فیزیکی(روش مغناطیسی و فلوتاسیون) جداسازی اولیه انجام شده، سپس کنسانترههای این دو مرحله با هم مخلوط شده و برای لیچینگ با اسید سولفوریک و مادهی سلولزی به عنوان کاهنده استفاده میشود. این مادهی سلولزی، CMK نام دارد که در محلول لیچینگ با اسید سولفوریک، پلی ساکارید تشکیل میدهد[22]:
n(C6H10O5) + n H2SO4 = n(C6H11O5)HSO4
n(C6H11O5)HSO4 + nH2O = n(C6H12O6) + nH2SO4
پلی ساکارید که از واکنش بالا تشکیل شده، میتواند با منگنز دیاکسید واکنش داده و منگنز دیاکسید به Mn2+ اکسایش مییابد:
MnO2 + n(C6H10O6) + H2SO4 = MnSO4 + CO2 + H2O
طی این آزمایشها اندازه ذرات مادهی CMK بررسی شده که با کاهش ابعاد این ذارت تا 1/0 میلیمتر نرخ لیچینگ منگنز به بیشتر از 90 درصد میرسد. همچنین برای تعیین میزان اثرگذاری CMK در لیچینگ، مقایسه ای با اسیداکسالیک صورت گرفته است.

شکل2- 8- تاثیر مقدار کاهنده بر نرخ لیچینگ منگنز[22]
بر اساس نتایج و نمودار شکل 2-8، با افزایش مقدار CMK تا حدود 2/1 بیشتر نسبت به حالت تئوری، نرخ لیچینگ منگنز تا 94 درصد افزایش مییابد[22].
برای بازیافت باتریهای مصرف شدهی کربن- روی و همچنین باتریهای قلیایی تنها از روش تجمع و دفن در محل زبالهها استفاده میشود. اما این روش با محدودیت محل ذخیره و پیامدهای خطرناک همراه است. از روشهای تشویه برای بازیافت و استخراج روی و منگنز از این نوع باتریها میتوان استفاده کرد. با این حال، انتشار گازهای ناشی از سوزاندن در حرارت بالا (600 درجه سانتیگراد) و تقاضای انرژی بالا از اشکالات بزرگ روش تشویه است. از سوی دیگر، فرآیندهای هیدرومتالورژی مزایای اصلی دارند که شامل عملکرد نسبتا ساده، تقاضای کم انرژی و انتشار نشدن گاز در هوا هستند. در یک تحقیق در کشور ترکیه، که بر روی این نوع باتریها انجام شده است، در دو محیط اسیدی، اسیدسولفوریک و اسید هیدروکلریک با اسید اکسالیک به عنوان کاهنده در لیچینگ باتریهای قلیایی و باتریهای کربن- روی استفاده شده است. آزمایشهای این تحقیق به روش فاکتوریل کامل 24 طراحی و انجام گرفته است. پارامترهای متغیر در این آزمایشها، درصد جامد پالپ، دما، مقدار اسید سولفوریک یا مقدار اسید هیدروکلریک، غلظت اسید اکسالیک بوده است[23].
با استفاده از اسیداکسالیک، MnO2 طبق واکنشهای زیر در دو محیط اسیدی لیچینگ میشود:
MnO2 + 2HCl + C2H2O4 = MnCl2 + 2H2O + 2CO2
MnO2 + H2SO4 + C2H2O4 = MnSO4 + 2H2O + 2CO2
در این آزمایشها علاوه بر منگنز مقدار بازیابی روی نیز مدنظر بوده است. بازیابی منگنز و روی، با افزایش مقدار اضافی از اسید اکسالیک در محلولهای سولفوریک اسید و هیدروکلریک اسید کاهش مییابد. به طوریکه بازیابی منگنز به 70-80 درصد و بازیابی روی به 20-30 درصد میرسد، که این نتیجه به دلیل رسوب رویاکسالات و منگنزاکسالات در محلول لیچینگ است. اما این تفاوت به متفاوت بودن میزان حلالیت این دو اکسالات در محلول مربوط میشود. بنابراین، میزان انحلال منگنز اکسالات نسبت به رویاکسالات بیشتر است. نتایج حاصل نشان داده است که گرچه نوع اسید مورد استفاده در لیچینگ بر روی بازیابی منگنز تاثیر چندانی ندارد، نوع کاهنده به شدت بر لیچینگ منگنز اثرگذار است[23].
مقایسهی اسیداکسالیک، اسیدسیتریک و اسیدآسکوربیک در یک تحقیق بر روی باتریهای کربن-روی و باتریهای قلیایی انجام شده است. در این تحقیق برای انجام آزمایشها از روش فاکتوریل کامل 24 و همچنین از اسیدسولفوریک و اسیدهیدروکلریک و کاهندههای ارگانیک (اسید سیتریک، اسید آسکوربیک و اسید اکسالیک) استفاده شده است. پارامترهای مورد بررسی، درصد جامد پالپ، مقدار اسید سولفوریک و اسید هیدروکلریک، مقدار کاهندهها (اسید اکسالیک، اسید سیتریک و اسید آسکوربیک) و دما بودهاند. اسید اکسالیک بر خلاف اسید سیتریک و اسید آسکوربیک؛ به دلیل تشکیل کمپلکس با روی (رویاکسالات) و رسوب این کمپلکس، بازیابی روی را کاهش میدهد اما منگنز بازیابی بالایی دارد. از سوی دیگر، با استفاده از اسید سیتریک و اسید آسکوربیک به عنوان کاهنده، میتوان به بازیابی 98 تا 100 درصد برای منگنز دست یافت. زمان انجام همهی آزمایشها 3 ساعت بوده است. بازیابی منگنز با افزایش دما از 30 درجه سانتیگراد تا 90 درجه سانتیگراد، افزایش یافته است. استفاده از اسید سیتریک و اسید آسکوربیک به عنوان کاهنده در هر دو محیط اسیدی (اسیدسولفوریک و اسید هیدروکلریک) برای استخراج همزمان منگنز و روی از باتریهای قلیایی موثر بوده است. بر اساس نتایج بدست آمده، اگرچه اسیدسولفوریک بر بازیابی روی نسبتا تاثیر داشته اما اسید هیدروکلریک در بازیابی منگنز قویتر (12درصد بیشتر از اسیدسولفوریک) عمل کردهاست[24].

user3-2095

لذا با این مقدمه 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 روشهای 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 هسته‌ایواکنش‌های هسته‌ای 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.
شکافت هسته‌ایدر واکنش شکافت، 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 تشکیل می‌شود که تقریبا بلافاصله می‌شکافد و کریپتون 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 که مورد استفاده قرار گرفته است اینک این نیرو همان اندازه از برق جهان را تامین می‌کند که 40 سال پیش بوسیله تمام منابع انرژی تأمین می‌شد شکافت هسته‌ای مزایای بسیاری نسبت به سوخت‌های فسیلی دارد اما مسئله‌ی پسماندهای آن که حاوی مواد پرتوزا با طول عمر طولانی هستند از جمله مهم‌ترین مسائل خاص در مورد استفاده از شکافت هسته‌ای می‌باشد. از سوی دیگر ذخایر اورانیوم جهان برای استفاده در راکتورهای شکافت تنها در یک سده کفایت می‌کنند.
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 ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Krane</Author><Year>1996</Year><RecNum>5</RecNum><DisplayText>[5]</DisplayText><record><rec-number>5</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423060620">5</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Krane, K.S.; </author></authors></contributors><titles><secondary-title>Modern Physics. published by Wiley</secondary-title></titles><periodical><full-title>Modern Physics. published by Wiley</full-title></periodical><dates><year>1996</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[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 فرآیند 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.
همجوشی هسته‌ایواکنش‌های همجوشی هسته‌ای از نوع واکنش‌هایی است که در خورشید و ستارگان صورت می‌گیرد. این واکنش عبارت است از ترکیب (برخورد) هستههای چهار اتم هیدروژن معمولی (شکل 1-1) که ضمن آزاد سازی مقدار زیادی انرژی ناشی از تبدیل جرم به انرژی است (E=mc2)، یک هسته‌ی هلیوم در دماهای بسیار بالای مرکز خورشید و ستارگان تولید می‌گردد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Wilhelemsson</Author><Year>2004</Year><RecNum>6</RecNum><DisplayText>[6]</DisplayText><record><rec-number>6</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423060659">6</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Wilhelemsson, H.;</author></authors></contributors><titles><title>Fusion and the cosmos</title><secondary-title>Condensed Matter Physics</secondary-title></titles><periodical><full-title>Condensed Matter Physics</full-title></periodical><dates><year>2004</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[6].
در کره‌ی زمین، این انرژی را می‌توان به سه روش محصور سازی مغناطیسی، محصورسازی اینرسی یا لختی و محصور سازی از طریق کاتالیزور میون، تولید کرد؛ که البته همه در مرحله‌ی آزمایش قرار دارند. همجوشی هسته‌ای به دلیل پرتوزایی کمتر و ایمنی بیشتر و فراوانی بیشتر سوخت اولیه برای انجام واکنش‌ها نسبت یه شکافت مورد توجه بیشتری قرار گرفته است. برای تولید انرژی در مقیاس بزرگ، به تعداد زیادی از واکنش‌هایی که با هم رخ دهند، نیاز است. دافعه‏ی کولنی، مانع رخ دادن همجوشی هسته‏ای می‏گردد. برای غلبه بر این دافعه، به دما و چگالی بالایی مورد نیاز است. در نتیجه سوخت باید در حالت پلاسما باشد.در دمای به قدر کافی بالا، سرعت‏های حرارتی ذرات خیلی زیاد خواهند شد. در این صورت، ذرات این فرصت را خواهند داشت که به اندازه‏ی کافی به هم نزدیک شده، بر دافعه‏ی کولنی چیره شوند وتوانایی پیوند داشته باشند. در طی این فرایند انرژی بسیار زیادی آزاد میگردد.
اگر چگالی پلاسما بیشتر از ١٠20 یون در هر سانتی‌متر مکعب باشد، آن گاه زمان محصورسازی می‌تواند کوتاهتر باشد. اگر پلاسما خیلی فشرده شود، زمان محصورسازی، بی نهایت کوتاه و انرژی آزاد شده، فوقالعاده شدید است. در این صورت با یک بمب سر و کار خواهیم داشت نه یک راکتور کنترل شده. بههمین دلیل، با وجود آن که وظیفه محصورسازی مشکل میگردد، چگالی پلاسما در حداقل نگه داشته می‌شود.
بطور عملی هنوز محفظهای وجود ندارد که بتواند پلاسما با دمایی در حدود چند صد میلیون درجه را محصور سازد. حتی محفظههایی که از فلزات مقاوم در دماهای بالا ساخته شده باشند، تنها در دماهای پایینتر از چند هزار درجه قابل استفاده خواهند بود. ستارگانی نظیر خورشید کره عظیم پلاسمای خود را از طریق جاذبه حفظ میکنند. پلاسما از ذرات باردار تشکیل یافته است. این ذرات نمی توانند خطوط میدان مغناطیسی را قطع کنند، اما حول این خطوط میچرخند. این نکته، خلاصهای از مبنای فکری طرح محصورسازی پلاسما توسط خطوط میدان مغناطیسی را تشکیل داده است.
در یک تعریف کلی فرایند جلوگیری از برخورد پلاسما با دیواره‌های مخزنی که در آن جای دارد، محصورسازی نامیده می‌شود و همچنین زمان تقریبی برای اینکه یون‌ها توسط میدان احاطه کننده به دام افتاده باقی بمانند، زمان محصورسازی نامیده می‌شود.

شکل 1-1- مراحل زنجیره‌ی پروتون – پروتون که در خورشید اتفاق می‌افتد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>McCollam</Author><Year>2013</Year><RecNum>7</RecNum><DisplayText>[7]</DisplayText><record><rec-number>7</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423061554">7</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>McCollam, K.; </author></authors></contributors><titles><title>Magnetic confinement in plasma physics</title><secondary-title>UW–Madison Physics Dept.</secondary-title></titles><periodical><full-title>UW–Madison Physics Dept.</full-title></periodical><dates><year>2013</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[7]
انتخاب سوخت مناسبباتوجه به فرآیندهای طبیعی و نتایج حاصل از آنها، مشخص شده است که واکنشهای همجوشی بسیاری وجود دارد. متغیرها برای واکنشهای مختلف، هستههای سوخت درگیر، محصولهای واکنش که خارج می شوند، مقدار واکنش و بستگی احتمال انجام واکنش به خواص جنبشی واکنش دهندهها، می باشند.
برهم کنش ایزوتوپهای هیدروژنی (دوتریم وهلیوم 3) یکی از واکنش‌های مورد توجه در فرآیند همجوشی میباشد. به دلیل این‌که ایزوتوپ های هیدروژن فقط یک بار الکتریکی دارند و انرژی حرارتی کمتری برای نزدیک شدن به یکدیگر نیاز دارند، به عبارت دیگر در دماهای پایین همجوشی ایزوتوپهای هیدروژن اتفاق میافتد. به علت عدد اتمی واحد ایزوتوپها، این برهم کنش هیدروژنی دارای قابلیت نفوذ بسیار بالایی در سد کولنی میباشد. برای تعیین سوخت‌های همجوشی مناسب، باید در دسترس بودن سوخت مورد نظر، شرایط نگهداری و سطح مقطع واکنش مورد نظر را در نظر گرفت. برخی از واکنش‌های گوناگون همجوشی، شامل واکنش‌های ذکر شده در جدول(1-1) می‌باشد. در بیشتر واکنش‏های همجوشی، دو هسته‏ سبک با هم ترکیب و به هسته‏‏ سنگین‏تر تبدیل می‏شوند که رابطه‏ واکنش هسته‏ای آن‏ها به صورت زیر است:

جدول1-1- برخی از واکنش‌های همجوشی ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>falzner</Author><Year>2006</Year><RecNum>1</RecNum><DisplayText>[1]</DisplayText><record><rec-number>1</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423060407">1</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>falzner, S.P.;</author></authors></contributors><titles><title>An Introduction to Interial Confinement Fusion.</title><secondary-title>New York: CRC Press</secondary-title></titles><periodical><full-title>New York: CRC Press</full-title></periodical><dates><year>2006</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[1]
سوخت واکنش همجوشی شکل اختصاری بهره انرژی بر حسب ژول
DT D+T→42He+10n T(d,n)4He 2.8×10-12
DDn D+D→32He+10n D(d,n)3He 5.24×10-13
TT T+T→42He+10n+10n T(t,2n)4He 1.81×10-12
DDp D+D→T+P D(d,P)T 6.46×10-13
D-3He D+32He→42He+P 3He(d,P)4He 2.93×10-12
P_6Li P+63Li→42He+32He 6Li(p,x)3He 6.44×10-13
P_11B P+115B→3(42He) 11B(p,2x)4He 1.39×10-12
واکنش D-T دارای بیشترین سطح مقطع میباشد، مقدار بیشینه سطح مقطع آن 5 بارن برآورد شده است ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>al.</Author><Year>2002</Year><RecNum>111</RecNum><DisplayText>[8]</DisplayText><record><rec-number>111</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="tx9da0v069srt5eteeoxtwa7fvfdz5wd09zx" timestamp="0">111</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>HarmsA. et al.</author></authors></contributors><titles><title>Principles of Fusion Energy</title><secondary-title>World Scientific Publishing Co. pte. 1td.</secondary-title></titles><dates><year>2002</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[8].
(1-1)
واکنش همجوشی قابل دسترس دیگر، در برگیرندهی هستهی دوتریم به عنوان سوخت است:
(1-2)
این نمایش نشان میدهد که واکنش D+Dاز طریق دو کانال واکنش متمایز، همجوشی میکند که تقریبا با احتمالهای برابر صورت میگیرد. سطح مقطع برای هریک از آنها حدود 100 مرتبه کوچکتر از واکنشD-T است از این دو واکنش در مییابیم که خواص واکنش D-T مطلوبتر از خواص واکنش D-D است ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Biberian</Author><Year>2009</Year><RecNum>9</RecNum><DisplayText>[9]</DisplayText><record><rec-number>9</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423061676">9</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Biberian, J.P.;</author></authors></contributors><titles><title>Experiments and Methods in Cold Fusion</title><secondary-title> Journal of Condensed Matter Nuclear Science</secondary-title></titles><volume>2</volume><dates><year>2009</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[9].
همچنین ممکن است دوتریم، با محصولهای واکنش تریتیوم و هلیوم-3 همجوشی کند که افزون بر معادله‌ی (1-1)، داریم:
(1-3)
واکنش همجوشی یاد شده، در برگیرندهی دوتریم و همچنین هستههای سبک دارای جرم بیشتری هستند. از مزایای این واکنش نسبت به D-D میتوان به سوختی رادیواکتیو نبودن و یک واکنش نوترونیک بودن اشاره کرد. به عبارت دیگر در مسیر واکنش همجوشی هیچ نوترونی تابش نمیکند، در نتیجه تابش نوترون به طور چشمگیری کاهش مییابد که میتواند به معنای یک محافظ خیلی ارزان برای راکتور استفاده شود؛ زیرا تابشهای نوترونی باعث تخریب دیواره راکتور میشوند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Brereton</Author><Year>1988</Year><RecNum>10</RecNum><DisplayText>[10]</DisplayText><record><rec-number>10</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423061736">10</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Brereton, S. J.; Kazimi, M. S.;</author></authors></contributors><titles><secondary-title> Fusion Engineering and design</secondary-title></titles><volume>30</volume><number>207</number><dates><year>1988</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[10]. قلهی آهنگ واکنش برابر با58 است. اما تولید هلیوم -3 بسیار سخت است، در حال حاضر میتوان آن را محصولی از راکتورهای شکافت دانست، زیرا تریتیوم تولید شده در راکتورهای شکافت به طور طبیعی بعد از مدتی به هلیوم 3 واپاشی میکند.
اگر این شکل ادامه یابد، برای واکنش هستهای ، تعداد زیادی کانالهای واکنش مشخص شده است:
(1-4)
واکنشهای هستهای که درگیر هستههای سبک، مانند پروتون، میباشند ممکن است مطابق فرآیندهای زیر روی دهد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Atzeni</Author><Year>2004</Year><RecNum>11</RecNum><DisplayText>[11]</DisplayText><record><rec-number>11</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423061786">11</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Atzeni, S.;</author></authors></contributors><titles><title>The Physics of Inertial Fusion</title><secondary-title> Rome: Clarendon PRESS</secondary-title></titles><dates><year>2004</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[11]:
(1-5 الف) (1-5 ب)
(1-5 ج)
و همچنین دیگر واکنشهای مبتنی بر و ، عبارتند از:
(1-6)
(1-7)
(1-8)
نمایش فیزیکی واکنشهای همجوشی، تنها بررسیهای لازم برای تعیین و گزینش آن، به عنوان سوخت راکتور همجوشی نیست بلکه بررسیهای دیگری در برگیرندهی قابل دسترس بودن سوختهای همجوشی، سختی در نگهداری و دانسیتهی میزان واکنش کافی، نیز لازم میباشد.
تاکید بر دیگر نکات واکنشهای همجوشی یاد شده، ضروری است. در هر حالت، کسرهای مختلف از مقدار واکنش، در شکل انرژی جنبشی ذرات باردار و نوترونهای خنثی باقی میماند، در نتیجه ایدهی یک راکتور همجوشی پایه گذاری شده با بازده بالا؛ تبدیل مستقیم انرژی ذرات باردار، به ویژه برای واکنشهایی که کسر بزرگتری از مقدار آنها در شکل انرژی جنبشی باردار باقی میماند، مناسب به نظر میرسد. این نکته به طور ویژهای مورد توجه است؛ چرا که نوترونهایی که به عنوان محصول واکنش همجوشی پدیدار میشوند، به گونهی تغییر ناپذیری به محصولات رادیو اکتیو در مواد مهارکننده قلب همجوشی کمک میکنند.
کمیتی مهم در ارتباط با واکنش‌های هسته‌ای، سطح مقطع واکنش است که به صورت احتمال برهم‌کنش هر جفت از ذرات، تعریف می‌شود. برای وقوع واکنش همجوشی، دو هسته‏ی باردار مثبت باید با غلبه بر نیروی دافعه‏ی کولنی، با هم برخورد کنند. تابع پتانسیل دافعه‏ی کولنی به صورت زیر است:

که Z1 , Z2، عدد اتمی هسته‌های برهم‌کنش کننده می‌باشد.
نیروی دافعه‏ی کولنی در فاصله‏ بیشتر از مجموع شعاع دو هسته برقرار است. شعاع دو هسته از رابطه‏ زیر بدست می‏آید:

که A1,A2 اعداد جرمیِ هسته‌های برهم‌کنش‏ کننده هستند.
شکل1-2 نشاندهنده انرژی پتانسیل برحسب فاصله‏ دو هسته‏ باردار می‌باشد که با انرژی مرکز جرم به هم نزدیک می‏شوند و نشان‏دهنده‏ چاه هسته‏ای، سد کولنی و نقطه‏ی بازگشتی کلاسیکی است.

شکل 1-2- انرژی پتانسیل بر حسب فاصله‏ی دو هسته‏ی باردار که با انرژی مرکز جرم به هم نزدیک می‏شوند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Atzeni</Author><Year>2004</Year><RecNum>11</RecNum><DisplayText>[11]</DisplayText><record><rec-number>11</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423061786">11</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Atzeni, S.;</author></authors></contributors><titles><title>The Physics of Inertial Fusion</title><secondary-title> Rome: Clarendon PRESS</secondary-title></titles><dates><year>2004</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[11].در فاصله‏ی r <rn، دو هسته تحت تأثیر نیروی جاذبه‏ی هسته‏ای قرار می‏گیرند که با چاه پتانسیل به عمق، مشخص می‌شود. با استفاده از معادلات می‏توان ارتفاع سد پتانسیل را پیدا کرد:

بر طبق مکانیک کلاسیک، فقط هسته‌هایی با انرژی بیشتر از این مقدار می‏توانند بر سد کولنی غلبه کرده و با هم برخورد کنند و هسته‌هایی با انرژی نسبی () کمتر از، می‏‏توانند تا نقطه‏ی بازگشت کلاسیکی به هم نزدیک شوند. ولی در مکانیک کوانتومی، واکنش همجوشی بین دو هسته با انرژی کمتر از سد کولنی، نیز ممکن است؛ چون تونل‏زنی از سد کولنی مجاز است. پارامترهای دخیل در برهم‌کنش بین پرتابه و هدف، سطح مقطع واکنش و واکنش‏پذیری هستند.
ایده‌های راکتور همجوشیانواع روشهای محصورسازی مورد استفاده در راکتورهای همجوشی هسته‌ای، همجوشی از طریق محصورسازی اینرسی، همجوشی از طریق کاتالیزور میون و محصورسازی از طریق محبوس کردن مغناطیسی می‏باشند که هدف هر سه روش، برآورده ساختن معیار لاوسون می‌باشد. محصورسازی لختی، فرایند نگهداری پلاسما را در چگالی‏های بالا و در زمان کوتاه انجام می‏دهد و محصورسازی مغناطیسی، پلاسما را در چگالی‏های پایین، در زمان نسبتاً طولانی محصور می‏سازد و روش کاتالیز میون در دماهای معمولی رخ می‌دهد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Jones</Author><Year>1986</Year><RecNum>16</RecNum><DisplayText>[12]</DisplayText><record><rec-number>16</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062363">16</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Jones, S.E.;</author></authors></contributors><titles><title> Muon-Catalysed Fusion Revisited</title><secondary-title>Nature</secondary-title></titles><periodical><full-title>Nature</full-title></periodical><pages>127-133</pages><volume>321</volume><number>6066</number><dates><year>1986</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[12].
1-5-1- همجوشی هستهای کنترل شده توسط لختی(ICF)زمان محصورسازی در محصورسازی لختی خیلی کوتاه است. در نتیجه برای داشتن نرخ واکنش همجوشی بیشتر، نیازمند چگالی بالای پلاسما هستیم. در این روش، سوخت با استفاده از نیروهای قوی بیرونی، باید تا 1000 برابر چگال‌تر از حالت جامد فشرده شود.
کپسول با استفاده از پرتوهای محرک که از اطراف سطح خارجی آن تابیده می‌شود، متراکم می‌گردد. در محصورسازی به روش لختی، از روش‌های مختلفی برای تراکم کپسول استفاده می‌شود. در هر کدام از این روش‌ها سعی بر آن است که نسبت انرژی خروجی به انرژی ورودی را بالا ببرند. نوع پرتوهای محرک که برای تراکم کپسول استفاده می‌شود، عامل اصلی بالا و پایین بردن بهره انرژی در ICF می‌باشد. از پرتوهای لیزرهای پر توان پالسی، باریکه‌هایی از ذرات باردار نظیر یون‌های سنگین، یون‌های سبک و باریکه‌های الکترونی برای متراکم نمودن کپسول‌ها می‌توان استفاده کرد. این پرتوهای محرک که بصورت پالس‌هایی با توانW‌ 1014 تهیه می‌شود، دارای بهره انتقال انرژی متفاوتی به کپسول هستند. پرتوهای لیزری و باریکه‌های یون سنگین نسبت به سایر پرتوهای محرک به علت بهره بالاتر جذب انرژی در کپسول‌ها مورد توجه بیشتری قرار گرفتند. در طراحی کپسول‌های سوخت هر دو روش پرتوهای محرک لیزری و باریکه‌های یون سنگین مورد بررسی قرار گرفته است ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Nakai</Author><Year>1990</Year><RecNum>13</RecNum><DisplayText>[13, 14]</DisplayText><record><rec-number>13</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423061968">13</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Nakai, S.; et al.; </author></authors></contributors><titles><title>Inertial Confinement</title><secondary-title>Nuclear Fusion</secondary-title></titles><periodical><full-title>Nuclear Fusion</full-title></periodical><pages>1779-1797</pages><volume>30</volume><number>9</number><dates><year>1990</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Blanc</Author><Year>2010</Year><RecNum>15</RecNum><record><rec-number>15</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062093">15</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Blanc, X.; Despres, B.;</author></authors></contributors><titles><title>Numerical Methods for inertial confinement fusion</title><secondary-title>Laboratoire Jacques-Louis Lions</secondary-title></titles><periodical><full-title>laboratoire Jacques-Louis Lions</full-title></periodical><dates><year>2010</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[13, 14].
انتخاب پرتوهای یون سنگین به علت قابلیت بالای انتقال انرژی به کپسول، بالای 25 درصد در مقایسه با باریکه‌های لیزری با بهره‌ی انرژی کمتر از 10 درصد روشی موثر به ‌شمار می‌رود که به خاطر ناپایداری‌هایی که در اثر نایکنواختی و ناهمزمانی باریکههای یونی اتفاق می‌افتد، اخیرا بصورت غیر مستقیم مورد استفاده قرار می‌گیرد. نور لیزر، ساده‌ترین و کم هزینه‌ترین روشی است که طراحان از آن برای تراکم کپسول استفاده می کنند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Blanc</Author><Year>2010</Year><RecNum>15</RecNum><DisplayText>[13, 14]</DisplayText><record><rec-number>15</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062093">15</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Blanc, X.; Despres, B.;</author></authors></contributors><titles><title>Numerical Methods for inertial confinement fusion</title><secondary-title>Laboratoire Jacques-Louis Lions</secondary-title></titles><periodical><full-title>laboratoire Jacques-Louis Lions</full-title></periodical><dates><year>2010</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Nakai</Author><Year>1990</Year><RecNum>13</RecNum><record><rec-number>13</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423061968">13</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Nakai, S.; et al.; </author></authors></contributors><titles><title>Inertial Confinement</title><secondary-title>Nuclear Fusion</secondary-title></titles><periodical><full-title>Nuclear Fusion</full-title></periodical><pages>1779-1797</pages><volume>30</volume><number>9</number><dates><year>1990</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[13, 14].

شکل 1-3- نمایی از کپسول هدف ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>falzner</Author><Year>2006</Year><RecNum>1</RecNum><DisplayText>[1]</DisplayText><record><rec-number>1</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423060407">1</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>falzner, S.P.;</author></authors></contributors><titles><title>An Introduction to Interial Confinement Fusion.</title><secondary-title>New York: CRC Press</secondary-title></titles><periodical><full-title>New York: CRC Press</full-title></periodical><dates><year>2006</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[1]
کپسول هدف در این روش، قرص کوچکی با شعاع کمتر از ، حاوی یک لایه‏ی کروی است که بطور مثال با گاز دوتریوم– تریتیوم بصورت متقارن و یکنواخت بصورت شکل 1-3 پر شده است. این لایه، حاوی یک ماده با Z بالا در ناحیه‏ی خارج و DT در داخل است که توده‏ی سوخت را تشکیل می‏دهد.
برای رسیدن به شرایط دما و چگالی بالای مورد نیاز برای همجوشی، باید این کپسول تا جایی که ممکن است به طور متقارن و با انرژی انفجاری خیلی زیادی تابش ببیند. انرژی مورد نیاز، برای راه‏اندازی این فرایند بسیار زیاد است. برای گرمایش یک کپسول سوخت با قطر ، تا دمای، به اندازه‏ی انرژی مورد نیاز است که این انرژی می‌تواند با نور شدید لیزر یا توسط پرتوهای یونی تامین شود. این مقدار انرژی باید در چند پیکوثانیه به قسمت خارجی لایه‏ی هدف منتقل شود. به دلیل انفجار انرژی روی قسمت خارجی لایه‏ی هدف، این لایه‏ گرم شده بلافاصله یونیزه و تبخیر می‌شود. این فرایند کندگی نام دارد. وقتی این قسمت کنده می‌شود، قسمت داخلی و سوخت به دلیل بقای اندازه‏ حرکت، به سمت داخل رانده می‌شود (شکل1-4). در حین این رانش، چگالی سوخت تا چند صد گرم بر سانتیمتر مکعب و دمای سوخت تا حد دمای احتراق برای همجوشی افزایش می‌یابند. در نتیجه، احتراق رخ می‏دهد و فشاری به سمت خارج ایجاد می‌شود که بر موج انفجار به داخل غلبه کرده و منجر به انفجاری به خارج می‌شود. بدین ترتیب چگالی و دمای مورد نظر بدست می‏آیند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Blanc</Author><Year>2010</Year><RecNum>15</RecNum><DisplayText>[14]</DisplayText><record><rec-number>15</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062093">15</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Blanc, X.; Despres, B.;</author></authors></contributors><titles><title>Numerical Methods for inertial confinement fusion</title><secondary-title>Laboratoire Jacques-Louis Lions</secondary-title></titles><periodical><full-title>laboratoire Jacques-Louis Lions</full-title></periodical><dates><year>2010</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[14].

شکل 1-4- مراحل همجوشی به روش محصورسازی لختی ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Blanc</Author><Year>2010</Year><RecNum>15</RecNum><DisplayText>[14]</DisplayText><record><rec-number>15</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062093">15</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Blanc, X.; Despres, B.;</author></authors></contributors><titles><title>Numerical Methods for inertial confinement fusion</title><secondary-title>Laboratoire Jacques-Louis Lions</secondary-title></titles><periodical><full-title>laboratoire Jacques-Louis Lions</full-title></periodical><dates><year>2010</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[14]
1-5-2- همجوشی هستهای توسط کاتالیزور میون(µCF)
روش دیگری برای رسیدن به انرژی همجوشی هسته‌ای در سال 1957 مطرح شد، که تحت عنوان همجوشی از طریق کاتالیزر میون معروف است و یک فرآیند همجوشی گسترده و تجدید پذیر است که در دماهای معمولی رخ می‌دهد. همانطور که گفته شد یکی از مهم‌ترین مسایل در فرآیند همجوشی، غلبه بر نیروی دافعه‌ی کلونی و ایجاد شرایطی که یون‌ها در محدوده‌ی نیروهای جاذبه‌ی نیرومند هسته‌ای قرار گیرند، می‌باشد. پیدایش میون در مدار اتم هیدروژن، اثر کاهش دافعه‌ی نیروی کلونی دارد. میون ذره‌ای بنیادی است که خواص آن مانند الکترون است، با این تفاوت که جرم میون تقریبا 207 برابر جرم الکترون است و ذره‌ای ناپایدار با زمان عمر µS2/2 می‌باشد. پس از گذشت این زمان میون به یک الکترون e- و یک نوترینوی میونی و به یک پادنوترینوی الکترونی واپاشی می‌کند. بصورت دقیق در اوایل 1980مورد مطالعه قرار گرفت ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Jones</Author><Year>1986</Year><RecNum>16</RecNum><DisplayText>[12]</DisplayText><record><rec-number>16</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062363">16</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Jones, S.E.;</author></authors></contributors><titles><title> Muon-Catalysed Fusion Revisited</title><secondary-title>Nature</secondary-title></titles><periodical><full-title>Nature</full-title></periodical><pages>127-133</pages><volume>321</volume><number>6066</number><dates><year>1986</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[12].
جرم زیاد میون نسبت به الکترون، به آن اجازه می‌دهد که وارد مدار اتم هیدروژن با شعاع بوهر، 207 مرتبه کوچکتر از شعاع الکترون شود و این باعث می‌شود که این اتم هیدروژن نسبت به دیگر اتم‌ها یا یون‌های هیدروژن، سنگین‌تر است. بنابر این، این هسته‌ی سنگین به دلیل کاهش نیروی دافعه‌ی کلونی می‌تواند با صرف انرژی کمتری به اتم‌ها و یون‌های دیگر هیدروژن، بسیار نزدیک شود و هنگامیکه هیدروژن میون‌دار و هیدروژن معمولی به اندازه‌ای به هم نزدیک شوند که تغییرات توزیع بار را احساس کنند، به حدی رسیده‌اند که نیروهای جاذبه‌ی هسته‌ای بین آن‌ها ایجاد شده است و پدیده همجوشی را بوجود می‌آورد بنابر این یکی از روش‌های ایجاد همجوشی در دمای پایین استفاده از کاتالیزور میون است.
میون اولین بار توسط اندرسون وندرمییر در سال ١٩٣٧ کشف شد. از طرف دیگر هنگامی که پاول ذره پایون را در سال ١٩۴٧ کشف کرد، فرانک پیشنهاد کرد که پایون‌های منفی می‌توانند به کمک محصور سازی شیمیایی، واکنشهای همجوشی را کاتالیز نمایند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Frank</Author><Year>1947</Year><RecNum>17</RecNum><DisplayText>[15]</DisplayText><record><rec-number>17</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062414">17</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Frank, F.;</author></authors></contributors><titles><secondary-title> Nature</secondary-title></titles><volume>160</volume><number>525</number><dates><year>1947</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[15]:
pπ + d → pdπ→3He + π(1-9)
با وجود اینکه، احتمال جذب پایون توسط هسته بسیار بزرگ است، اما پایون زمان کافی برای تشکیل pdπ را نخواهد داشت. یک سال بعد، ساخارف پیشنهاد همجوشی کاتالیزور میونی را مطرح کرد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Sakharov</Author><Year>1948</Year><RecNum>18</RecNum><DisplayText>[16]</DisplayText><record><rec-number>18</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062457">18</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Sakharov, A.;</author></authors></contributors><titles><secondary-title>Lebedev Physics Institute Report</secondary-title></titles><periodical><full-title>Lebedev Physics Institute Report</full-title></periodical><dates><year>1948</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[16].
به دلیل اینکه تشکیل مولکول‌های میون‌دار در اثر فرایندهای برخوردی چند مرحله‌ای صورت می‌گیرد، بازده همجوشی کاتالیزور میونی، به شرایط ماکروسکوپی از قبیل دما، چگالی محیط و کسر غلظت‌های هیدروژن مایع و ضریب چسبندگی میونی وابسته است و می‌تواند به کمک تئوری سینتیکی که اساس آن آهنگ‌های برخوردی میکروسکوپی و سطح مقطع‌ها می‌باشد بهینه گردد. در سال‌های اخیر برای افزایش چرخه میونی، مخلوط سه تایی H/D/T پیشنهاد شده، که گزارشات و مقالات متناقضی در مورد افزایش یا کاهش ضریب تکثیر میونی گزارش شده است ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Eskandari</Author><Year>1998</Year><RecNum>19</RecNum><DisplayText>[17-19]</DisplayText><record><rec-number>19</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062505">19</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Eskandari, M. R.; and Deilami S.;</author></authors></contributors><titles><title>Stability studies of D/T/H sys-- using Hurwitz method</title><secondary-title>IPAC, Kerman</secondary-title></titles><periodical><full-title>IPAC, Kerman</full-title></periodical><dates><year>1998</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Markushin</Author><Year>1991</Year><RecNum>20</RecNum><record><rec-number>20</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062559">20</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Markushin, V. E.; et al.;</author></authors></contributors><titles><title> Kinetics of muon catalyzed fusion in the triple H2-D2-T2 mixture atlow deuterium and tritium concentrations</title><secondary-title> Technical Report PSI-PR-41-92, Preprint from Paul Scherrer Institute, Villigen</secondary-title></titles><dates><year>1991</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Eskandari</Author><Year>1999</Year><RecNum>22</RecNum><record><rec-number>22</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062767">22</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Eskandari, M. R.; et al.;</author></authors></contributors><titles><secondary-title> Journal of Nuclear Science</secondary-title></titles><volume>36</volume><number>1</number><dates><year>1999</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[17-19].
1-5-3- محصورسازی مغناطیسی (MCF) در محصورسازی مغناطیسی از میدان‌های مغناطیسی و الکترونیکی برای گرما دادن و فشردن پلاسمای هیدروژن در راکتور ITER استفاده میشود ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite ExcludeYear="1"><Author>Wagner</Author><RecNum>23</RecNum><DisplayText>[20]</DisplayText><record><rec-number>23</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062841">23</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Wagner, F.;</author></authors></contributors><titles><title> ThePhysics Basis of ITER Confinement</title><secondary-title>Max-Planck-Institut für Plasmaphysik EURATOM Association</secondary-title></titles><periodical><full-title>Max-Planck-Institut für Plasmaphysik EURATOM Association</full-title></periodical><dates><year>2009</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[20].
راکتورهای همجوشی هستهای که در آنها پلاسما به روش مغناطیسی محصورشده است براین اساس که میدان مغناطیسی تمام یا قسمتی از سطح پلاسما را بپوشاند، به دو گروه زیر تقسیم شدهاند:
چنبرهای
انتها باز
از معروفترین ماشین‌های پینچ می‌توان از تتا پینچ و Z پینچ نام برد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Polsgrove</Author><Year>2011</Year><RecNum>24</RecNum><DisplayText>[21]</DisplayText><record><rec-number>24</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062899">24</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Polsgrove, T.; Robert, S.F.; Adams ,B;</author></authors></contributors><titles><title>Design of Z-pinch and Dense Plasma Focus Powered Vehicles</title><secondary-title>49th AIAA Aerospace Sciences Meeting including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition</secondary-title></titles><periodical><full-title>49th AIAA Aerospace Sciences Meeting including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition</full-title></periodical><dates><year>2011</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[21]. این سیستم‌ها آرایش استوانه‌ای دارند. در تتا پینچ جریانی از یک سیم‌پیچ استوانه‌ای پلاسما را دور می‌زند، و میدان حاصل از آن منجر به محصورسازی آن می‌شود. در Z پینچ توسط الکترودهایی که در قاعده‌ها قرار دارد جریانی در جهت محوری تولید می‌شود میدان ناشی از آن، پلاسما را گرم و متراکم می‌کند.
پینچ معکوس نوعی پینچ است که در آن جریانی در خلاف جهت جریان پلاسما اعمال می‌شود. در این دستگاه برهم‌کنش میدان قطبی ناشی از جریان رسانای داخلی، با جریان پلاسما منجر به حرکت پلاسما به سمت خارج می‌شود. در این دستگاه از دو استوانه هم محور به عنوان الکترود استفاده می‌شود. با تخلیه‌ی شعاعی میان دو الکترود میدان مغناطیسی قطبی القا می‌شود که پلاسما را گرم و متراکم می‌کند.
در سیستم‌های آینه‌ای پلاسما، از یک سیم‌پیچ ین-یانگ استفاده می‌شود پلاسما در این آرایش در ناحیه‌ای که از حداقل میدان مغناطیسی برخوردار است، محصور می‌شود. این نوع دستگاه‌ها عملکرد پایا دارند اما در آنها پلاسما از انتهای باز میدان خارج و تلف می‌شود، بنابراین باید از روش‌های کنترل انرژی خروجی استفاده کرد.
از جمله آزمایش‌های آینه‌ای در جهان عبارتند از: GDT و GoL-3-II در روسیه، Qt-UP و Gamma-10 در ژاپن. در حال حاضر با توجه به نتایج عملی و تجربی به دست آمده بیشتر آزمایش‌های مغناطیسی بر توکامک متمرکز شده‌اند. در شکل 1-5 یک راکتور از نوع آینه‌ای نشان داده شده است.

شکل1-5- راکتور آینهای ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Stacy</Author><Year>2010</Year><RecNum>25</RecNum><DisplayText>[22]</DisplayText><record><rec-number>25</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063009">25</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Stacy, M. Stacey;</author></authors></contributors><titles><title>Fusion An Introduction to tHe physics and technology of magnetic confinement fusion</title><secondary-title>Second, completely Revsed and enlarged Edition</secondary-title></titles><periodical><full-title>Second, completely Revsed and enlarged Edition</full-title></periodical><dates><year>2010</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[22]
همچنین بنابر نوع عملکرد راکتورها، آنها را میتوان به انواع زیر نیز تقسیم بندی کرد (از مهمترین آنها می‎توان به دستگاههای چنبره‎ای مانند توکامک، استلاراتور، چنبره برآمده ، اسفرومک، اسفراتور، تورساترون و دستگاههای انتها بازی چون آینه‎های مغناطیسی، پینچها و پلاسمای کانونی اشاره کرد.):
پایا: در این نوع راکتور واکنش‌های همجوشی به صورت مداوم انجام میگیرند.
تپی: این راکتور به طور مرتب قطع و وصل میگردد. زمان همجوشی تقریبا با زمان محصور بودن پلاسما برابر است.
شبه پایا: در مقایسه با انواع نامبرده، یک راکتور متوسط محسوب میگردد . زمان همجوشی آن اندکی بیشتر از زمان محصور شدن پلاسما است. اما در هر حال زمان محدودی است. (توکامک نمونهای از این نوع راکتور است.)
طبقه بندی انواع راکتور ها برحسب روش محصور کردن پلاسمادر دستگاه چنبره‎ای، پلاسما توسط میدان‌ مغناطیسی محصور می‎گردد. میدان اصلی در توکامک میدان چنبره‎ای است که بطور نمادین در شکل(1-6) نشان داده شده است. در جدول (1-2) نیز خلاصهای از انواع راکتورها برحسب روش محصور کردن پلاسما و نوع عملکرد آنها آورده شده است.


جدول1-2- انواع راکتورها برحسب روش محصور کردن پلاسماآرایش میدان مغناطیسی دستگاه نوع عملکرد
چنبره ای توکامک شبه پایا
تنگش میدان وارونه شبه پایا
استلاراتور پایا
هلیوترون پایا
تنگش چنبره ای تپی
انتها باز آیینه ای پایا
تنگش مستقیم تپی
پلاسمای کانونی تپی
شکل 1-6- نمایی از دستگاه چنبرهای پلاسما ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Glasstone</Author><Year>1980</Year><RecNum>27</RecNum><DisplayText>[23, 24]</DisplayText><record><rec-number>27</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063252">27</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Glasstone, S.;</author></authors></contributors><titles><title>Fusion Energy</title><secondary-title>U.S. Department of Energy, Technical Information Center</secondary-title></titles><periodical><full-title>U.S. Department of Energy, Technical Information Center</full-title></periodical><dates><year>1980</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Emrich</Author><Year>2001</Year><RecNum>26</RecNum><record><rec-number>26</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063119">26</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Emrich, W. J.;</author></authors></contributors><titles><title>Field-Reversed Magnetic Mirrors for Confinement of Plasmas</title><secondary-title>NASA Tech Briefs</secondary-title></titles><periodical><full-title>NASA Tech Briefs</full-title></periodical><dates><year>2001</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[23, 24]
1-6-1- راکتور توکامکتوکاماک یکی از انواع رآکتورهای همجوشی هستهای است که عمل محصورسازی را به خوبی انجام میدهد. طرح توکاماک در دهه پنجاه میلادی توسط روس‌ها پیشنهاد شد. کلمه توکاماک از کلمات "toroidalnaya", "kamera", and "magnitnaya" به معنی " اتاقک مغناطیسی چنبره‌ای" گرفته شده است. این سیستمها حاوی پلاسمای سوخت هستند که توسط دو سری میدان مغناطیسی نگهداری میشوند، و شکلی مانند چنبره تشکیل می‌دهند. ITER اسم مجموعهایست که اولین رآکتور همجوشی جهان از نوع توکاماک را ساخته است. این مجموعه متشکل از کشورهای روسیه، اروپا، ژاپن، کانادا، چین، ایالات متحده و جمهوری کره می‌باشد. آنها در این راه از فوق هادیها برای قسمتهای مغناطیسی رآکتور استفاده کرده و توان خروجی این توکاماک 410 مگا وات می‌باشد.
1-6-2- قسمتهای اصلی راکتور توکاماک ITERنمایی از راکتور توکامک ایتر در شکل(1-7) و (1-8) آورده شده است که شامل قسمتهای متفاوتی برای انجام فرایند محصورسازی پلاسما به روش مغناطیسی می‌باشد. این اجزا به همراه فرایندی که در آن انجام می‌گیرد بصورت خلاصه و در حد لزوم در زیر آمده است:
لوله خلأ: پلاسما را نگه داشته و از محفظه فعل و انفعال محافظت میکند
انژکتور پرتو خنثی(سیکلوترون یون): ذرات پرتو را از شتاب دهنده به پلاسما تزریق میکند تا به پلاسما برای رسیدن به دمای بحرانی کمک نماید.
میدان مغناطیسی مارپیچ: رفتار مغناطیسی بسیار قوی که شکل و محتوای پلاسمای استفاده شده در میدان مغناطیسی را محدود میکند.
ترانسفورماتور/ سولنوئید مرکزی: الکتریسیته را برای میدان مغناطیسی مارپیچ تامین میکند.
سیستم خنک کننده: آهنربا را خنک میکند.
سیستم عایق: ساخته شده از لیتیم است؛ گرما و انرژی بالای نوترون را از راکتور همجوشی هسته‌ای جذب میکند.
دایورتور: خروج محصولات هلیم از راکتور همجوشی

شکل 1-7- راکتور توکاماک ایتر ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Wagner</Author><Year>2012</Year><RecNum>28</RecNum><DisplayText>[25]</DisplayText><record><rec-number>28</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063339">28</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Wagner, F.;</author></authors></contributors><titles><title>Fusion Energy by Magnetic Confinement</title><secondary-title> Research Laboratory for Advanced Tokamak Physics, St. Petersburg Polytechnical State</secondary-title></titles><dates><year>2012</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[25]

شکل 1-8- سطح مقطع ایتر با پلاسمای بیضی ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite ExcludeYear="1"><Author>Wagner</Author><Year>2009</Year><RecNum>23</RecNum><DisplayText>[20]</DisplayText><record><rec-number>23</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062841">23</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Wagner, F.;</author></authors></contributors><titles><title> ThePhysics Basis of ITER Confinement</title><secondary-title>Max-Planck-Institut für Plasmaphysik EURATOM Association</secondary-title></titles><periodical><full-title>Max-Planck-Institut für Plasmaphysik EURATOM Association</full-title></periodical><dates><year>2009</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[20]
1-6-3- راکتور اسفرومکاسفرومک نوع دیگری از راکتورهای همجوشی است که بر خلاف توکامک که شکل چنبرهای دارد، بصورت کروی است. در مرکز اسفرومک هیچ مادهای وجود ندارد. اسفرومک از ترانسفورماتور (مانند آنچه که در توکامک بکار رفته) برای تولید سطوح پیچیده شار به شکل دوقطبی مورد نیاز برای محبوس سازی استفاده نمیکند بلکه پلاسمای بسیار داغ را در یک سیستم میدان مغناطیسی ساده و فشرده که فقط از یک سری ساده از کویلهای کوچک پایدار کننده استفاده می‌کند، بوجود می‌آورد. میدان‌های مغناطیسی قوی لازم درون پلاسما با چیزی که دینام مغناطیسی نامیده می‌شود تولید می‌شوند. در اسفرومک شعاع اصلی با شعاع فرعی برابر است یعنی پلاسما مطابق شکل در سیستمی کروی محصور می‎شود.
1-6-4- سایر راکتورهای محصورسازی مغناطیسیغیر از توکامک و اسفرومک دستگاه‌های دیگری برای محصورسازی مغناطیسی وجود دارد ، که تفاوت آنها در نوع آرایش میدان مغناطیسی و شکل آنهاست. برخی از این دستگاهها، تنگش میدان- وارونه، استلاراتور (شکل1-9) و هلیوترون،چنبره فشرده، دستگاه تنگش-تتا، دستگاه تنگش-Z ، پلاسمای کانونی می‌باشد.
استلاراتور وسیله‌ای برای حبس پلاسمای داغ به وسیله میدان مغناطیسی به منظور حفظ یک واکنش همجوشی کنترل شده است و یکی از ابتدایی‌ترین ابزارهای کنترل شده همجوشی بوده که اولین بار توسط لیمان اسپیتزر در سال 1950 اختراع شد. این اختراع تغییر در هندسه دستگاه‌های همجوشی قبلی بود.

شکل1-9- شماتیک هندسی راکتور استلاتور ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Emrich</Author><Year>2001</Year><RecNum>26</RecNum><DisplayText>[23, 24]</DisplayText><record><rec-number>26</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063119">26</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Emrich, W. J.;</author></authors></contributors><titles><title>Field-Reversed Magnetic Mirrors for Confinement of Plasmas</title><secondary-title>NASA Tech Briefs</secondary-title></titles><periodical><full-title>NASA Tech Briefs</full-title></periodical><dates><year>2001</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Glasstone</Author><Year>1980</Year><RecNum>27</RecNum><record><rec-number>27</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063252">27</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Glasstone, S.;</author></authors></contributors><titles><title>Fusion Energy</title><secondary-title>U.S. Department of Energy, Technical Information Center</secondary-title></titles><periodical><full-title>U.S. Department of Energy, Technical Information Center</full-title></periodical><dates><year>1980</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[23, 24]
از مزایای استلاراتورها می‌توان عدم احتیاج به جریان چنبره‌ای (در نتیجه افزایش احتمال فعالیت مداوم) و ثبات سیستم بیشتر را نام برد.
فصل دوم
سینیتیک همجوشی پلاسمای دوتریوم – هلیوم 3
فصل دوم: سینیتیک همجوشی پلاسمای دوتریوم–هلیوم 3سوخت‌های جدید و خواص آنهامشکلات مربوط به پسمان همجوشی را می‌توان با انتخاب یک سوخت بهتر کاهش داد. کاندیداهای مختلفی برای سوخت‌های همجوشی وجود دارند که سوخت‌های پیشرفته نامیده می‌شوند و تعداد نوترون‌های تولید شده در آن ها نسبت به همجوشی D-T بسیار کمتر است و بنا براین مشکلات مربوط به رادیواکتیویته و ایمنی و زیست محیطی ندارند. به طور کلی، همجوشی غیر نوترونی به هر شکلی از همجوشی اطلاق می‌شود که در آن کمتر از یک در صد از انرژی آزاد شده توسط نوترون‌ها حمل شود، ولی شرایط لازم برای کنترل همجوشی غیر نوترونی بسیار دشوارتر از شرایط لازم برای چرخه سوخت متداول دوتریم-تریتیم است و هنوز به طور تجربی حاصل نشده است.
دلایل اصلی اهمیت مطالعه برای یافتن چرخه‌های سوخت پیشرفته عبارتند از ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Nakai</Author><Year>1990</Year><RecNum>13</RecNum><DisplayText>[13, 14]</DisplayText><record><rec-number>13</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423061968">13</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Nakai, S.; et al.; </author></authors></contributors><titles><title>Inertial Confinement</title><secondary-title>Nuclear Fusion</secondary-title></titles><periodical><full-title>Nuclear Fusion</full-title></periodical><pages>1779-1797</pages><volume>30</volume><number>9</number><dates><year>1990</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Blanc</Author><Year>2010</Year><RecNum>15</RecNum><record><rec-number>15</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062093">15</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Blanc, X.; Despres, B.;</author></authors></contributors><titles><title>Numerical Methods for inertial confinement fusion</title><secondary-title>Laboratoire Jacques-Louis Lions</secondary-title></titles><periodical><full-title>laboratoire Jacques-Louis Lions</full-title></periodical><dates><year>2010</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[13, 14]:
حذف تریتیوم از چرخه سوخت به منظور ساده سازی چرخه سوخت (عدم نیاز به زایش تریتیوم) و افزایش ذخیره سوخت همجوشی (ذخیره لیتیم زمین مقدار کل تریتیمی را که قابل تولید با پوشش‌های زاینده هست محدود می‌کند.)
(حذف و یا کاهش فوق العاده) تولید نوترون در رآکتورهای همجوشی به منظور اجتناب از (یا تا حد ممکن کاهش دادن) فعالسازی اجزای راکتورها و تخریب ناشی از نوترون‌ها.
دو چرخه مهم سوخت پیشرفته p-11B و D-3He می‌باشد، چرخه سوخت D-3He، تعداد خیلی کمتری نوترون نسبت به چرخه سوخت D-T تولید می‌کند و انرژی این نوترون‌ها نیز خیلی کمتر است، بنابراین، میزان تخریب مواد کاهش خواهد یافت. مطالعات نشان داده‌اند که چرخه سوخت D-3He به میزان قابل توجهی مساله طول عمر اجزای راکتور را با کاهش تخریب نوترونی حل می‌کند در حالی که مشکل فعال سازی نوترونی و تولید پسماندهای مربوط به آن کماکان باقی می‌ماند. در این چرخه، تریتیم حذف شده است ولی ایزوتوپ نایاب هلیم 3 جایگزین آن شده است. بر روی زمین در حدود 400 کیلوگرم هلیم3 قابل حصول است که در حدود GW-year 8 انرژی همجوشی بدست می‌دهد و مقادیر بیشتر از این باید یا از طریق واکنش‌هایی که شامل نوترون هستند، تهیه شود (که مزیت بالقوه همجوشی غیر نوترونی را از بین می‌برد) و یا اینکه از منابع ماورای زمین تهیه شود. بر روی سطح ماه در حدود 109 کیلوگرم هلیم3 وجود دارد که معادل هزار سال مصرف انرژی فعلی جهان است. همچنین، در اتمسفر سیارات عظیم گازی در حدود 1023 کیلوگرم هلیوم 3 وجود دارد که قادر است در حدود 1017 سال مصرف فعلی انرژی جهان را تولید کند، یعنی منابع هلیم 3 منظومه شمسی عملا پایان ناپذیرند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Santarius</Author><Year>2006</Year><RecNum>29</RecNum><DisplayText>[26]</DisplayText><record><rec-number>29</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063586">29</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Santarius, J.;</author></authors></contributors><titles><title>A Strategy for D–3He Development</title><secondary-title>Fusion Technology Institute</secondary-title></titles><periodical><full-title>Fusion Technology Institute</full-title></periodical><dates><year>2006</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[26].
ولی استخراج هلیم 3 از این منابع و انتقال آن به زمین بسیار دشوار و پرهزینه خواهد بود و تنها در آینده‌های دور می‌توان به آن اندیشید ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Santarius</Author><Year>1998</Year><RecNum>2</RecNum><DisplayText>[2]</DisplayText><record><rec-number>2</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423060467">2</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Santarius, J. F.; et al.;</author></authors></contributors><titles><secondary-title>Journal of Fusion Energy</secondary-title></titles><periodical><full-title>Journal of Fusion Energy</full-title></periodical><pages>33-40</pages><volume>17</volume><number>1</number><dates><year>1998</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[2].
چرخه سوخت D-3He نسبت به D-T برای احتراق، نیازمند شرایط محصورسازی بالاتری nτET=2.4×1023keV.s/m3) ) است و در فشار پلاسمای یکسان، چگالی توان همجوشی کمتری نسبت به همجوشی D-T بدست خواهد داد. همچنین گرچه واکنش اصلی 3He(D,p)αرا می‌توان غیر نوترونی دانست ولی تولید نوترون از طریق واکنش جانبی D(D,n)3He و واکنش ثانویه D(T,n)α اجتناب ناپذیر است.
واکنش همجوشی 11B-p ایمن‌ترین و بهترین واکنش هسته‌ای هست که وجود دارد، 11B به فراوانی در آب دریا و منابع دیگر یافت می‌شود و 80 درصد بور موجود بر روی زمین را شامل می‌شود و هیدروژن هم که فراوان ترین عنصر در عالم هستی است. بنابراین، مشکلی از نظر محدودیت منابع سوخت وجود ندارد. حاصل واکنش آن‌ها نیز گاز بی اثر هلیم است و هیچ نوترونی تولید نخواهد شد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Bussard</Author><Year>2006</Year><RecNum>30</RecNum><DisplayText>[27, 28]</DisplayText><record><rec-number>30</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063640">30</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Bussard, W.; et al.;</author></authors></contributors><titles><title> The Advent of Clean Nuclear Fusion: Superperformance Space Power and Propulsion</title><secondary-title> 57th International Astronautical Congress(IAC), Valencia, Spain</secondary-title></titles><dates><year>2006</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Soto</Author><Year>2005</Year><RecNum>31</RecNum><record><rec-number>31</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063739">31</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Soto, L.;</author></authors></contributors><titles><secondary-title>Plasma Physics and Controlled Fusion-IOPscience</secondary-title></titles><periodical><full-title>Plasma Physics and Controlled Fusion-IOPscience</full-title></periodical><pages>361-381</pages><volume>47</volume><dates><year>2005</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[27, 28].
برای بهره برداری عملی از همجوشی، انرژی حاصل از همجوشی باید بیش از انرژی لازم برای گرمایش پلاسما باشد، بدین منظورشروط متعددی باید برآورده شوند که مهمترین آنها، دستیابی به مقادیر مناسب برای حاصل ضرب nτ و حاصل ضرب nTτ است که مجموع اینها معیار لاوسون نامیده می‌شود. یعنی باید پلاسما را با چگالی مناسب تا دمای مناسبی گرم کرد و این پلاسمای داغ و چگال را به مدت کافی محصور نمود ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Wesson</Author><Year>2004</Year><RecNum>32</RecNum><DisplayText>[29]</DisplayText><record><rec-number>32</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063806">32</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Wesson, J.;</author></authors></contributors><titles><title> Tokamaks</title><secondary-title>Clarendon Press-Oxford</secondary-title></titles><periodical><full-title>Clarendon Press-Oxford</full-title></periodical><volume>third edition</volume><dates><year>2004</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[29].
مقدار عدد به دست آمده در معیار لاوسون برای سوخت دوتریم تریتیم ازسال 1969 تا سال 2000 حدود 500 هزار برابر افزایش یافته است. سوخت‌های جدید مورد نظر هنوز نیاز به یک تا دو مرتبه افزایش در بزرگی دارند. بررسی‌های نظری نشان داده‌اند که این کار شدنی است ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Santarius</Author><Year>2006</Year><RecNum>33</RecNum><DisplayText>[30]</DisplayText><record><rec-number>33</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063863">33</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Santarius, F.;et al.;</author></authors></contributors><titles><title>Role of Advanced-Fuel and Innovative Concept Fusion in the Nuclear Renaissance</title><secondary-title>APS Division of Plasma Physics Meeting, Philadelphia</secondary-title></titles><periodical><full-title>APS Division of Plasma Physics Meeting, Philadelphia</full-title></periodical><volume>31</volume><dates><year>2006</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[30].
خواص دوتریومدوتریوم همان عنصر هیدروژن است که علاوه بر یک پروتون یک نوترون نیز درون هسته آن وجود دارد. اگرمولکول آب توسط دوتریوم تشکیل شود به آن آب سنگین () می‌گویند. در هر لیتر از آب دریا (۳۵) گرم دوتریوم وجود دارد. دوتریوم یکی از پایه‌های لازم برای همجوشی هسته‌ای است. در آب در کنار هر ۷۰۰۰ اتم هیدروژن ۱ اتم دوتریوم موجود است که جدا کردن آن با توجه به نزدیکی خواص آب سنگین و آب سبک بسیار سخت است. این دوتریومها باید تغلیظ و انبار شوند تا ابتدا به آب سنگین ۱۵٪ و سپس به آب ۹۹٪ تبدیل شود، جدا سازی آب سنگین از آب سبک بسیار سنگین ، پیچیده و سخت است. به دلیل آنکه گرمای تبخیر آب سنگین بشتر از آب معمولی می‌باشد، از آن در نیروگاههای اتمی جهت خنک کردن راکتورها استفاده میکنند.
دوتریوم را می توان به آسانی از آب استخراج کرد. هیدروژن موجود در زمین شامل دوتریوم به نسبت جرمی 1:5000 است. یک تریلی پر از دوتریوم انرژی معادل 2 میلیون تن زغال سنگ یا 1.3میلیون تن نفت (10میلیون بشکه)، یا 30 تن اکسید اورانیوم، آزاد خواهد کرد.
دوتریوم در واکنش‌های همجوشی زیر با آهنگ واکنش مساوی شرکت میکنند:
(2-1)
(2-2)
محیطى که به این درجه از گرما برسد، نمی‌تواند در یک جداره مادى بگنجد.
خواص هلیوم 3هلیوم 3 یکی از ایزوتوپ‌های غیر پرتوزای عنصر گازی هلیوم است که دارای ۲ پروتون و یک نوترون است. از این ماده به عنوان سوخت در تحقیقات مربوط به راکتورهای هسته‌ای، استفاده می‌شود. در زمین به ندرت یافت می‌شود و عموما در لایه‌های فوقانی سنگی کره ماه که طی بیش از میلیاردها سال توسط بادهای خورشیدی ایجاد شده است، به فراوانی موجود است. هلیون هسته اتم هلیوم 3 حاوی دو پروتون و تنها یک نوترون می‌باشد. این در حالی است که هلیوم معمولی حاوی دو نوترون می‌باشد. وجود فرضی آن اولین بار در 1934 پیشنهاد شد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Oliphant</Author><Year>1934</Year><RecNum>34</RecNum><DisplayText>[31]</DisplayText><record><rec-number>34</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063934">34</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Oliphant, M. L. E.; Harteck ,P.; Rutherford, E.;</author></authors></contributors><titles><title> Transmutation Effects Observed with Heavy Hydrogen</title><secondary-title>Proceedings of the Royal Society</secondary-title></titles><periodical><full-title>Proceedings of the Royal Society</full-title></periodical><pages>692-703</pages><volume>144</volume><number>853</number><dates><year>1934</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[31].
بخاطر جرم اتمی پایین‌ترش نسبت به هلیوم4 دارای خصوصیات فیزیکی متفاوتی نسبت به آن است. به سبب تعامل ضعیف ناشی از پیوندهای دو قطبی-دو قطبی بین اتم‌های هلیوم، خواص فیزیکی ماکروسکوپی آن عمدتا توسط نقطه صفر انرژی آن (انرژی جنبشی حداقل) تعیین می‌شود. همچنین خواص میکروسکوپی هلیوم 3 سبب می‌شود که نقطه صفر انرژی آن بالاتر از هلیوم 4 باشد. این نشان می‌دهد که هلیوم3 می‌تواند بر تعامل دو قطبی-دو قطبی با انرژی حرارتی کمتری نسبت به هلیوم-4، غلبه کند.
هلیوم 3 می‌تواند توسط یکی از دو واکنش زیر در واکنش‌های همجوشی شرکت کند:
2D + 3He →   4He +  1p + 18.3 MeV(2-3)
3He + 3He → 4He   + 2 1p+ 12.86 MeV(2-4)
که هدف در این مطالعه استفاده از دوتریوم و هلیوم 3 می‌باشد. سرعت‌های واکنش با دما متغیر است اما سرعت واکنش D-3He هرگز بالاتر از 56/3 برابر سرعت واکنش D-D نمی‌باشد. شکل 2-1 بیانگر حالت مقایسه‌ای بین انواع سوخت‌هاست.

شکل2-1- واکنش پذیری انواع سوخت‌ها ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Tang</Author><Year>2011</Year><RecNum>35</RecNum><DisplayText>[32]</DisplayText><record><rec-number>35</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063997">35</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Tang, R.;</author></authors></contributors><titles><title>Study of the G--ynamic Mirror (GDM) Propulsion Sys--</title><secondary-title> thesis (A dissertation submitted in partial fulfillment ofthe requirements for the degree of Doctor of Philosophy) in the University of Michigan</secondary-title></titles><dates><year>2011</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[32]
سرعت واکنش همجوشی به سرعت با دما افزایش می‌یابد تا اینکه به بیشینه مقداری رسیده و سپس به تدریج افت می‌کند. در مقایسه‌ای کلی جدول 2-1 را خواهیم داشت.
سوخت‌های پیشرفته، همجوشی سوخت‌های نسل دوم و سوم هستند که مقادیر بسیار کم یا اصلا هیچ نوترونی تابش نمی‌کنند و چرخه‌های سوخت نسل اول در آنها وجود ندارد. تعداد نوترون‌های تولید شده در واکنش‌های شامل هلیوم 3 بسیار کم است (در مورد واکنش 3He-3He عملا صفر و در مورد D-3He حدود 01/0 تا 05/0 همجوشی D-T و کمتر از 02/0 همجوشی D-D است.
محصول نسل سوم واکنش‌های همجوشی فقط ذرات باردار است و هر گونه واکنش جانبی نسبتا بی اهمیت است. در شرایط مناسب، فقط 1/0 درصد از انرژی حاصل از واکنش p-11B، توسط نوترون‌های تولید شده از واکنش‌های جانبی حمل می‌شود ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Santarius</Author><Year>1998</Year><RecNum>2</RecNum><DisplayText>[2]</DisplayText><record><rec-number>2</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423060467">2</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Santarius, J. F.; et al.;</author></authors></contributors><titles><secondary-title>Journal of Fusion Energy</secondary-title></titles><periodical><full-title>Journal of Fusion Energy</full-title></periodical><pages>33-40</pages><volume>17</volume><number>1</number><dates><year>1998</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[2].
استفاده از سوخت‌های جدید نسبت به D-T با مسایل بیشتری مواجه است. به عنوان مثال در مورد D-3He باید:
دمای احتراق دست کم حدود 6 برابر افزایش یابد.
مقدار neτe حداقل حدود 8 برابر
حاصل ضرب nτT حداقل در حدود 50 برابر افزایش می‌یابد.
جدول2-1- نسل‌های مختلف سوخت‌های همجوشی PEVuZE5vdGU+PENpdGU+PEF1dGhvcj5LaHZlc3l1azwvQXV0aG9yPjxZZWFyPjIwMDI8L1llYXI+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ADDIN EN.CITE PEVuZE5vdGU+PENpdGU+PEF1dGhvcj5LaHZlc3l1azwvQXV0aG9yPjxZZWFyPjIwMDI8L1llYXI+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ADDIN EN.CITE.DATA [26, 33-37]
n/MeV بهره انرژی محصولات واکنش‌ها
سوخت‌های همجوشی نسل اول
0.306 3.268 MeV32He + 10n 21H + 21H (D-D)
0 4.032 MeV31H + 11p 21H + 21H (D-D)
0.057 17.571 MeV42He + 10n 21H + 31H (D-T)
سوخت‌های همجوشی نسل دوم
0 18.354 MeV42He + 11p 21H + 32He (D-3He)
سوخت‌های همجوشی نسل سوم
0 12.86 MeV42He+ 211p 32He + 32He
0 8.68 MeV3 42He115B + 11p
نتیجه کل سوختن دوتریوم(مجموع 4 سطر اول)
0.046 43.225 MeV2(4He + n + p) 6D
سوخت هسته‌ای در زمان حال
0.001 ~200 MeV2 FP+ 2.5n 235U + n
در استفاده از سوخت D-3He کاهش فوق العاده شار نوترونی باعث کاهش قابل ملاحظه تخریب تابشی می‌شود ودرنتیجه طول عمر دیواره اولیه و حفاظ تابشی افزایش می‌یابد و به حفاظ تابشی کوچک‌تری نیاز خواهد بود و تعمیرات و نگهداری راحت‌تر می‌شوند. افزایش شار ذرات باردار امکان تبدیل مستقیم انرژی همجوشی را با بازده بالا فراهم می سازد.
مشکلات عمده در استفاده از انرژی هسته‌ای در سالیان گذشته از سه مساله اصلی، احتمال پخش مواد رادیواکتیو، مشکلات مربوط به نگهداری پسماندهای هسته‌ای با عمر طولانی، احتمال استفاده از مواد حاصل برای کاربردهای تسلیحاتی می‌باشد. تمام این مشکلات مربوط به رآکتورهای هسته‌ای، مربوط است به:
سوخت رادیواکتیو
محصولات رادیواکتیو واکنش
نوترونها
همجوشی هسته‌ای تا حدودی از این مشکلات می‌کاهد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Soto</Author><Year>2005</Year><RecNum>31</RecNum><DisplayText>[28]</DisplayText><record><rec-number>31</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063739">31</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Soto, L.;</author></authors></contributors><titles><secondary-title>Plasma Physics and Controlled Fusion-IOPscience</secondary-title></titles><periodical><full-title>Plasma Physics and Controlled Fusion-IOPscience</full-title></periodical><pages>361-381</pages><volume>47</volume><dates><year>2005</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[28].
مزیت عمده سوخت‌های جدید همجوشی این است که سوخت و محصولات واکنش‌های نسل دوم و سوم همجوشی میزان پرتوزایی (تخریب حرارتی و وجود تریتیم) و نکات بالقوه مربوط به تکثیر تسلیحاتی و همینطور مشکلات مربوط به پسمانداری را تا حد زیادی کاهش داده یا حذف می‌کنند، ولی برای استفاده از آنها به پیشرفت فیزیکی و مهندسی زیادی نیاز است. از این سوخت‌های جدید می‌توان برای ساخت نیروگاه‌های برق ایمن، تمیز و اقتصادی، در سفینه‌های فضایی و موشک‌ها به عنوان سوخت و نیز برای کاربردهای پزشکی و غیره استفاده کرد. از مزایای دیگر آنها می‌توان از عدم نیاز به پوشش‌های زاینده تریتیم و حلقه‌های پیچیده سرمایش ثانویه و عدم نیاز به دستگاه‌های پیچیده تست نوترون و مدت زمان‌های بررسی طولانی نام برد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Soto</Author><Year>2005</Year><RecNum>31</RecNum><DisplayText>[28]</DisplayText><record><rec-number>31</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063739">31</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Soto, L.;</author></authors></contributors><titles><secondary-title>Plasma Physics and Controlled Fusion-IOPscience</secondary-title></titles><periodical><full-title>Plasma Physics and Controlled Fusion-IOPscience</full-title></periodical><pages>361-381</pages><volume>47</volume><dates><year>2005</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[28].
پارامترهای متعددی در استفاده از سوخت‌های مختلف دخیلند، از جمله: .
انرژی کل محصولات همجوشی : Efus
محصولات باردار همجوشی: Ech
عدد اتمی ذرات درگیر در واکنش: Z
میزان انرژی حمل شده توسط نوترون ها
اتلاف انرژی از طریق تابش ترمزی و....
در رابطه با همجوشی D-D و D-T اتلاف انرژی از طریق تابش ترمزی مشکل جدی و مهمی است که باید حل شود، برای سوخت‌های سنگین‌تر D-3He و p-11 B و 3He-3He میزان این اتلاف به قدری است که کار یک راکتور همجوشی بر اساس طرح‌های توکامک و همجوشی لیزری را ناممکن می‌سازد.
تابش سینکروترونی نیز نکته دیگری است که باید مورد توجه قرار گیرد. بررسی‌ها نشان داده‌اند که درمورد همجوشی D-T تابش سینکروترونی نقش چندانی در بالانس انرژی ندارد، در حالی که در مورد همجوشی 3He-D این اثر قابل توجه است. و این مشکل باید در طراحی رآکتورهای احتمالی3 He -D حل شود ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Lerner</Author><Year>2003</Year><RecNum>38</RecNum><DisplayText>[38]</DisplayText><record><rec-number>38</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423066296">38</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Lerner, E.J.;</author></authors></contributors><titles><title>ProspectsFor p-11B Fusion With The Dense Plasma Focus: New Results</title><secondary-title>Conf. Current Trends in International Fusion Research, Washington, USA</secondary-title></titles><periodical><full-title>Conf. Current Trends in International Fusion Research, Washington, USA</full-title></periodical><dates><year>2003</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[38].
درصدی از انرژی کل واکنش که توسط نوترون‌ها حمل می‌شود، در مورد D-T حدود 80 درصد، در مورد D-D حدود 66 درصد و در مورد 3 He –D و p-11B بسیار ناچیز و نزدیک به صفر است که این امر مشکلات مختلف مربوط به نوترون‌ها از جمله تخریب تابشی، حفاظ‌گذاری بیولوژیکی، کنترل از دور، ایمنی و اتلاف توان همجوشی توسط آنها را کاهش می‌دهد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Sadowski</Author><Year>1998</Year><RecNum>39</RecNum><DisplayText>[39]</DisplayText><record><rec-number>39</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423066348">39</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Sadowski, M.;</author></authors></contributors><titles><secondary-title>Special Suppl. School of Physics - Georgia Institute of Technology</secondary-title></titles><periodical><full-title>Special Suppl. School of Physics - Georgia Institute of Technology</full-title></periodical><pages>3-4</pages><volume>39</volume><dates><year>1998</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[39].
پلاسما حالت چهارم مادهپلاسما گازی یونیزه و داغ می‌باشد که حاوی تعداد تقریبا برابری از یونهای مثبت باردارشده و الکترونهای با بار منفی می‌باشد. مشخصات پلاسما کاملا با گازهای خنثی طبیعی متفاوت است (گازهای معمولی به سبب خنثی بودنشان از لحاظ بار الکتریکی توانایی عکس ‌العمل در مقابل مغناطیس و میدان وابسته به آن را ندارند.) از این روست که پلاسما به عنوان حالت چهارم ماده معرفی شده است. برای مثال، به این علت که پلاسماها ذرات باردار الکتریکی تولید میکنند، تا زمانی که گاز بطور خنثی نباشد، به شدت تحت تاثیر میدان‌های مغناطیسی و الکتریکی قرار می‌گیرد. مثالی از چنین تاثیری، به دام اندازی ذرات باردار پر انرژی در عرض خطوط میدان مغناطیسی زمین، به فرم کمربندهای تشعشی ون آلن است.
علاوه بر میدان‌های خارجی اعمال شده، مانند میدان مغناطیسی زمین و یا میدان مغناطیسی بین سیارهها، پلاسما براساس میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی ایجاد شده توسط خود پلاسما و از طریق تغییر غلظت بار محلی و جریان الکتریکی ایجاد شده عمل میکند، که در نتیجه حرکتهای متفاوت یونها و الکترونها ایجاد می‌شود. نیروهای اعمال شده توسط این میدان روی ذرات بارداری که عمل پلاسما را در طول فواصل طولانی ایجاد میکند، تاثیر گذاشته و سبب یکنواختی رفتار انتقالی ذرات و کیفیت بالایی میگردد که در گازهای خنثی دیده نمی‌شود. به رغم وجود غلظت بارهای محلی و پتانسیل های الکتریکی، پلاسما از نظر الکتریکی "شبه خنثی" است، زیرا بطور کل، تعداد تقریبا برابری از ذرات باردار مثبت و منفی طوری پراکنده شدهاند که تاثیر بارهای یکدیگر را از بین میبرند.
روشهای تولید پلاسماالف) تخلیه الکتریکی:
اگر میدان الکتریکی نیرومندی بر گازی معمولی اعمال کنیم ممکن است تعدادی از الکترونها، اتمهای خود را ترک کنند. هر اتم که به این ترتیب تحت تاثیر قرار بگیرد به طور مثبت باردار می‌شود و در این حالت میگوییم اتم به یون تبدیل شده است. الکترونهای جدا شده که بار منفی دارند آزادانه در دستگاه حرکت می‌کنند و از میدان الکتریکی انرژی میگیرند، با افزایش سرعت، به اتمهای دیگر برخورد میکنند و سبب آزاد شدن الکترونهای بیشتری میشوند. این کار به طور پیدرپی صورت می‌گیرد و تعداد الکترونهای آزاد شده مدام افزایش می‌یابد. این فرآیند به فرآیند آبشاری معروف است. در این میان تخلیه الکتریکی گسترش می‌یابد و جریان الکتریکی برقرار می‌شود. گاز قبل از تخلیه الکتریکی، نارسانا بود. در مواقعی که تخلیه الکتریکی بسیار قدرتمندی انجام می‌گیرد، ممکن است تمام اتمهای گاز به سبب فرآیند آبشاری یونیزه شوند و گاز به پلاسما تبدیل شود.
مخلوط همجوشی با فشار کم را در محفظه چنبرهاى شکل داخل کرده، به کمک یک سیستم اولیه متشکل از چند بوبین، یک میدان مغناطیسى معروف به چنبره‌اى، پدید میآید. سپس، به کمک هایپِرفرکانسها (فوق بسامدها)، محتوى محفظه چنبرهای، یونیزه گشته و در نهایت از طریق القا با افزایش تدریجى میدان مغناطیسى پدیدآمده بوسیله‌ی یک سیم لوله (سولونوئید( که در جهت محور سامانه قرار داده شده است، یک جریان پلاسما بوجود میآید.
ب) تولید پلاسما در درجه حرارت های بالا:
با رساندن دمای گاز به درجه حرارتهای بالا نیز میتوان پلاسما بوجود آورد. دمای لازم برای تولید این نوع پلاسما به روش یونیزاسیون حرارتی بسیار زیاد و از مرتبه دهها هزار درجه است و واقعیت این است که دانشمندان در مواقع بسیار نادر و ویژه از این روش برای تولید پلاسما استفاده میکنند.
پارامترهای بنیادی پلاسماهمه مقادیر در واحد گاووسی (cgs) بیان شده است. غیر از دما که در واحد الکترون ولت آورده شده است و جرم یون که بر حسب واحد جرم پروتون و بصورت μ=mimp می‌باشد. Z مقدار بار، k ثابت بولتزمن، K عدد موج، lnʌ لگاریتم کولن است ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Suryanarayana</Author><Year>2010</Year><RecNum>40</RecNum><DisplayText>[40]</DisplayText><record><rec-number>40</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423066400">40</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Suryanarayana, N.S.; Kaur, J.; Dubey, V.;</author></authors></contributors><titles><title>Study of propagation of Ion Acoustic waves in plasma</title><secondary-title>Departman of physics,Govt.</secondary-title></titles><periodical><full-title>Departman of physics,Govt.</full-title></periodical><dates><year>2010</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[40].
که برای الکترون: lnᴧ≈13.6
و برای یک یون: lnᴧ≈6.8
2-6-1- فرکانسها در پلاسمافرکانس زاویهای حرکت چرخشی الکترون در جهت عمود بر میدان مغناطیسی:
ωce=eB/mec=1.76×107 B--/s
فرکانس زاویهای حرکت چرخشی یون در جهت عمود بر میدان مغناطیسی:
ωci=ZeB/mic=9.58×103 Zμ-1 B--/s
فرکانس الکترونهایی که نوسان میکنند(نوسان پلاسما):
ωpe=(4πnee2/me)1/2=5.64×104 ne1/2 --/s
فرکانس پلاسمای یونی:
ωpi=(4πniZ2 e2/mi)1/2=1.32×103 Zμ-1/2 ni1/2 --/s
سرعت به دام اندازی الکترون:
????Te=(eKE/me)1/2=7.26×108 K1/2 E1/2 s-1
سرعت به دام اندازی یون:
????Ti=(ZeKE/mi)1/2=1.69×107 Z1/2 K1/2 E1/2μ-1/2 s-1
سرعت برخورد الکترون در پلاسمای کاملا یونیزه شده:
????e=2.91×10-6 ne lnᴧ Te-3/2 s-1
سرعت برخورد یون در پلاسمای کاملا یونیزه شده:
????i=4.80×10-8 Z4 μ-1/2 ni lnᴧ Ti-3/2 s-1
سرعت برخورد الکترون (یون) در پلاسمای کمی یونیزه شده: υe,i=Nσe,iυ=N0∞σ(υ)e,if(υ)υdυ
که <σν>e,i سطح مقطع برخورد الکترون (یون) در اتمهای (مولکولهای) گاز عامل، f(ν) تابع توزیع الکترون (یون) در پلاسما و N غلظت گاز عامل می‌باشد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Suryanarayana</Author><Year>2010</Year><RecNum>40</RecNum><DisplayText>[40]</DisplayText><record><rec-number>40</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423066400">40</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Suryanarayana, N.S.; Kaur, J.; Dubey, V.;</author></authors></contributors><titles><title>Study of propagation of Ion Acoustic waves in plasma</title><secondary-title>Departman of physics,Govt.</secondary-title></titles><periodical><full-title>Departman of physics,Govt.</full-title></periodical><dates><year>2010</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[40].
2-6-2- سرعتها در پلاسماسرعت حرارتی الکترون: سرعت معمول یک الکترون در توزیع ماکسول-بولتزمن
????Te= (kTe/me)1/2=4.19×107 Te1/2 cm/s
سرعت حرارتی یون: سرعت معمول یک یون در توزیع ماکسول-بولتزمن
????Ti= (kTi/mi)1/2=9.79×105 μ-1/2 Ti1/2 cm/s
گرم کردن پلاسمایکی از مهمترین مسائل در طراحی راکتورها گرم کردن پلاسما برای ایجاد شرایط مورد نیاز همجوشی خوبخودی می‌باشد. حتی برای سادهترین واکنش‌های همجوشی که بطور معمول برای تولید الکتریسیته با صرفه اقتصادی، معمولا به حدود 100 میلیون درجه سانتیگراد دما نیاز است. این نیاز به دمای بالا به 4 روش تامین میگردد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Harms</Author><Year>2002</Year><RecNum>41</RecNum><DisplayText>[41]</DisplayText><record><rec-number>41</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423066441">41</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Harms, A.A.; Schoef ,K.F.; Miley G.H.; Kingdon ,D.R.;</author></authors></contributors><titles><title>principles of Fusion Energy</title><secondary-title>World scientific co.</secondary-title></titles><periodical><full-title>World scientific co.</full-title></periodical><dates><year>2002</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[41]:
گرم کردن مقاومتی
گرم کردن از طریق فشردن
گرم کردن توسط تاثیر میدان‌های الکترومغناطیسی
تزریق پرتو خنثی
2-7-1- گرمایش مقاومتیگرم کردن از طریق سیم فلزی حامل جریان صورت می‌گیرد. ولتاژ مناسب برای لوازم خانگیV220 می‌باشد و اگر جریان بیش از حد بالا برای این ولتاژ خالص V220 اعمال شود جعبه فیوز خانگی از ذوب شدن سیمها جلوگیری میکند. وارد کردن مقدار ایمن و مناسبی از جریان نیز از تاثیرات دمایی بالا برای سیمها و شروع آتش سوزی جلوگیری میکند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Harms</Author><Year>2002</Year><RecNum>41</RecNum><DisplayText>[41]</DisplayText><record><rec-number>41</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423066441">41</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Harms, A.A.; Schoef ,K.F.; Miley G.H.; Kingdon ,D.R.;</author></authors></contributors><titles><title>principles of Fusion Energy</title><secondary-title>World scientific co.</secondary-title></titles><periodical><full-title>World scientific co.</full-title></periodical><dates><year>2002</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[41].
به استثنای مواد ابر رسانا، هیچ محیط رسانایی، مانند سیمهای فلزی، وجود ندارد که در آن، الکترونها بتوانند از یک اتم به آسانی به اتم دیگر بپرند مگر اینکه بخشی از انرژی خود را بصورت گرما از دست بدهند که علت آن از دست دادن بخشی از اندازه حرکت الکترونها در برخورد با سایر ذرات طبق اصل پایستگی تکانه و تبدیل آن به گرما می‌باشد. پلاسما بسیار خوب است اما یک هادی ایدهآل نیست و مقاومت آن از مرتبه یک میلیونیوم اهم است. این مقدار مقاومت جزیی باعث گرم شدن پلاسماهایی با چگالی کم (مانند پلاسماهایی که در توکامک استفاده می‌شود) تا دماهایی از مرتبه میلیون درجه سانتیگراد میگردد و تا دماهای 10 میلیون درجه سانتیگرادموثر می‌باشد. در مقادیر دمایی فراتر، مقاومت پلاسما بیش از حد ضعیف شده و اثر بخشی روش را کاهش میدهد. گرمایش مقاومتی سبب ذخیره توانی در واحد حجم پلاسما، با معادله (2-5) داده می‌شود:
PΩMWm3=ηI2=10-6ηj2=2.85×10-15ZeffI2a4mTe32(kev) (2-5)
که در آن I، شدت پلاسما، چگالی جریان که به طور یکنواخت در سطح مقطع پلاسما (I=????a2j) وجود دارد. Zeff، میانگین بارهای موثر همهی یونهای تشکیل دهندهی پلاسما می‌باشد و η، مقاومت پلاسما است. این پارامترها به تعدادی پدیده برخورد بستگی دارد و ممکن است بصورت معادله (2-6) ارائه شود:
η≈Aη(KT)-32 (2-6)
با استفاده از قانون آمپر
µ0I=2π(2-7)

–381

شکل ‏16: ساختار پیریمیدین با فعالیت ضد انگل PAGEREF _Toc404963546 h 8
شکل ‏17: مشتق پیریمیدین با خصلت ضد افسردگی PAGEREF _Toc404963547 h 8
شکل ‏18: ساختار تری متوپریم PAGEREF _Toc404963548 h 9
شکل ‏19: پیریمیدینهای سه حلقه ای PAGEREF _Toc404963549 h 10
شکل ‏110: مشتق پیریمیدین با خصلت ضد سرطان PAGEREF _Toc404963550 h 11
شکل ‏111: مشتقاتی از پیریمیدین با خصلت ضد باکتری PAGEREF _Toc404963551 h 11
شکل ‏112: ساختار پیریمیدین با فعالیت ضد سرطانی PAGEREF _Toc404963552 h 12
شکل1-2: سنتز پیریمیدینها با استفاده ازمشتقی از 3،1-دی فنیل-2-پروپنون 18
شکل ‏22: مشتقات 2-آمینو پیریمیدین PAGEREF _Toc404963553 h 19
شکل ‏23: سنتز پیریمیدینها با استفاده از 2-دی متیل آمینو 3-اکسو بوتانوات PAGEREF _Toc404963554 h 19
شکل ‏24: سنتز مشتقات 4-کلروپیریمیدین PAGEREF _Toc404963556 h 20
شکل ‏25: سنتز مشتقات 5 -آلکیل پیریمیدین PAGEREF _Toc404963557 h 21
شکل ‏26: سنتز پیرول]2،1-[cپیریمیدین ها PAGEREF _Toc404963558 h 21
شکل 2 -7: سنتز مشتقات پیریمیدینی با کاتالیزور پالادیم PAGEREF _Toc404963559 h 22
شکل ‏28: سنتز پیریمیدینهااز طریق واکنش بسته شدن حلقه/ آزا-ویتیگ PAGEREF _Toc404963560 h 22
شکل ‏29: سنتز پیریمیدین N-اکسیدها از مسیر افزایش هسته دوستی و واکنش آب زدایی PAGEREF _Toc404963561 h 23
شکل ‏210: سنتز مشتقات پیریمیدینی با شروع از دی اتیل مالونات24
شکل ‏211: سنتز پیریمیدینهای حاوی گروههای عاملی زیاد از طریق واکنش های سه جزئی24
شکل ‏212: مشتق دوحلقه ای پیریمیدین PAGEREF _Toc404963564 h 25
شکل ‏213: نمای کلی سنتز مشتقات پیریمیدین و ایمیدازول توسط بیضائی و همکاران25
شکل ‏214: سنتز پیریمیدین با استفاده از کاتالیزور نانو PAGEREF _Toc404963566 h 26
شکل ‏215: سنتز مشتقات 1-استیل با استفاده از استیک انیدرید PAGEREF _Toc404963567 h 27
شکل16 ‏2: واکنش نیترو دارشدن مشتقات پیریمیدین27
شکل ‏217: واکنش برم دارشدن اوراسیل در محیط آبی PAGEREF _Toc404963569 h 28
شکل ‏218: واکنش جانشینی آلکوکسید28
شکل ‏219: جانشینی گروه آلکوکسی به جای متیل سولفونیل PAGEREF _Toc404963571 h 29
شکل ‏220: سنتز سیتوزین PAGEREF _Toc404963572 h 29
شکل ‏221: سنتز 2-آلکیل آمینو پیریمیدین PAGEREF _Toc404963573 h 30
شکل ‏222: واکنش فرمیل دار شدن30
شکل2-23: حمله هسته دوستی به کربن موقعیت 2 پیریمیدینها 31
شکل ‏224: سنتز پیریدینو]2،3-d [پیریمیدین ها32
شکل ‏225: سنتز پیریدینو]2،3-d [پیریمیدینها33
شکل ‏226: سنتز 1H-کرمنو]2،3-d [ پیریمیدین-5-کربوکسامید33
شکل ‏227: واکنش بین پیریمیدینها و تیوفنها34
شکل ‏228: واکنشهای پیرازولو] 3،4- [dپیریمیدینها PAGEREF _Toc404963579 h 35
شکل ‏229: سنتز 4،2-بیس(فنوکسی)-6-(فنیل تیو)پیریمیدین ها از باربیتوریک اسید36
شکل ‏230: واکنش 6،4-دی کلرو-5-آمینوپیریمیدینها با ایزو تیوسیاناتها PAGEREF _Toc404963581 h 37
شکل ‏31: سنتز مشتقات 3،1--دی فنیل -2-پروپنون PAGEREF _Toc404963582 h 43
شکل ‏32: سنتز6،4،2-تری فنیل پیریمیدین45
شکل ‏33: سنتز 2-آمینو-6،4-دی فنیل پیریمیدین45
شکل ‏41: طیف سنجی مادون قرمز روی کاتالیزور -MCM-41 - α-Fe2O3پی پیرازین PAGEREF _Toc404963585 h 50
شکل ‏42 : تصویر میکروسکوپ روبشی الکترونی کاتالیزور -MCM-41 - α-Fe2O3پی پیرازین PAGEREF _Toc404963586 h 51
شکل ‏43ساختار هگزاگونالی α-Fe2O3-MCM-41 در تصویر TEM PAGEREF _Toc404963587 h 52
شکل ‏44: نمودار (a) آنالیزتخلخل سنجی و (b) α-Fe2O3-MCM-41 BJH PAGEREF _Toc404963588 h 53
شکل ‏45: نمودار (a) آنالیزتخلخل سنجی و (b) MCM-41 - α-Fe2O3 پی پیرازین PAGEREF _Toc404963589 h 54
شکل ‏46: نمودار پراش پرتو ایکس کاتالیزور - MCM-41 - α-Fe2O3پی پیرازین55
شکل ‏47: واکنش الگو PAGEREF _Toc404963592 h 56
شکل ‏48: بازیافت کاتالیزور مغناطیسی MCM-41 پی پیرازین63

TOC t "تیتر1,1,Caption,1"
جدول 4-1: داده های حاصل از تجزیه و تحلیل تخلخل سنجی PAGEREF _Toc404964597 h 54
جدول 4-2: بررسی اثر دما روی سنتز مشتق 2-آمینو-4-(4-کلروفنیل)-6-فنیل پیریمیدین با استفاده از نانوکاتالیزور MCM-41-پی پیرازین PAGEREF _Toc404964601 h 57
جدول ‏43: بررسی اثر مقدار نانو کاتالیزور مغناطیسی MCM-41پی پیرازین در سنتز مشتق 2-آمینو-4-(4-کلروفنیل)-6-فنیل پیریمیدین PAGEREF _Toc404964602 h 58
جدول ‏44: بررسی اثر میزان گوانیدینیوم کربنات در سنتز مشتق 2-آمینو-4-(4-کلروفنیل)-6-فنیل پیریمیدین با استفاده از نانوکاتالیزور مغناطیسی MCM-41پی پیرازین PAGEREF _Toc404964603 h 59
جدول ‏45: بررسی واکنش در حضور کاتالیزورنانو MCM-41-پی پیرازین درسنتز مشتق 2-آمینو-4-(4-کلروفنیل)-6-فنیل پیریمیدین PAGEREF _Toc404964604 h 60
جدول ‏46: مشتقات 2-آمینو-6،4-دی آریل پیریمیدین بدست آمده تحت شرایط بدون حلال با نانو کاتالیزور مغناطیسی MCM-41 پی پیرازین در دمای 80 درجه سانتیگراد PAGEREF _Toc404964606 h 61
جدول ‏47: سنتز مشتقات 2-فنیل-6،4-دی آریل پیریمیدین تحت شرایط بدون حلال با نانو کاتالیزور مغناطیسی MCM-41 پی پیرازین در دمای 80 درجه سانتیگراد62

TOC p " " h z t "تیتر1,1,Caption,1"

78549510858500
کلیاتساختار پیریمیدین2238375214884000پیریمیدین (شکل 1-1) به ترکیب شیمیایی گفته می ‌شود که ساختاری حلقوی شبیه به حلقه بنزن یا پیریدین دارد که متشکل از دو اتم نیتروژن در موقعیت‌های ۱ و ۳ حلقه شش ‌ضلعی خود است. پیریمیدین‌ها یکی از سه فرم ایزومری دیازین هستند. نام آیوپاک آن پیریمیدین است و همچنین با نامهای 3،1-دیآزین و m-دی آزین نیز شناخته میشود. پیریمیدین دارای فرمول مولکولی 2N4H4C و جرم مولکولی g/mol088/80 و چگالی g/cm3 016/1 میباشد. این ترکیب بصورت جامد سفید رنگ وجود دارد (Katritzky et al., 1984).
28147621185490شکل1 SEQ شکل * ARABIC s 1 1: ساختار پیریمیدین00شکل1 SEQ شکل * ARABIC s 1 1: ساختار پیریمیدین
پیریمیدین‌ها به همراه پورین‌ها سازندهی بازهای آلی هستند که در ساختار DNA به صورت نوکلئوتید شرکت دارند. سه باز آلی سیتوزین، تیمین و اوراسیل که در ساختار DNA و RNA پیدا می‌شوند، از مشتقات پیریمیدینی هستند. سیتوزین و تیمین در ساختار DNA از طریق پیوندهای هیدروژنی به پورین متناظر خود متصل می‌شوند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Joshi</Author><Year>2012</Year><RecNum>4</RecNum><DisplayText><style font="Times New Roman" size="12">(Joshi</style><style face="italic" font="Times New Roman" size="12"> et al.</style><style font="Times New Roman" size="12">, 2012)</style></DisplayText><record><rec-number>4</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="055ewx0epzdxzzespttp522xeaxws0ap0r90">4</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Joshi, Priyanka</author><author>Kothari, Ankur</author><author>Bahrani, Pankaj</author><author>Agrwal, Shikha</author><author>Manocha, Nimita</author></authors></contributors><titles><title>QSAR Study of 2-pyridyl pyrimidine derivatives using several physicochemical descriptors to design antileishmanial agents</title><secondary-title>Journal of Pharmacy Research</secondary-title></titles><periodical><full-title>Journal of Pharmacy Research</full-title></periodical><volume>5</volume><number>4</number><dates><year>2012</year></dates><isbn>0974-6943</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>(Joshi et al., 2012).
آمینو پیریمیدین‌ها با ساختار ایمینو وجود ندارند اما به صورت حلقه‌های آروماتیک پیریمیدین آمین‌ها موجود هستند. بازهای هسته‌ای اوراسیل (H=1R) و تیمین (Me=1R) به صورت توتومر دی‌اکسو موجود هستند و سیتوزین به صورت 4-آمینو پیریمیدین- 2(H1)-اون موجود است.
7449732111597شکل1 SEQ شکل * ARABIC s 1 2: ساختار سه باز آلی سیتوزین، تیمین و اوراسیل0شکل1 SEQ شکل * ARABIC s 1 2: ساختار سه باز آلی سیتوزین، تیمین و اوراسیل

نقطه ذوب، جوش و حلالیت پیریمیدینپیریمیدین یک ترکیب آلی با نقطه ذوب ˚C 22-20 و نقطه جوش ˚C124-123 میباشد ترکیبی قطبی محسوب میشود و محلول در آب و اتانول است .(Sasaki et al., 1975)
ویژگی آروماتیکی پیریمیدینپیریمیدین یک ترکیب مسطح می باشد که از قاعده هوکل تبعیت می کند یعنی تعداد الکترون‌های پای آن زوج می باشد و به همین جهت آروماتیک است ((Kubota et al., 2013.
خواص شیمیایی و آمفوتری پیریمیدینهتروسیکلهای شش عضوی دارای نیتروژن در حلقه، جزء سیستمهای دارای فقر الکترونی π محسوب میشوند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Albert</Author><Year>1968</Year><RecNum>11</RecNum><DisplayText><style font="Times New Roman" size="12">(Albert, 1968)</style></DisplayText><record><rec-number>11</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="055ewx0epzdxzzespttp522xeaxws0ap0r90">11</key></foreign-keys><ref-type name="Book">6</ref-type><contributors><authors><author>Albert, Adrien</author></authors></contributors><titles><title>Selective toxicity and related topics</title></titles><dates><year>1968</year></dates><publisher>Methuen London</publisher><urls></urls></record></Cite></EndNote>(Albert, 1968). وجود گروههای الکترونگاتیو یا نیتروژن اضافی این کمبود را تشدید میکند. پیریمیدین نسبت به پیریدین دارای چگالی ابر الکترونی کمتری میباشد. بنابراین جایگزینی الکترون دوستی در آن مشکل ولی جایگزینی هسته دوستی به راحتی انجام میشود.
در دسترس بودن جفت الکترون تنها در مقایسه با پیریدین کمتر است. در پیریمیدین نسبت به پیریدین، N-آلکیل دارشدن و N-اکسیدشدن مشکلتر میباشد. مقدار pKa برای پیریمیدین پروتوندار شده 23/1 برابر پیریدین پروتوندار نشده است. موقعیتهای 2،4 و 6 در حلقه پیریمیدین مانند پیریدین و نیترو- و دی نیترو بنزن دچار کمبود الکترون هستند. در کربن شماره 5 مربوط به پیریمیدین چون کمبود الکترون بیشتر میباشد بنابراین جانشینی الکترون دوستی مانند نیترو دارشدن و هالوژندار شدن در این موقعیت نسبتاً آسان است ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Taylor</Author><Year>1997</Year><RecNum>15</RecNum><DisplayText><style font="Times New Roman" size="12">(Taylor</style><style face="italic" font="Times New Roman" size="12"> et al.</style><style font="Times New Roman" size="12">, 1997)</style></DisplayText><record><rec-number>15</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="055ewx0epzdxzzespttp522xeaxws0ap0r90">15</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Taylor, Edward C</author><author>Zhou, Ping</author><author>Tice, Colin M</author></authors></contributors><titles><title>6-Trifluoromethanesulfonyloxy-4 (3H)-pyrimidinones as versatile intermediates for the synthesis of 6-functionalized 4 (3H)-pyrimidinones</title><secondary-title>Tetrahedron letters</secondary-title></titles><periodical><full-title>Tetrahedron letters</full-title></periodical><pages>4343-4346</pages><volume>38</volume><number>25</number><dates><year>1997</year></dates><isbn>0040-4039</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>(Taylor et al., 1997).
پیریمیدینها حتی در شهاب سنگها هم یافت میشوند، اما دانشمندان هنوز هم منشاء آن را نمیدانند. پیریمیدین در معرض نور UV به اوراسیل تجزیه شیمیایی میشود ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Nuevo</Author><Year>2009</Year><RecNum>16</RecNum><DisplayText><style font="Times New Roman" size="12">(Nuevo</style><style face="italic" font="Times New Roman" size="12"> et al.</style><style font="Times New Roman" size="12">, 2009)</style></DisplayText><record><rec-number>16</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="055ewx0epzdxzzespttp522xeaxws0ap0r90">16</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Nuevo, Michel</author><author>Milam, Stefanie N</author><author>Sandford, Scott A</author><author>Elsila, Jamie E</author><author>Dworkin, Jason P</author></authors></contributors><titles><title>Formation of uracil from the ultraviolet photo-ir--iation of pyrimidine in pure H2O ices</title><secondary-title>Astrobiology</secondary-title></titles><periodical><full-title>Astrobiology</full-title></periodical><pages>683-695</pages><volume>9</volume><number>7</number><dates><year>2009</year></dates><isbn>1531-1074</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>(Nuevo et al., 2009). پیریمیدین دارای pKa 10/1 میباشد. همچنین دارای خصلت آمفوتری است یعنی هم به عنوان یک اسید و هم به عنوان یک باز عمل میکند (Valentin et al., 2006 )خواص فیزیکی پیریمیدین هافقر الکترونی در حلقه پیریمیدین به جهت حضور دو عنصر الکترون کشنده نیتروژن قابل مقایسه با 3،1-دی‌نیترو بنزن است. این نیتروژن‌ها سبب کاهش دانسیته الکترونی بیشتر روی C2 ، C4 و C6 می‌گردند در نتیجه این کربن‌های پیریمیدین می‌توانند تحت حمله هسته دوست قرار گیرند در حالیکه واکنش‌های الکترون دوستی می‌تواند روی C5 یا اتم‌های نیتروژن انجام گیرد. حمله الکترون دوستی روی پیریمیدین می‌تواند تحت شرایط معمول انجام گیرد اگر حداقل یک گروه الکترون‌دهنده روی حلقه پیریمیدین موجود باشد. در این حالت، هالوژن دارشدن، نیترو دارشدن، نیتروز دارشدن، جفت‌شدن دی‌آزو، سولفون دارشدن و فرمیل دار شدن و واکنش‌هایی از این دسته در موقعیت 5 حلقه پیریمیدین انجام‌پذیر است.
از نظر میزان پایداری، پیریمیدین‌ها در مقابل حرارت بسیار پایدارند که مربوط به ساختار آروماتیکی و ساختارهای آمید مانند آنهاست. در مورد خاصیت بازی پیریمیدین می توان گفت، پیریمیدین باز ضعیفی است که گروههای الکترون‌دهنده خاصیت بازی آن را افزایش می‌دهند.
طیف‌های UV پیریمیدین‌ها به ساختار توتومری حلقه و استخلافات روی حلقه بسیار وابسته است، پیریمیدین‌های بدون استخلاف بوسیله دو پیک در 243 و 298 نانومتر که در سیکلوهگزان اندازه‌گیری شده‌اند، شناخته می‌شوند.
مهمترین روش برای تعیین ساختار پیریمیدین‌ها، طیف‌سنجی رزونانس مغناطیسی هسته (NMR) است. در طیف NMR H1 پیریمیدین‌ها جابجائی شیمیائی هیدروژن‌های حلقه در محدوده ناحیه ساختار آروماتیک است و در طیف NMR 13C پیریمیدین هم کربن‌های حلقه پیریمیدین در ناحیه ساختار آروماتیک پدیدار می‌گردند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Cesar</Author><Year>2005</Year><RecNum>2343</RecNum><DisplayText>(Cesar, 2005)</DisplayText><record><rec-number>2343</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="50wxdpzd9vd5r7e9t5b595djrfpttrxw9avp">2343</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Cesar, Jozko</author></authors></contributors><titles><title>Solid-Phase Synthesis of Structurally Diverse 2-Alkyl-and 2-Aryl-Pyrimidines from Support-Bound Amidines</title><secondary-title>Journal of combinatorial chemistry</secondary-title></titles><periodical><full-title>Journal of combinatorial chemistry</full-title></periodical><pages>517-519</pages><volume>7</volume><number>4</number><dates><year>2005</year></dates><isbn>1520-4766</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>( Cesar, J. 2005)
خواص زیستی مشتقات پیریمیدینمشتقات پیریمیدین دارای گستره وسیعی از کاربردهای داروئی هستند. مشتقات پیریمیدین در ترکیب تعدادی از داروهای مفید وجود دارند .(Patel et al. 2003) گزارشهایی از مشتقات پیریمیدین به عنوان مواد ضد باکتری ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Deshmukh</Author><Year>2009</Year><RecNum>88</RecNum><DisplayText>(Deshmukh et al., 2009)</DisplayText><record><rec-number>88</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="e95ppwteuvrss5e9x245tvvjprwzpvz9t0tf">88</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Deshmukh, MB</author><author>Salunkhe, SM</author><author>Patil, DR</author><author>Anbhule, PV</author></authors></contributors><titles><title>A novel and efficient one step synthesis of 2-amino-5-cyano-6-hydroxy-4-aryl pyrimidines and their anti-bacterial activity</title><secondary-title>European journal of medicinal chemistry</secondary-title></titles><periodical><full-title>European journal of medicinal chemistry</full-title></periodical><pages>2651-2654</pages><volume>44</volume><number>6</number><dates><year>2009</year></dates><isbn>0223-5234</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>(Deshmukh et al., 2009) ضددرد، ضدویروس، ضد التهاب ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Amr</Author><Year>2007</Year><RecNum>83</RecNum><DisplayText>(Amr et al., 2007)</DisplayText><record><rec-number>83</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="e95ppwteuvrss5e9x245tvvjprwzpvz9t0tf">83</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Amr, Abd El-Galil E</author><author>Sabry, Nermien M</author><author>Abdulla, Mohamed M</author></authors></contributors><titles><title>Synthesis, reactions, and anti-inflammatory activity of heterocyclic sys--s fused to a thiophene moiety using citrazinic acid as synthon</title><secondary-title>Monatshefte für Chemie-Chemical Monthly</secondary-title></titles><periodical><full-title>Monatshefte für Chemie-Chemical Monthly</full-title></periodical><pages>699-707</pages><volume>138</volume><number>7</number><dates><year>2007</year></dates><isbn>0026-9247</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>(Amr et al., 2007) ضد HIV ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Fujiwara</Author><Year>2008</Year><RecNum>89</RecNum><DisplayText>(Fujiwara et al., 2008)</DisplayText><record><rec-number>89</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="e95ppwteuvrss5e9x245tvvjprwzpvz9t0tf">89</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Fujiwara, Norio</author><author>Nakajima, Takashi</author><author>Ueda, Yutaka</author><author>Fujita, Hitoshi</author><author>Kawakami, Hajime</author></authors></contributors><titles><title>Novel piperidinylpyrimidine derivatives as inhibitors of HIV-1 LTR activation</title><secondary-title>Bioorganic &amp; medicinal chemistry</secondary-title></titles><periodical><full-title>Bioorganic &amp; medicinal chemistry</full-title></periodical><pages>9804-9816</pages><volume>16</volume><number>22</number><dates><year>2008</year></dates><isbn>0968-0896</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>(Fujiwara et al., 2008)، ضدسل ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Ballell</Author><Year>2007</Year><RecNum>85</RecNum><DisplayText>(Ballell et al., 2007)</DisplayText><record><rec-number>85</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="e95ppwteuvrss5e9x245tvvjprwzpvz9t0tf">85</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Ballell, Lluis</author><author>Field, Robert A</author><author>Chung, Gavin AC</author><author>Young, Robert J</author></authors></contributors><titles><title>New thiopyrazolo [3, 4-&lt; i&gt; d&lt;/i&gt;] pyrimidine derivatives as anti-mycobacterial agents</title><secondary-title>Bioorganic &amp; medicinal chemistry letters</secondary-title></titles><periodical><full-title>Bioorganic &amp; Medicinal Chemistry Letters</full-title></periodical><pages>1736-1740</pages><volume>17</volume><number>6</number><dates><year>2007</year></dates><isbn>0960-894X</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>(Ballell et al., 2007)، ضد سرطان ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Wagner</Author><Year>2008</Year><RecNum>98</RecNum><DisplayText>(Wagner et al., 2008)</DisplayText><record><rec-number>98</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="e95ppwteuvrss5e9x245tvvjprwzpvz9t0tf">98</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Wagner, Edwin</author><author>Al-Kadasi, Kamal</author><author>Zimecki, Michał</author><author>Sawka-Dobrowolska, Wanda</author></authors></contributors><titles><title>Synthesis and pharmacological screening of derivatives of isoxazolo [4, 5-&lt; i&gt; d&lt;/i&gt;] pyrimidine</title><secondary-title>European journal of medicinal chemistry</secondary-title></titles><periodical><full-title>European journal of medicinal chemistry</full-title></periodical><pages>2498-2504</pages><volume>43</volume><number>11</number><dates><year>2008</year></dates><isbn>0223-5234</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>(Wagner et al., 2008)، ضد پارکینسون ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Azam</Author><Year>2009</Year><RecNum>84</RecNum><DisplayText>(Azam et al., 2009)</DisplayText><record><rec-number>84</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="e95ppwteuvrss5e9x245tvvjprwzpvz9t0tf">84</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Azam, Faizul</author><author>Alkskas, Ismail A</author><author>Ahmed, Musa A</author></authors></contributors><titles><title>Synthesis of some urea and thiourea derivatives of 3-phenyl/ethyl-2-thioxo-2, 3-dihydrothiazolo [4, 5-&lt; i&gt; d&lt;/i&gt;] pyrimidine and their antagonistic effects on haloperidol-induced catalepsy and oxidative stress in mice</title><secondary-title>European journal of medicinal chemistry</secondary-title></titles><periodical><full-title>European journal of medicinal chemistry</full-title></periodical><pages>3889-3897</pages><volume>44</volume><number>10</number><dates><year>2009</year></dates><isbn>0223-5234</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>(Azam et al., 2009) و ضد قارچ ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Chhabria</Author><Year>2009</Year><RecNum>87</RecNum><DisplayText>(Chhabria and Jani, 2009)</DisplayText><record><rec-number>87</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="e95ppwteuvrss5e9x245tvvjprwzpvz9t0tf">87</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Chhabria, Mahesh T</author><author>Jani, Mitesh H</author></authors></contributors><titles><title>Design, synthesis and antimycobacterial activity of some novel imidazo [1, 2-&lt; i&gt; c&lt;/i&gt;] pyrimidines</title><secondary-title>European journal of medicinal chemistry</secondary-title></titles><periodical><full-title>European journal of medicinal chemistry</full-title></periodical><pages>3837-3844</pages><volume>44</volume><number>10</number><dates><year>2009</year></dates><isbn>0223-5234</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>(Chhabria and Jani, 2009) و همچنین بعنوان داروی خواب آور ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Raman</Author><Year>2004</Year><RecNum>96</RecNum><DisplayText>(Raman et al., 2004)</DisplayText><record><rec-number>96</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="e95ppwteuvrss5e9x245tvvjprwzpvz9t0tf">96</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Raman, Natarajan</author><author>Kulandaisamy, Antonysamy</author><author>Thangaraja, Chinnathangavel</author><author>Manisankar, Paramasivan</author><author>Viswanathan, Subramanian</author><author>Vedhi, Chinnapayan</author></authors></contributors><titles><title>Synthesis, structural characterisation and electrochemical and antibacterial studies of Schiff base copper complexes</title><secondary-title>Transition metal chemistry</secondary-title></titles><periodical><full-title>Transition metal chemistry</full-title></periodical><pages>129-135</pages><volume>29</volume><number>2</number><dates><year>2004</year></dates><isbn>0340-4285</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>(Raman et al., 2004) در منابع شیمی ارائه شده است.
فولیک اسید که به نام‌های فولات یا ویتامین B9 نیز خوانده می‌شود برای بسیاری از اعمال بدن از جمله سلامتی سیستم عصبی، خون و یاخته‌ها حیاتی و اساسی است. این ویتامین بدن را در مقابل بیماری‌های قلبی، نقصهای مادرزادی، پوکی استخوان و سرطان‌های مشخصی حفظ می‌کند. در فراورده‌های غذایی (برای مثال جوشیده یا حرارت داده شده) فولیک اسید از بین می‌رود. نگه داشتن غذا در حرارت اتاق به مدت طولانی نیز می‌تواند محتوای فولیک اسید آن را از بین ببرد. کمبود فولیک اسید موجب اختلال رشد، کم‌خونی ماکروسیتیک، اسهال، نوروپاتی محیطی و نقائص لوله عصبی در جنین می شود Blakley, R. L)).20350091741225شکل1 SEQ شکل * ARABIC s 1 3: ساختار فولیک اسید
0شکل1 SEQ شکل * ARABIC s 1 3: ساختار فولیک اسید

-398780-11239500
14782802963545شکل1 SEQ شکل * ARABIC s 1 4: ساختار پرازوسین00شکل1 SEQ شکل * ARABIC s 1 4: ساختار پرازوسینپرازوسین یکی دیگر از مشتقات پیریمیدین می باشد که با بلوک‌کردن گیرنده‌های آلفا آدرنرژیک، عروق خون محیطی را گشاد می‌کند، مقاومت محیطی را پائین آورده و فشارخون را کم می‌نماید و در درمان افزایش فشارخون و هیپروتروفی خوش‌خیم پروستات کاربرد دارد (شکل1-4) ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Gogoi</Author><Year>2013</Year><RecNum>30</RecNum><DisplayText><style font="Times New Roman" size="12">(Gogoi et al., 2013)</style></DisplayText><record><rec-number>30</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="055ewx0epzdxzzespttp522xeaxws0ap0r90">30</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Gogoi, Junali</author><author>Gogoi, Pranjal</author><author>Bezbaruah, Pranjal</author><author>Boruah, Romesh C</author></authors></contributors><titles><title>Microwave-assisted Pd-catalyzed synthesis of fused steroidal and non-steroidal pyrimidines from β-halo-α, β-unsaturated aldehydes</title><secondary-title>Tetrahedron Letters</secondary-title></titles><periodical><full-title>Tetrahedron letters</full-title></periodical><pages>7136-7139</pages><volume>54</volume><number>52</number><dates><year>2013</year></dates><isbn>0040-4039</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>(Gogoi et al., 2013).
ویتامین B1 یا تیامین دارای دو حلقه هتروسییکلی می‌باشد که یکی از آنها گوگرددار به نام تیازول و دیگری حلقه دو ازت‌دار پیریمیدین است. حلقه پیریمیدین به صورت 5،2-دی متیل-4- آمینو پیریمیدین و حلقه تیازول به صورت 4 متیل 5 هیدروکسی اتیل تیازول می‌باشد. این دو حلقه توسط ازت حلقه تیازول و متیل کربن شماره 5 پیریمیدین به یکدیگر متصل می‌شوند. ویتامین تیامین یکی از ویتامینهای محلول در آب است.
عملکرد تیامین در اندامها، فعال کردن آنزیمهای لازم برای سوختن قند در بدن است. این ویتامین نقش اساسی در ادامه عملکرد چرخه کربس دارد. نقش مهم دیگر آن در اعصاب است. ما برای انجام هر حرکت و یا درک احساس از محیط نیاز داریم پیامهای عصبی از مغز به اعصاب بدن و بالعکس منتقل شوند، ویتامین B1 در انتقال پیامهای عصبی نقش مهمی دارد.
کمبود ویتامین B1 در انسان سبب بروز بیماری بری‌بری می‌گردد که معمولاً با عوارض قلبی- عروقی و عوارض عصبی و خیز همراه است. عوارض قلبی- عروقی شامل تپش قلب، نفس تنگی و هیپرتروفی قلب می‌باشد که تدریجاً منجر به احتقان قلب، کبد، ریه و پیدایش خیز می‌گردد. عوارض عصبی نیز منجر به پلی نوریت اعصاب محیط می‌گردد که ممکن است با یک خونریزی مغزی همراه باشد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Zoltewicz</Author><Year>1994</Year><RecNum>92</RecNum><DisplayText>(Zoltewicz and Uray, 1994)</DisplayText><record><rec-number>92</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="e95ppwteuvrss5e9x245tvvjprwzpvz9t0tf">92</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Zoltewicz, John A</author><author>Uray, Georg</author></authors></contributors><titles><title>Thiamin: a critical evaluation of recent chemistry of the pyrimidine ring</title><secondary-title>Bioorganic chemistry</secondary-title></titles><periodical><full-title>Bioorganic chemistry</full-title></periodical><pages>1-28</pages><volume>22</volume><number>1</number><dates><year>1994</year></dates><isbn>0045-2068</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>(Zoltewicz and Uray, 1994).
2095501714500022899761338828شکل1 SEQ شکل * ARABIC s 1 5: ساختمان شیمیایی ویتامین B100شکل1 SEQ شکل * ARABIC s 1 5: ساختمان شیمیایی ویتامین B1
ساختار زیر مشتقی از پیریمیدین را نشان میدهد که به عنوان ضد انگل کاربرد دارد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Deng</Author><Year>2010</Year><RecNum>35</RecNum><DisplayText><style font="Times New Roman" size="12">(Deng</style><style face="italic" font="Times New Roman" size="12"> et al.</style><style font="Times New Roman" size="12">, 2010)</style></DisplayText><record><rec-number>35</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="055ewx0epzdxzzespttp522xeaxws0ap0r90">35</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Deng, Xianming</author><author>Nagle, Advait</author><author>Wu, Tao</author><author>Sakata, Tomoyo</author><author>Henson, Kerstin</author><author>Chen, Zhong</author><author>Kuhen, Kelli</author><author>Plouffe, David</author><author>Winzeler, Elizabeth</author><author>Adrian, Francisco</author></authors></contributors><titles><title>Discovery of novel 1&lt; i&gt; H&lt;/i&gt;-imidazol-2-yl-pyrimidine-4, 6-diamines as potential antimalarials</title><secondary-title>Bioorganic &amp; medicinal chemistry letters</secondary-title></titles><periodical><full-title>Bioorganic &amp; medicinal chemistry letters</full-title></periodical><pages>4027-4031</pages><volume>20</volume><number>14</number><dates><year>2010</year></dates><isbn>0960-894X</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>(Deng et al., 2010)
12591461751285شکل1 SEQ شکل * ARABIC s 1 6: ساختار پیریمیدین به عنوان ضد انگل00شکل1 SEQ شکل * ARABIC s 1 6: ساختار پیریمیدین به عنوان ضد انگل
Weinhardt و همکارانش در سال 1985، موفق به تهیه ی مشتق های دیگری از پیریمیدین گردیدند(شکل 1-7) که بر سیستم اعصاب مرکزی تاثیر گذاشته و خصلت ضد افسردگی از خود نشان می دهند .(Weinhardt et al., 1985)

شکل1 SEQ شکل * ARABIC s 1 7: مشتق پیریمیدین با خصلت ضد افسردگیتری متوپریم (شکل1-8) آنتی بیوتیکی است که در درمان عفونتها بخصوص عفونتهای ادراری مصرف دارد. البته اغلب تری متوپریم به همراه سولفامتوکسازول در ترکیب با هم (به نام کوتریموکسازول) بکار میرود. تریمتوپریم با تداخل در عملکرد آنزیم دی هیدروفولات ردوکتاز باکتریها ساخت تترا هیدروفولیک اسید را مهار میکند. تتراهیدروفولیک اسید کوفاکتور ضروری در ساخت تیمیدین و DNA میباشد. باکتریهایی که
فولیک اسید را خودشان تولید میکنند به این دارو حساس هستند لذا این دارو تکثیر آنها را متوقف میکند (Gogoi et al., 2013).
1543507106578شکل1 SEQ شکل * ARABIC s 1 8: ساختار تری متوپریم00شکل1 SEQ شکل * ARABIC s 1 8: ساختار تری متوپریم
پیریمیدین های سه حلقه ای به عنوان آنزیم بازدارنده DYRK1A/DYRK1B در درمان سندرم داون و یا بیماری آلزایمر کاربرد دارندGerard rosse et al ., 2013) ).

1413510171450شکل1 SEQ شکل * ARABIC s 1 9: پیریمیدینهای سه حلقه ای00شکل1 SEQ شکل * ARABIC s 1 9: پیریمیدینهای سه حلقه ای
ترکیب جدید دی پپتیدی (شکل 1-10 ) در سال 2007 گزارش شد که دارای خصلت ضد تومور بود (Yuan et al., 2010).
839470285115شکل1 SEQ شکل * ARABIC s 1 10: مشتق پیریمیدین با خصلت ضد سرطان0شکل1 SEQ شکل * ARABIC s 1 10: مشتق پیریمیدین با خصلت ضد سرطان
در شکل 1-11 مشتقاتی از پیریمیدین دارای خاصیت ضد باکتری هستند (Cieplik et al., 2011).

شکل1 SEQ شکل * ARABIC s 1 11: مشتقاتی از پیریمیدین با خصلت ضد باکترییکی از عوامل ایجاد سرطان بویژه سرطان های انسانی از بین رفتن تنظیمات مسیرآنزیمی phospoinositide-3-kinases(pi3k) می باشد که با استفاده از 2-مورفولینو 4-استخلاف دارشده 6-(3-هیدروکسی فنیل) پیریمیدین مهار می شود ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Burger</Author><Year>2010</Year><RecNum>2347</RecNum><DisplayText>(Burger<style face="italic"> et al.</style>, 2010)</DisplayText><record><rec-number>2347</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="50wxdpzd9vd5r7e9t5b595djrfpttrxw9avp">2347</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Burger, Matthew T</author><author>Knapp, Mark</author><author>Wagman, Allan</author><author>Ni, Zhi-Jie</author><author>Hendrickson, Thomas</author><author>Atallah, Gordana</author><author>Zhang, Yanchen</author><author>Frazier, Kelly</author><author>Verhagen, Joelle</author><author>Pfister, Keith</author></authors></contributors><titles><title>Synthesis and in Vitro and in Vivo Evaluation of Phosphoinositide-3-kinase Inhibitors</title><secondary-title>ACS Medicinal Chemistry Letters</secondary-title></titles><periodical><full-title>ACS Medicinal Chemistry Letters</full-title></periodical><pages>34-38</pages><volume>2</volume><number>1</number><dates><year>2010</year></dates><isbn>1948-5875</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>(Burger et a l., 2010).
14427202019300شکل1 SEQ شکل * ARABIC s 1 12: ساختار پیریمیدین با فعالیت ضد سرطانی00شکل1 SEQ شکل * ARABIC s 1 12: ساختار پیریمیدین با فعالیت ضد سرطانی
شیمی سبز 1:
اصول شیمی سبز طراحی محصولات و فرایندهای شیمیایی است که هدف آن کاهش یا حذف استفاده یا تولید مواد خطرناک میباشد. شیمی سبز در تمام صنایع شیمیایی گسترش یافته است و شامل توسعه استفاده از مواد و فرآیندهای جدید است که در بخش های دیگری مانند کشاورزی، بهداشت، خودرو، هوافضا، انرژی، الکترونیک و مواد پیشرفته تاثیر می گذارد .(John et al .,2006)
چالش بزرگی که پیش روی دولت، صنعت و دانشگاه در رابطه با تکنولوژی های جدید وجود دارد، نحوه استفاده مجدد از مواد و اثرات آن بر محیط زیست است. برای پرداختن به این چالش ها نیاز به همکاری گروههای مختلف بین المللی و سرمایه گذاران می باشد. استفاده از مواد شیمیایی به طور سنتی خطر بالایی دارد بنابراین باید راهکارهایی در نظر گرفته شود که برای سلامتی انسان ها و محیط زیست خطر کمتری داشته باشد (John et al ., 2004).
در سال 1990 قانون پیشگیری از آلودگی های جدید جهت کاهش خطرات مورد تشویق قرار گرفت. شیمیدان ها در حال حاضر روشهای جدیدی که شامل مجموعه ای متنوع از دیدگاهها است برای تولید و استفاده از مواد جدید ارائه می کنند. این روشهای جدید با عنوان شیمی سبز شناخته می شوند که برای از بین بردن خطرهای ذاتی به جای تمرکز بر کاهش خطر یا به حداقل رساندن خطرات یا در معرض قرار گرفتن آن به کار می‌رود(Tucker., 2006). شیمی سبز در تمام چرخه عمر یک محصول شیمیایی از جمله طراحی آن، ساخت، استفاده و دفع نهایی آن نقش دارد. شیمی سبز به عنوان شیمی پایدار نیز شناخته می شود (Anastas et al., 2000).
اصول دوازده گانه شیمی سبز عبارتند از:
( HYPERLINK l "_ENREF_2" o "Anastas, 2002 #122" Anastas and Kirchhoff, 2002)
1-جلوگیری از اتلاف انرژی: طراحی روش سنتز شیمیایی برای جلوگیری از اتلاف انرژی
2-به حداکثر رساندن اقتصاد اتم: طراحی روشهای سنتزی به طوریکه محصول نهایی دارای بالاترین راندمان باشد نسبت به مقدار ماده اولیه مصرفی و تولید کمترین محصول جانبی.
3-طراحی روشهای سنتزی با خطر کمتر: طراحی روشهای سنتزی برای استفاده و تولید مواد با سمیت کم یا بدون سمیت برای هر دو گروه محیط زیست و انسان
4-طراحی و سنتز محصولات شیمیایی ایمن تر: سنتز محصولات شیمیایی که کاملاً مفید بوده و در عین حال سمیت نداشته باشند یا میزان سمیت آنها خیلی کم باشد.
5- استفاده از حلال ها و شرایط واکنش کم خطرتر: استفاده از حلال ها، عوامل جداسازی و یا دیگر مواد شیمیایی کمکی، که سمیت کمتر دارند و ایمن تر هستند.
6-افزایش بهره وری انرژی: انجام واکنش های شیمیایی در دمای اتاق و در بهترین فشار و زمان ممکن
7-استفاده از منابع مواد خام تجدید پذیر: استفاده از منابع مواد اولیه تجدید پذیر به جای منابع تجدید ناپذیر (منابع تجدید پذیر مواد اولیه مانند اغلب محصولات کشاورزی یا مواد زائد از فرایندهای دیگر و منابع تجدید ناپذیر مواد اولیه مانند اغلب سوختهای فسیلی نظیر نفت، گاز طبیعی و زغالسنگ یا مواد اولیه حاصل از استخراج معادن)
8-عدم استفاده از مشتقات شیمیایی: عدم استفاده از گروههای محافظت کننده یا هرگونه تغییرات موقت در مسیر واکنش و یا در صورت امکان استفاده از مشتقات جدید که منجر به ایجاد مواد اضافی و تولید زباله نمی شود.
9-استفاده از کاتالیزور به جای استفاده از نسبتهای هم ارزی از معرف ها: استفاده از کاتالیزور منجر به ایجاد حداقل زباله می شود. کاتالیزورها در مقیاس بسیار کم موثر هستند و قادر به انجام چندین واکنش می باشند در صورتی که استفاده از نسبتهای هم ارزی معرف ها به یک مقدار، زیاد می باشد و تنها برای انجام یک واکنش استفاده می شوند.
10-طراحی روشهایی برای از بین بردن مواد و محصولات شیمیایی پس از استفاده: طراحی روشهای تبدیل محصولات شیمیایی به مواد بی ضرری که وجود آن بر محیط تاثیر بدی نداشته باشد.
11-تجزیه و تحلیل زمان واقعی برای جلوگیری از آلودگی: شامل فرایند انجام واکنش و زمان واقعی نظارت و کنترل در طول سنتز می باشد که برای به حداقل رساندن یا حذف تشکیل محصولات جانبی انجام می شود.
12-به حداقل رساندن حوادث احتمالی: طراحی مواد شیمیایی و شکل فیزیکی آنها (جامد، مایع یا گاز) برای به حداقل رساندن حوادث شیمیایی شامل انفجار، آتش سوزی و حوادثی که منجر به انتشار مواد شیمیایی به محیط زیست میشود .( HYPERLINK l "_ENREF_2" o "Anastas, 2002 #122" Anastas and Kirchhoff, 2002)
کاتالیزورهای نانو:فن آوری نانو می‌تواند‌ با به ارمغان آوردن خصوصیات منحصر به فرد در زمینه سنتز ترکیبات شیمیایی با استفاده از کاتالیزورهای نانو با ویژگی‌هایی نظیر فعالیت، گزینش پذیری و پایداری حرارتی بالا کمک کند تا تبعیت از اصول دوازده‌گانه شیمی سبز به خوبی رعایت گردد. هر چند نانوکاتالیزورها دارای مزایای متفاوتی هستند، ولی جداسازی این کاتالیزورها از مخلوط واکنش چالش برانگیز است. برای نمونه، روش های معمول جداسازی مانند صاف کردن به دلیل سایز کوچک ذرات روش موثری نمیباشد. برای غلبه بر این مشکل استفاده از نانوذرات مغناطیسی هنگام سنتز آنها مورد توجه قرار گرفته است. این نوع از کاتالیزورها علاوه بر اینکه خواص نانویی را دارند، دارای خاصیت مغناطیسی بوده و از محلول واکنش به آسانی توسط یک آهنربای خارجی جداسازی می شوند (Vivek et al., 2011).
558165175895فصل دوم
مروری بر تحقیقات انجام شده
00فصل دوم
مروری بر تحقیقات انجام شده

مروری بر تحقیقات انجام شدهمقدمهکاربرد فراوان مشتقات پیریمیدین در زمینه های دارویی و پزشکی، تلاش در زمینه سنتز مشتقات جدید این ترکیبات را الزامی می نماید که در این فصل به بررسی برخی از آنها پرداخته و در ادامه به برخی از واکنشهای پیریمیدین و مشتقات آن اشاره میشود. این ترکیبات سنتز شده، توسط داده های طیفی NMR، IR و تجزیه و تحلیل عنصری مشخص شده اند. مطالعه سیستماتیک پیریمیدینها در سال 1884 آغاز شد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Pinner</Author><Year>1884</Year><RecNum>8</RecNum><DisplayText><style font="Times New Roman" size="12">(Pinner, 1884)</style></DisplayText><record><rec-number>8</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="055ewx0epzdxzzespttp522xeaxws0ap0r90">8</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Pinner, A</author></authors></contributors><titles><title>Ueber die Einwirkung von Acetessigäther auf die Amidine</title><secondary-title>Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft</secondary-title></titles><periodical><full-title>Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft</full-title></periodical><pages>2519-2520</pages><volume>17</volume><number>2</number><dates><year>1884</year></dates><isbn>1099-0682</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>(Pinner, 1884) که طی آن مشتقات پیریمیدین از اتیل استواستات غلیظ با آمیدها سنتز گردیدند.. سنتز پیریمیدینها به طور معمول، شامل حلقه زایی ترکیبات بتا- دی کربونیل با ترکیبات دارای اسکلت N-C-N می باشد. در واکنش ترکیبات بتا- دی کربونیل با مشتقات آمیدینی، مشتقات پیریمیدینی دارای استخلاف در موقعیت 2، با اوره، 2-پیریمیدونها و با گوانیدینها، 2-آمینوپیریمیدینها سنتز گردیدند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Brown</Author><Year>1994</Year><RecNum>25</RecNum><DisplayText><style font="Times New Roman" size="12">(Brown, 1994)</style></DisplayText><record><rec-number>25</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="055ewx0epzdxzzespttp522xeaxws0ap0r90">25</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Brown, DJ</author></authors></contributors><titles><title>Primary Syntheses</title><secondary-title>Quinoxalines: Supplement II, Volume 61</secondary-title></titles><periodical><full-title>Quinoxalines: Supplement II, Volume 61</full-title></periodical><pages>1-92</pages><dates><year>1994</year></dates><isbn>0471533408</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>(Brown, 1994).
بررسی روش های سنتز مشتقات پیریمیدینیسنتز پیریمیدینها با استفاده از مشتقات 3،1-دی فنیل-2-پروپنون Kachrooو همکارانش از واکنش مشتقات 3،1-دی فنیل-2-پروپنون (1) با گوانیدین در حضور اسید مشتقات پیریمیدین (2) را سنتز کردند ( شکل2-1) (2014 Kachroo et al.,).

-318051367183شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل * ARABIC s 1 1: سنتز پیریمیدینها با استفاده ازمشتقی از 3،1-دی فنیل-2-پروپنون
00شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل * ARABIC s 1 1: سنتز پیریمیدینها با استفاده ازمشتقی از 3،1-دی فنیل-2-پروپنون

از تراکم مشتقات چالکون (3) و گوانیدین هیدرو کلرید در محیط بازی، مشتقات 2- آمینو پیریمیدین (4) سنتز گردید شکل (2-2) .(Van Veldhove et al ., 2008)
3994152509520شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل * ARABIC s 1 2: مشتقات 2-آمینو پیریمیدین0شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل * ARABIC s 1 2: مشتقات 2-آمینو پیریمیدین
سنتز پیریمیدین‌ها از طریق 2-دی متیل آمینو 3- اکسو بوتانواتاز واکنش مشتقات آمیدینی با 2-دی متیل آمینو 3- اکسو بوتانوات (5) درحلال اتانول، مشتقات پیریمیدین (6) سنتز شد (شکل2-3) ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Tomma</Author><Year>2014</Year><RecNum>47</RecNum><DisplayText><style font="Times New Roman" size="12">(Tomma</style><style face="italic" font="Times New Roman" size="12"> et al.</style><style font="Times New Roman" size="12">, 2014)</style></DisplayText><record><rec-number>47</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="055ewx0epzdxzzespttp522xeaxws0ap0r90">47</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Tomma, Jumbad H</author><author>Khazaal, Mus-- S</author><author>Al-Dujaili, Ammar H</author></authors></contributors><titles><title>Synthesis and characterization of novel Schiff bases containing pyrimidine unit</title><secondary-title>Arabian Journal of Chemistry</secondary-title></titles><periodical><full-title>Arabian Journal of Chemistry</full-title></periodical><pages>157-163</pages><volume>7</volume><number>1</number><dates><year>2014</year></dates><isbn>1878-5352</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>(Tomma et al., 2014).

شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل * ARABIC s 1 3: سنتز پیریمیدینها با استفاده از 2-دی متیل آمینو 3- اکسو بوتانواتR1=alkyl, aryR2=Me, EtR3=NH2, Me, Ph
سنتز مشتقات 4-کلروپیریمیدینبرخی از مشتقات پیریمیدین به عنوان داروی ضد افسردگی کاربرد دارند و نیاز به داروهای ضدافسردگی جدید موجب تلاش برای سنتز این ترکیبات شده است. از واکنش نمک اسیدی ترکیبات آمیدینی با مشتقات کتو استر (7) در حضور سدیم اتوکسید و کلردار کردن توسط POCl3 مشتقات 4-کلروپیریمیدین (8) سنتز میشود (شکل2-4) ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Kim</Author><Year>2010</Year><RecNum>32</RecNum><DisplayText><style font="Times New Roman" size="12">(Kim</style><style face="italic" font="Times New Roman" size="12"> et al.</style><style font="Times New Roman" size="12">, 2010)</style></DisplayText><record><rec-number>32</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="055ewx0epzdxzzespttp522xeaxws0ap0r90">32</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Kim, Jong Yup</author><author>Kim, Deukjoon</author><author>Kang, Suk Youn</author><author>Park, Woo-Kyu</author><author>Kim, Hyun Jung</author><author>Jung, Myung Eun</author><author>Son, Eun-Jung</author><author>Pae, Ae Nim</author><author>Kim, Jeongmin</author><author>Lee, Jinhwa</author></authors></contributors><titles><title>Arylpiperazine-containing pyrimidine 4-carboxamide derivatives targeting serotonin 5-HT&lt; sub&gt; 2A&lt;/sub&gt;, 5-HT&lt; sub&gt; 2C&lt;/sub&gt;, and the serotonin transporter as a potential antidepressant</title><secondary-title>Bioorganic &amp; medicinal chemistry letters</secondary-title></titles><periodical><full-title>Bioorganic &amp; medicinal chemistry letters</full-title></periodical><pages>6439-6442</pages><volume>20</volume><number>22</number><dates><year>2010</year></dates><isbn>0960-894X</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>(Kim et al., 2010).

شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل * ARABIC s 1 4: سنتز مشتقات 4-کلروپیریمیدینسنتز مشتقات 5 - آلکیل پیریمیدینkraljevic و همکارانش با شروع از دی هیدروفوران 2-(3H)- ان (9) ابتدا ترکیب 1-((Z)-(دی هیدرو-2-اکسوفوران-3(2H)-ایلیدین) اوره (10) را سنتز کرده و بعد در حضور اتوکسید، اتانول و تحت رفلاکس حلقهی فوران باز و حلقه پیریمیدین بسته میشود (11). در نهایت در واکنش با POCl3و-N,N دی اتیل آنیلین، حلقه پیریمیدین کلر دار شده و ترکیب 5 -(2- کلرو اتیل )-2،4-دی کلروپیریمیدین (12) به دست میآید ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Kraljević</Author><Year>2012</Year><RecNum>36</RecNum><DisplayText><style font="Times New Roman" size="12">(Kraljević</style><style face="italic" font="Times New Roman" size="12"> et al.</style><style font="Times New Roman" size="12">, 2012)</style></DisplayText><record><rec-number>36</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="055ewx0epzdxzzespttp522xeaxws0ap0r90">36</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Kraljević, Tatjana Gazivoda</author><author>Klika, Mateja</author><author>Kralj, Marijeta</author><author>Martin-Kleiner, Irena</author><author>Jurmanović, Stella</author><author>Milić, Astrid</author><author>Padovan, Jasna</author><author>Raić-Malić, Silvana</author></authors></contributors><titles><title>Synthesis, cytostatic activity and ADME properties of C-5 substituted and N-acyclic pyrimidine derivatives</title><secondary-title>Bioorganic &amp; medicinal chemistry letters</secondary-title></titles><periodical><full-title>Bioorganic &amp; medicinal chemistry letters</full-title></periodical><pages>308-312</pages><volume>22</volume><number>1</number><dates><year>2012</year></dates><isbn>0960-894X</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>(Kraljević et al., 2012).

Reagents and conditions: (i) NaOMe, ether, HCOOCH3, rt, 24 h; urea, 3 M HCl, 4 _C, 24 h; (ii) NaOEt, EtOH, reflux, 6 h; (iii) POCl3, N,N-diethylaniline, reflux, 1 h;
شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل * ARABIC s 1 5: سنتز مشتقات 5 - آلکیل پیریمیدینسنتز پیرول ] 2،1- [cپیریمیدین هاArafa و همکارانش در سال 2013 مشتقات پیرول ] 2،1-c [پیریمیدین ها (14) را به عنوان یک عامل ضد سرطان سنتز کردند. آنها از 2-پیرولیدین-2- ایلیدین مالونونیتریل (13) به عنوان ماده اولیه استفاده کردند.
940317225366شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل * ARABIC s 1 6: سنتز پیرول ] 1،2- C [پیریمیدین ها0شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل * ARABIC s 1 6: سنتز پیرول ] 1،2- C [پیریمیدین ها
سنتز مشتقات پیریمیدینی با کاتالیزور پالادیماز واکنش آمیدین هیدرو کلرید با β-هالو-α،β-آلدهیدهای غیراشباع (15) درحضور کاتالیزور پالادیم و لیگاند، مشتقات پیریمیدینی (16) سنتز گردیدند (شکل2-7) ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Gogoi</Author><Year>2013</Year><RecNum>38</RecNum><DisplayText><style font="Times New Roman" size="12">(Gogoi et al., 2013)</style></DisplayText><record><rec-number>38</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="055ewx0epzdxzzespttp522xeaxws0ap0r90">38</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Gogoi, Junali</author><author>Gogoi, Pranjal</author><author>Bezbaruah, Pranjal</author><author>Boruah, Romesh C</author></authors></contributors><titles><title>Microwave-assisted Pd-catalyzed synthesis of fused steroidal and non-steroidal pyrimidines from β-halo-α, β-unsaturated aldehydes</title><secondary-title>Tetrahedron Letters</secondary-title></titles><periodical><full-title>Tetrahedron letters</full-title></periodical><pages>7136-7139</pages><volume>54</volume><number>52</number><dates><year>2013</year></dates><isbn>0040-4039</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>(Gogoi et al., 2013).

: سنتز مشتقات پیریمیدینی با کاتالیزور پالادیم شکل 2-7سنتز پیریمیدینها از طریق واکنش بسته شدن حلقه/ آزا-ویتیگ79513367515شکل STYLEREF 1 s ‏28: سنتز پیریمیدینها به واکنش بسته شدن حلقه/ آزا-ویتینگ0شکل STYLEREF 1 s ‏28: سنتز پیریمیدینها به واکنش بسته شدن حلقه/ آزا-ویتینگبا استفاده از مشتقات 5-آزیدو -1H-پیرازول-4-کربالدهید (17) به عنوان ماده اولیه، درحضور تری فنیل فسفین، آمینها و ایزوسیاناتها، با گذر از حدواسط (18) مشتقات پیرازول ]4،3-[dپیریمیدین (19) سنتز گردید (شکل 2-8 ) ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Liao</Author><Year>2013</Year><RecNum>42</RecNum><DisplayText><style font="Times New Roman" size="12">(Liao</style><style face="italic" font="Times New Roman" size="12"> et al.</style><style font="Times New Roman" size="12">, 2013)</style></DisplayText><record><rec-number>42</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="055ewx0epzdxzzespttp522xeaxws0ap0r90">42</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Liao, Subo</author><author>Xing, Li</author><author>Hamper, Bruce</author></authors></contributors><titles><title>Synthesis of 1&lt; i&gt; H&lt;/i&gt;-pyrazolo [3, 4-&lt; i&gt; d&lt;/i&gt;] pyrimidines via solid-phase Aza-Wittig/electrocyclic ring closure reaction</title><secondary-title>Tetrahedron Letters</secondary-title></titles><periodical><full-title>Tetrahedron letters</full-title></periodical><pages>6855-6857</pages><volume>54</volume><number>50</number><dates><year>2013</year></dates><isbn>0040-4039</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>(Liao et al., 2013).
سنتز پیریمیدین N-اکسیدها از طریق واکنش افزایش هسته دوستیپیریمیدین N-اکسیدها در سال های اخیر اهمیت فراوانی پیدا کرده است. این ترکیبات به عنوان ضد فشار خون بالا، درمان طاسی مردان، تنظیم کننده رشد و به عنوان علف کش کاربرد دارند. صرفنظر از خواص بیولوژیکی، پیریمیدین-N-اکسیدها به عنوان واسطه در سنتز هتروسیکلهای دیگر هم استفاده میشود. از واکنش 4-کلرو-3-فرمیل کوماریل با کربوکسامید اکسیم های آروماتیک بعد از بسته شدن حلقه همراه با خروج آب، پیریمیدین N-اکسیدها سنتز میشوند )شکل2-9( ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Jalli</Author><Year>2013</Year><RecNum>41</RecNum><DisplayText><style font="Times New Roman" size="12">(Jalli</style><style face="italic" font="Times New Roman" size="12"> et al.</style><style font="Times New Roman" size="12">, 2013)</style></DisplayText><record><rec-number>41</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="055ewx0epzdxzzespttp522xeaxws0ap0r90">41</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Jalli, Venkata Prasad</author><author>Jaggavarapu, Satyanarayana Reddy</author><author>Kamalakaran, Anand Solomon</author><author>Gangisetty, Sravan Kumar</author><author>Nanubolu, Jagadeesh Babu</author><author>Gaddamanugu, Gopikrishna</author></authors></contributors><titles><title>Direct access to novel chromeno-pyrimidine-&lt; i&gt; N&lt;/i&gt;-oxides via tandem base catalyzed double nucleophilic addition/dehydration reaction</title><secondary-title>Tetrahedron Letters</secondary-title></titles><periodical><full-title>Tetrahedron letters</full-title></periodical><pages>1491-1494</pages><volume>54</volume><number>11</number><dates><year>2013</year></dates><isbn>0040-4039</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>(Jalli et al., 2013).

شکل STYLEREF 1 s ‏29: سنتز پیریمیدین N-اکسیدها از طریق افزایش نوکلئوفیلی و واکنش آب زداییسنتز مشتقات پیریمیدینی پر استخلاف، با شروع از دی اتیل مالونات
مشتقات 1-فنیل سولفونیل-3-فنیل پیریمیدین 6،4،2-(1H،3H،5H) تریونها (25) دارای اثرات ضد تومور میباشند. در شکل2-10 این ترکیبات طی دو مرحله و با شروع از دی اتیل مالونات (23) و فنیل اوره در حلال اتانول با گذر از حد واسط (24) سنتز میشوند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>El-Deeb</Author><Year>2010</Year><RecNum>44</RecNum><DisplayText><style font="Times New Roman" size="12">(El-Deeb</style><style face="italic" font="Times New Roman" size="12"> et al.</style><style font="Times New Roman" size="12">, 2010)</style></DisplayText><record><rec-number>44</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="055ewx0epzdxzzespttp522xeaxws0ap0r90">44</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>El-Deeb, Ibrahim M</author><author>Bayoumi, Said M</author><author>El-Sherbeny, Magda A</author><author>Abdel-Aziz, Alaa A-M</author></authors></contributors><titles><title>Synthesis and antitumor evaluation of novel cyclic arylsulfonylureas: ADME-T and pharmacophore prediction</title><secondary-title>European journal of medicinal chemistry</secondary-title></titles><periodical><full-title>European journal of medicinal chemistry</full-title></periodical><pages>2516-2530</pages><volume>45</volume><number>6</number><dates><year>2010</year></dates><isbn>0223-5234</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>(El-Deeb et al., 2010).
8356602173605شکل STYLEREF 1 s ‏210: سنتز مشتقات پیریمیدینی با شروع از دی اتیل مالونات
0شکل STYLEREF 1 s ‏210: سنتز مشتقات پیریمیدینی با شروع از دی اتیل مالونات

سنتز پیریمیدینهای حاوی گروههای عاملی زیاد از طریق واکنشهای سه جزئی اسماعیلی و همکارانش با یک واکنش سه جزئی و استفاده از ایزوسیانیدها (26)، دی آلکیل استیلن دی کربوکسیلات (27) و 2-ایمینو-3،1-تیازولیدین-4- ان (28) به عنوان مواد اولیه توانستند 3-اکسو-3،2-دی هیدرو -5H-تیازول ]3،2-a [پیریمیدین ها (29) را سنتز کنند (شکل2-11) ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Esmaeili</Author><Year>2012</Year><RecNum>40</RecNum><DisplayText><style font="Times New Roman" size="12">(Esmaeili</style><style face="italic" font="Times New Roman" size="12"> et al.</style><style font="Times New Roman" size="12">, 2012)</style></DisplayText><record><rec-number>40</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="055ewx0epzdxzzespttp522xeaxws0ap0r90">40</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Esmaeili, Abbas Ali</author><author>Zangouei, Mahdieh</author><author>Fakhari, Ali Reza</author><author>Habibi, Azizollah</author></authors></contributors><titles><title>An efficient regioselective synthesis of highly functionalized 3-oxo-2, 3-dihydro-5&lt; i&gt; H&lt;/i&gt;-thiazolo [3, 2-&lt; i&gt; a&lt;/i&gt;] pyrimidines via an isocyanide-based three-component reaction</title><secondary-title>Tetrahedron Letters</secondary-title></titles><periodical><full-title>Tetrahedron letters</full-title></periodical><pages>1351-1353</pages><volume>53</volume><number>11</number><dates><year>2012</year></dates><isbn>0040-4039</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>(Esmaeili et al., 2012).
857251912620شکل STYLEREF 1 s ‏211: سنتز پیریمیدینهای حاوی گروههای عاملی زیاد از طریق واکنش های سه جزئی0شکل STYLEREF 1 s ‏211: سنتز پیریمیدینهای حاوی گروههای عاملی زیاد از طریق واکنش های سه جزئی
سنتز فضاگزین مشتقات پیریمیدینبیضائی و همکاران در سال 2013، مشتقی از پیریمیدین(30) را تحت شرایط بدون حلال و در دمای محیط تهیه نمودند. شمای کلی واکنش در شکل 2-13 نشان داده شده است. مسیر 1 با داشتن بازده بالاتر و زمان واکنش کوتاه تر موثرتر از مسیر 2 است، اما نیاز به گرمای بیشتری دارد.

شکل STYLEREF 1 s ‏212: مشتق دوحلقه ای پیریمیدین
شکل STYLEREF 1 s ‏213: نمای کلی سنتز مشتقات پیریمیدین و ایمیدازول توسط بیضائی و همکاران2-2-12سنتز پیریمیدین با استفاده از کاتالیزور با ساختار نانوگزارش‌هایی در مورد استفاده از کاتالیزور با ساختار نانو جهت سنتز پیریمیدین (31) به روش سه‌جزئی نیز وجود دارد که با استفاده از مالونونیتریل، آلدهید و مشتقات آمیدین اقدام به این کار شده است .(Sheibani et al .,2009)
8667751637665شکل STYLEREF 1 s ‏214: سنتز پیریمیدین با استفاده از کاتالیزور نانو0شکل STYLEREF 1 s ‏214: سنتز پیریمیدین با استفاده از کاتالیزور نانو واکنشهای پیریمیدیناز آنجا که در پیریمیدینها نسبت به پیریدینها جانشینی الکترون دوستی کمتر است، پروتون یا آلکیل دار شدن معمولاً روی یکی از نیتروژنهای حلقه انجام میشود. مونو -Nاکسیداسیون توسط واکنش با پراسیدها انجام میگیرد. واکنشهای جایگزینی الکترون دوستی، از جمله: نیترو دارکردن، نیتروز دارکردن، جفت شدن آزو، هالوژن دارکردن، سولفون دارکردن، فرمیل دارکردن، هیدروکسی متیل دارکردن و آمینومتیل دارکردن در موقعیت 5-پیریمیدین رخ میدهد.
واکنش جانشینی الکترون دوستی
اتم‌های نیتروژن پیریمیدین‌ها خصلت هسته دوستی دارند و می‌توانند آلکیل دار شوند، پیریمیدین‌هایی که دارای گروه الکترون‌دهنده باشند می‌توانند روی نیتروژن‌های خود آسیل دار شوند، به عنوان مثال اوراسیل و تیمین (32) آسیل دار می‌شوند و مشتقات 1-استیل مربوطه را با استیک انیدرید (33) تولید می‌نمایند.
10477501517650شکل STYLEREF 1 s ‏215: سنتز مشتقات 1-استیل با استفاده از استیک انیدرید00شکل STYLEREF 1 s ‏215: سنتز مشتقات 1-استیل با استفاده از استیک انیدرید
حلقه‌های پیریمیدین که دارای استخلافات آلکیل یا آلکوکسی هستند می‌توانند توسط 3- کلرو پربنزوئیک اسید یا هیدروژن پراکسید در استیک اسید به صورت N-اکسید در آیند (Tamura et al ., 1977).
از واکنش نیترو یا نیتروز دار شدن در موقعیت C5 پیریمیدین جهت تهیه پورین از پیریمیدین استفاده می گردد )شکل2- 16).

-466725327025: واکنش نیترو دارکردن مشتقات پیریمیدین شکل 2-16
0: واکنش نیترو دارکردن مشتقات پیریمیدین شکل 2-16
واکنش برم‌دار شدن اوراسیل در محیط آبی از حد واسط (34) می‌گذرد (Tee et al ., 1980)
10001251444625شکل STYLEREF 1 s ‏217: واکنش برم دارشدن اوراسیل در محیط آبی0شکل STYLEREF 1 s ‏217: واکنش برم دارشدن اوراسیل در محیط آبی واکنش‌های جانشینی هسته دوستی
واکنش‌های جانشینی هسته دوستی می‌تواند به وسیله ترک‌کننده‌های خوب در موقعیت‌های 2 و 4 و 6 حلقه پیریمیدین به طور معمول رخ دهد.
به عنوان مثال کلر می‌تواند توسط گروه‌های آمین، آلکوکسید و تیول‌ها و هیدرازین جانشین شود و کلر در موقعیت C4 بهتر از C2 در 4،2- دی‌کلروپیریمیدین می‌تواند جانشین شود.
18097501435735شکل STYLEREF 1 s ‏218: واکنش جانشینی آلکوکسید0شکل STYLEREF 1 s ‏218: واکنش جانشینی آلکوکسید
از گروه‌های دیگر که می‌توانند به عنوان ترک‌کننده عمل کنند می‌توان متیل سولفونیل را نام برد که ترک‌کننده خوبی می‌باشد )شکل 2-19) (Gaare et al .,1993).
8763001331404شکل STYLEREF 1 s ‏219: جانشینی گروه آلکوکسی به جای متیل سولفونیل0شکل STYLEREF 1 s ‏219: جانشینی گروه آلکوکسی به جای متیل سولفونیل
همچنین گروه متوکسی می‌تواند توسط هسته دوست قویتر جانشین شود به عنوان مثال سنتز سیتوزین
(36) از 4- متوکسی-2-پیریمیدینون (35) و آمونیاک را می‌توان نام برد (شکل 2-20)
12639451570355شکل STYLEREF 1 s ‏220: سنتز سیتوزین00شکل STYLEREF 1 s ‏220: سنتز سیتوزین
نوآرایی دیمروت در برخی پیریمیدین‌ها می‌تواند رخ دهد، 1-آلکیل-2-ایمینو پیریمیدین (37) در محیط قلیائی توسط نوآرایی دیمروت تبدیل به 2- آلکیل آمینو پیریمیدین (38) می‌شود (Brown et al ., 1974).
شکل STYLEREF 1 s ‏221: سنتز 2-آلکیل آمینو پیریمیدینواکنش فرمیل دار‌شدن از طریق آسیل دار شدن فریدل-کرافتس در پیریمیدین‌ها به علت کمبود چگالی الکترونی نمی‌تواند رخ دهد اما حضور گروه آمینو یا هیدروکسی در موقعیت 4 یا 6 حلقه‌های پیریمیدین، آنها را جهت واکنش ویلز- مایر فرمیل‌دار شدن مهیا می‌سازد (شکل 2-22) (Tarsio et al ., 1957).
9620251402819شکل STYLEREF 1 s ‏222: واکنش فرمیل دارشدن0شکل STYLEREF 1 s ‏222: واکنش فرمیل دارشدن
واکنش هسته دو ستی در موقعیت 2 پیریمیدینهااز جفت شدن میتسونوبو 4،3-دی هیدروپیریمیدین-2(1H)-ان با هسته دوستهای مختلف، جایگزینی در کربن موقعیت 2 پیریمیدینها انجام میشود (شکل2-23) ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Wang</Author><Year>2011</Year><RecNum>49</RecNum><DisplayText><style font="Times New Roman" size="12">(Wang</style><style face="italic" font="Times New Roman" size="12"> et al.</style><style font="Times New Roman" size="12">, 2011)</style></DisplayText><record><rec-number>49</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="055ewx0epzdxzzespttp522xeaxws0ap0r90">49</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Wang, Xi-Cun</author><author>Yang, Guo-Jun</author><author>Jia, Xiao-Dong</author><author>Zhang, Zhang</author><author>Da, Yu-Xia</author><author>Quan, Zheng-Jun</author></authors></contributors><titles><title>Synthesis of&lt; i&gt; C&lt;/i&gt; 2-functionalized pyrimidines from 3, 4-dihydropyrimidin-2 (1&lt; i&gt; H&lt;/i&gt;)-ones by the Mitsunobu coupling reaction</title><secondary-title>Tetrahedron</secondary-title></titles><periodical><full-title>Tetrahedron</full-title></periodical><pages>3267-3272</pages><volume>67</volume><number>18</number><dates><year>2011</year></dates><isbn>0040-4020</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>(Wang et al., 2011).

شکل STYLEREF 1 s ‏223: حمله هسته دوستی به کربن موقعیت 2 پیریمیدینها
چند روش سنتز پیریدینو]3،2-d [پیریمیدینها

شکل STYLEREF 1 s ‏224: سنتز پیریدینو]3،2-d [پیریمیدینها در این واکنش از جفت شدن سه ترکیب 6-آمینو-3،1-دی متیل اوراسیل (39)، آلدهید و دی آلکیل استیلن دی کربوکسیلات (40) در حلال اتانول مشتقات جدیدی از پیریدینو]3،2-d [پیریمیدین (40) سنتز شدند (شکل 2-25) ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Samai</Author><Year>2011</Year><RecNum>50</RecNum><DisplayText><style font="Times New Roman" size="12">(Samai</style><style face="italic" font="Times New Roman" size="12"> et al.</style><style font="Times New Roman" size="12">, 2011)</style></DisplayText><record><rec-number>50</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="055ewx0epzdxzzespttp522xeaxws0ap0r90">50</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Samai, Subhasis</author><author>Chandra Nandi, Ganesh</author><author>Chowdhury, Sushobhan</author><author>Singh, Maya Shankar</author></authors></contributors><titles><title>l-Proline catalyzed synthesis of densely functionalized pyrido [2, 3-&lt; i&gt; d&lt;/i&gt;] pyrimidines via three-component one-pot domino Knoevenagel aza-Diels–Alder reaction</title><secondary-title>Tetrahedron</secondary-title></titles><periodical><full-title>Tetrahedron</full-title></periodical><pages>5935-5941</pages><volume>67</volume><number>33</number><dates><year>2011</year></dates><isbn>0040-4020</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>(Samai et al., 2011).

شکل STYLEREF 1 s ‏225: سنتز پیریدینو]3،2-d [پیریمیدینهاسنتز 1H-کرمنو]3،2-d [ پیریمیدین-5-کربوکسامیدSoleimani و همکارانش توانستند از واکنش به صورت درجا از سه ترکیب سالیسیل آلدهید (42)، باربیتوریک اسید (43) و ایزوسیانید (44) ترکیب 1H-کرمنو]3،2-d [ پیریمیدین-5-کربوکسامید (45) را سنتز کنند et al., 2013) .(Soleiman-425451537970شکل STYLEREF 1 s ‏226: سنتز 1H-کرمنو]3،2-d [ پیریمیدین-5-کربوکسامیدشکل STYLEREF 1 s ‏226: سنتز 1H-کرمنو]3،2-d [ پیریمیدین-5-کربوکسامید
واکنش بین پیریمیدینها و تیوفنهااز واکنش بین پیریمیدین و 2-برمو تیوفن (یا 2-(4-بروموفنیل) تیوفن) در حضور تری فلوئورو استیک اسید حدواسط2,1-دی هیدرو پیریمیدین (46) بدست میآید. درنهایت با اکسایش این حدواسط 4-(5-بروموتیوفن-2-ایل) پیریمیدین (و یا 4-[5-(4-برموفنیل)تیوفن-2-ایل [پیریمیدین) (47) به دست می آید (شکل2-27) ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Verbitskiy</Author><Year>2014</Year><RecNum>52</RecNum><DisplayText><style font="Times New Roman" size="12">(Verbitskiy</style><style face="italic" font="Times New Roman" size="12"> et al.</style><style font="Times New Roman" size="12">, 2014)</style></DisplayText><record><rec-number>52</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="055ewx0epzdxzzespttp522xeaxws0ap0r90">52</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Verbitskiy, Egor V</author><author>Cheprakova, Ekaterina M</author><author>Subbotina, Julia O</author><author>Schepochkin, Aleksandr V</author><author>Slepukhin, Pavel A</author><author>Rusinov, Gennady L</author><author>Charushin, Valery N</author><author>Chupakhin, Oleg N</author><author>Makarova, Nadezhda I</author><author>Metelitsa, Anatoly V</author></authors></contributors><titles><title>Synthesis, spectral and electrochemical properties of pyrimidine-containing dyes as photosensitizers for dye-sensitized solar cells</title><secondary-title>Dyes and Pigments</secondary-title></titles><periodical><full-title>Dyes and Pigments</full-title></periodical><pages>201-214</pages><volume>100</volume><dates><year>2014</year></dates><isbn>0143-7208</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>(Verbitskiy et al ., 2014).

شکل STYLEREF 1 s ‏227: واکنش بین پیریمیدینها و تیوفنهاچند واکنش پیرازولو] 4،3- [dپیریمیدینها
219075142621000اهمیت دارویی پیرازولو] 4،3- [dپیریمیدینها در سیستم مرکزی اعصاب، سیستم قلبی عروقی، سرطان، التهاب توجه زیادی را به سنتزشان معطوف کرده است. در شکل 2-28 چند واکنش از این ترکیبات ذکر شده است ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Chauhan</Author><Year>2013</Year><RecNum>53</RecNum><DisplayText><style font="Times New Roman" size="12">(Chauhan and Kumar, 2013)</style></DisplayText><record><rec-number>53</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="055ewx0epzdxzzespttp522xeaxws0ap0r90">53</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Chauhan, Monika</author><author>Kumar, Raj</author></authors></contributors><titles><title>Medicinal attributes of pyrazolo [3, 4-&lt; i&gt; d&lt;/i&gt;] pyrimidines: A review</title><secondary-title>Bioorganic &amp; medicinal chemistry</secondary-title></titles><periodical><full-title>Bioorganic &amp; medicinal chemistry</full-title></periodical><pages>5657-5668</pages><volume>21</volume><number>18</number><dates><year>2013</year></dates><isbn>0968-0896</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>(Chauhan and Kumar ., 2013)
59055060325شکل STYLEREF 1 s ‏228: واکنشهای پیرازولو] 4،3- [dپیریمیدینهاشکل STYLEREF 1 s ‏228: واکنشهای پیرازولو] 4،3- [dپیریمیدینهاسنتز 4،2-بیس(فنوکسی)-6-(فنیل تیو)پیریمیدین ها از باربیتوریک اسیداز واکنش بین باربیتوریک اسید (48) با فسفریل تری کلرید در حضور,N 'N-دی متیل آنیلین تحت رفلاکس 6،4،2-تری کلرو پیریمیدین (49) به دست میآید. ترکیب به دست آمده توسط سدیم هیدروکسید آبکافت میشود که 6-کلرو یوراسیل (50) سنتز میگردد که در واکنش با تیوفنول در حلال پیریدین ترکیب 6-فنیل تیو یوراسیل (51) به وجود میآید. محصول توسط فسفریل تری کلرید اضافی کلردار میشود. از واکنش 4،2-دی کلرو-6-(فنیل تیو)پیریمیدین (52) سنتز شده در حلال تولوئن 4،2-بیس(فنوکسی)-6-(فنیل تیو)پیریمیدین ها (53) به دست میآیند (شکل2-29) ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Goudgaon</Author><Year>2013</Year><RecNum>54</RecNum><DisplayText><style font="Times New Roman" size="12">(Goudgaon and Sheshikant, 2013)</style></DisplayText><record><rec-number>54</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="055ewx0epzdxzzespttp522xeaxws0ap0r90">54</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Goudgaon, NM</author><author>Sheshikant, BU</author></authors></contributors><titles><title>Synthesis of novel 2, 4-&lt; i&gt; bis&lt;/i&gt;(substituted phenoxy)-6-(phenylthio) pyrimidine analogs and their antimicrobial activities</title><secondary-title>Journal of Pharmacy Research</secondary-title></titles><periodical><full-title>Journal of Pharmacy Research</full-title></periodical><dates><year>2013</year></dates><isbn>0974-6943</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>(Goudgaon and Sheshikant ., 2013).

شکل STYLEREF 1 s ‏229: سنتز 4،2 بیس(فنوکسی)-6-(فنیل تیو)پیریمیدین ها از باربیتوریک اسید2-3-9واکنش 6،4-دی کلرو-5-آمینوپیریمیدینها با ایزوتیوسیاناتها
از واکنش بین 6،4-دی کلرو-5-آمینو پیریمیدینها (54) با ایزوتیوسیاناتها مشتقات تیازولو[5،4-d] پیریمیدین (55) سنتز میشود (شکل2-30) ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Singh</Author><Year>2013</Year><RecNum>55</RecNum><DisplayText><style font="Times New Roman" size="12">(Singh</style><style face="italic" font="Times New Roman" size="12"> et al.</style><style font="Times New Roman" size="12">, 2013)</style></DisplayText><record><rec-number>55</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="055ewx0epzdxzzespttp522xeaxws0ap0r90">55</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Singh, Baljinder</author><author>Guru, Santosh K</author><author>Kour, Smit</author><author>Jain, Shreyans K</author><author>Sharma, Rajni</author><author>Sharma, Parduman R</author><author>Singh, Shashank K</author><author>Bhushan, Shashi</author><author>Bharate, Sandip B</author><author>Vishwakarma, Ram A</author></authors></contributors><titles><title>Synthesis, antiproliferative and apoptosis-inducing activity of thiazolo [5, 4-&lt; i&gt; d&lt;/i&gt;] pyrimidines</title><secondary-title>European journal of medicinal chemistry</secondary-title></titles><periodical><full-title>European journal of medicinal chemistry</full-title></periodical><pages>864-874</pages><volume>70</volume><dates><year>2013</year></dates><isbn>0223-5234</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>(Singh et al ., 2013).

1323975429895شکل STYLEREF 1 s ‏230: واکنش 6،4-دی کلرو-5-آمینوپیریمیدینها با ایزوتیوسیاناتها00شکل STYLEREF 1 s ‏230: واکنش 6،4-دی کلرو-5-آمینوپیریمیدینها با ایزوتیوسیاناتها
421640145719فصل سوم مواد و روشها
00فصل سوم مواد و روشها

مواد و روش‌هادستگاه ها و مواد شیمیایی مورد استفاده در تولید محصولاتساختار کلیه محصولات سنتز شده به وسیله طیف های IR،(1H, 13C) NMR و تعیین نقطه ذوب شناسایی شدهاند. این طیفها در بخش پیوست ارائه شده است. نقطه ذوب محصولات توسط دستگاه KRUSS اندازهگیری شده است. طیف IR ترکیبات به وسیله اسپکتروفوتومتر TENSOR 27 و با استفاده از قرص KBr به دست آمده است. طیف های NMR ترکیبات به وسیله دستگاه NMR مدل BRUKER-400 MHz در حلال DMSO به دست آمده است. مواد شیمیایی استفاده شده در این پروژه، شامل مشتقات بنزآلدهید، مشتقات استوفنون، دی آمینها، سدیم کربنات میباشد. حلالهای به کار رفته در واکنشهاDMF و اتانول 96% میباشد. کلیه مواد و حلالها از شرکتهای مرک (Merk) و لبا هند (Loba Hend) تهیه شده و خالص سازی بیشتری روی آن صورت نگرفته است.
کارهای سنتزی انجام شده در این پروژهسنتز MCM-41به یک بالن یک لیتری حاوی 840 میلی لیتر آب مقطر، مقدار 4 گرم CTABمی افزاییم. پس از انحلال کامل (یک ساعت) محلولی همگنی بدست می آید. در مرحله آخر 16 میلی لیتر سدیم سیلیکات به عنوان منبع سیلیکاتی به مخلوط واکنش اضافه شده و پس از گذشت 20 ساعت محصول واکنش صاف می گردد و با آب دیونیزه و اتانول به طور مرتب شستشو داده شده تا حالت بازی ترکیب حذف گردد. در این مرحله مواد مزو حفره سیلیکاتی (MCM-41) حاصل در دمای اتاق خشک شده و به منظور حذف مواد فعال سطحی در دمای 450 درجه سانتیگراد کلسینه می شود.
سنتزMCM-41 پی پیرازین5/0 گرم از MCM به 5 میلی‌لیتر اتانول در یک بالن اضافه و مخلوط شده، و در مرحله بعد داخل یک بشر کوچک 35/0 گرم از پی پیرازین به محلول اتانولی افزوده می شود تا به مدت 3 تا 4 ساعت هم بخورد. سپس حلال اتانول بوسیله روتاری جدا می شود.
سنتزنانو ذرات Fe3O4به منظور سنتز Fe3O4 ، ابتدا 2 گرم FeCl3.4H2O و مقدار 8/0 گرم FeCl2.6H2O را در 10 میلی لیتر آب مقطر حل می نماییم، پس از اطمینان از انحلال کامل آهن (III) و آهن (II) در آب، این مخلوط قطره قطره به یک بالن 250 میلی لیتری که حاوی 100 میلی لیتر آمونیوم هیدروکسید یک مولار و 4 میلی گرم CTAB است، در دمای 80 درجه سانتیگراد و تحت گاز ازت اضافه شده توسط همزن مغناطیسی باrpm 700 همزده می شود. بعد از گذشت 2 ساعت واکنش کامل شده و نانو ذرات سیاه رنگ کلوئیدی Fe3O4 تشکیل می شوند.
تهیه Fe2O3-MCM-41-αبه یک بالن یک لیتری حاوی 840 میلی لیتر آب مقطر مقدار 4 گرمCTAB می افزاییم. پس از انحلال کامل (یک ساعت) محلولی همگنی بدست می آید. سپس 20 میلی لیتر از محلول کلوئیدی Fe3O4 را پس از پراکنده کردن توسط دستگاه امواج فراصوت قطره قطره به محلول فوق افزوده و سوسپانسیون حاصل به مدت نیم ساعت با هم زن مغناطیسی هم زده می شود تا نانو ذرات Fe3O4 به طور یکنواخت بین میسل های تشکیل شده پخش گردند. در مرحله آخر 16 میلی لیتر سدیم سیلیکات به عنوان منبع سیلیکاتی به مخلوط واکنش اضافه شده و پس از گذشت 20 ساعت محصول واکنش با آهن ربا جدا و با آب دیونیزه و اتانول به طور مرتب شستشو داده شده تا ذرات غیرمغناطیسی حذف گردد. در این مرحله مواد مزو حفره مغناطیسی حاصل در دمای اتاق خشک شده و به منظور حذف مواد فعال سطحی در دمای 450 درجه سانتیگراد کلسینه می شود.
تهیه Fe2O3-MCM-41-α-پی پیرازین5/0 گرم از Fe2O3-MCM-41-α به 5 میلی‌لیتر اتانول در یک بالن اضافه و مخلوط شده، و در مرحله بعد داخل یک بشر کوچک 35/0گرم از پی پیرازین به محلول اتانولی افزوده می شود تا به مدت 3 تا 4 ساعت هم بخورد. سپس حلال اتانول بوسیله روتاری جدا می شود.
روش عمومی سنتز مشتقات 3،1-دی فنیل-2-پروپنون:
جهت تهیه‌ی مشتقات 3،1-دی فنیل-2-پروپنون، به محلول شامل 32/1 گرم پتاس در 5 میلی‌لیتر آب و 30 میلی‌لیتر متانول که در دمای صفر درجه سانتیگراد (حمام آب یخ) تهیه گردیده است، 5 میلی مول بنزآلدهید اضافه شده و محلول در همان دما به مدت 10 الی 20 دقیقه هم زده می‌شود. سپس 6 میلی مول استوفنون اضافه شده و 3 ساعت دیگر نیز تحت همین شرایط هم زده می‌شود. نهایتا، مخلوط واکنش از حمام آب و یخ خارج شده تا دمای آن به دمای اتاق برسد. در این زمان محصولات مورد نظر تشکیل می شوند، رسوبات را صاف کرده تا محصولات مورد نظر جدا گردد (شکل 3-1).

شکل STYLEREF 1 s ‏3 SEQ شکل * ARABIC s 1 1: سنتز مشتقات 3،1-دی فنیل-2-پروپنون
روش نمونه برای تهیه 3-فنیل-1-(4-کلروفنیل)-2-پروپنون: به محلول شامل 32/1 گرم پتاس در 5 میلی‌لیتر آب و 30 میلی‌لیتر متانول، که در دمای صفر درجه سانتیگراد (حمام آب یخ) تهیه گردیده است، 7025/0گرم کلرو بنزآلدهید اضافه می‌شود پس از اتمام افزایش، محلول در همان دما به مدت 10 الی 20 دقیقه هم زده می‌شود. سپس 72/0 گرم استوفنون اضافه شده و 3 ساعت دیگر نیز تحت همین شرایط هم زده می‌شود. سپس مخلوط واکنش از حمام آب و یخ خارج شده تا دمای آن به دمای اتاق برسد. در این زمان محصولات مورد نظر تشکیل می شوند، این رسوبات را صاف کرده تا محصولات مورد نظر جدا شود.
روش عمومی سنتز مشتقات 6،4-دی فنیل پیریمیدین از طریق کاتالیزور مغناطیسیMCM-41 پی پیرازین:
یک میلی مول از مشتق 3،1-دی فنیل-2-پروپنون مربوطه و یک میلی مول از یکی از مشتقات آمیدین را با 1 گرم از کاتالیزور مغناطیسی MCM-41 پی پیرازین مخلوط نموده و به ظرف واکنش منتقل می نماییم، بعد از یک ساعت هم‌خوردن مخلوط در دمای 80 درجه سانتیگراد، رنگ مخلوط از حالت سفید رنگ به زرد رنگ تبدیل می‌شود، روند تکمیل واکنش را توسط کروماتوگرافی لایه نازک (TLC) در مخلوط حلال‌های 1:2، n-هگزان: اتیل‌استات کنترل می‌نمائیم. بعد از 3-4 ساعت واکنش متوقف شده، کاتالیزورها از محلول واکنش به آسانی توسط یک آهنربای خارجی جداسازی می شوند و محصول 6،4،2-تری فنیل پیریمیدین با بازده 85 درصد در ظرف واکنش باقی می‌ماند.
روش نمونه برای سنتز 6،4،2-تری فنیل پیریمیدین از طریق کاتالیزور مغناطیسی MCM-41 پی پیرازین:مقدار 208/0 گرم از ترکیب 3،1-دی فنیل-2-پروپنون و 0936/0 گرم از بنزآمیدین هیدرو کلرید با مقدار 1 گرم از نانو کاتالیزور مغناطیسی MCM-41 پی پیرازین، مخلوط نموده و به ظرف واکنش منتقل می نماییم، بعد از یک ساعت هم‌خوردن مخلوط در دمای 80 درجه سانتیگراد، رنگ مخلوط از حالت سفید رنگ به زرد رنگ تبدیل می‌شود، روند تکمیل واکنش، توسط کروماتوگرافی لایه نازک (TLC) در مخلوط حلال‌های 1:2، n-هگزان: اتیل‌استات کنترل می‌گردد. بعد از 3-4 ساعت واکنش متوقف گردیده و محصول 6،4،2-تری فنیل پیریمیدین با بازده 85 درصد جدا می شود. شکل 3-2 واکنش کلی این سنتز را نشان می‌دهد.

شکل STYLEREF 1 s ‏3 SEQ شکل * ARABIC s 1 2: سنتز 6،4،2-تری فنیل پیریمیدینروش نمونه برای سنتز 2-آمینو-6،4-دی فنیل پیریمیدین از طریق کاتالیزور مغناطیسیMCM-41 پیپرازین
مقدار 208/0گرم از ترکیب 3،1-دی فنیل-2-پروپنون و 108/0 گرم گوانیدینوم کربنات با مقدار 1 گرم از نانو کاتالیزور مغناطیسی MCM-41 پی پیرازین، مخلوط نموده و به ظرف واکنش منتقل مینماییم، بعد از یک ساعت هم‌خوردن مخلوط در دمای 80 درجه سانتیگراد، رنگ مخلوط از حالت سفید رنگ به زرد رنگ تبدیل می‌شود، روند تکمیل واکنش، توسط کروماتوگرافی لایه نازک (TLC) در مخلوط حلال‌های 1:2، n-هگزان: اتیل‌استات کنترل می‌گردد. بعد از 3-4 ساعت واکنش متوقف گردیده و محصول 2-آمینو-6،4-دی فنیل پیریمیدین، با بازده 85 درصد جدا می شود. شکل3-3 واکنش کلی این سنتز را نشان می‌دهد.

شکل STYLEREF 1 s ‏3 SEQ شکل * ARABIC s 1 3: سنتز 2-آمینو-4،6-دی فنیل پیریمیدین643890280035فصل چهارم نتایج و بحث
00فصل چهارم نتایج و بحث

نتایج وبحثشناسایی نانوکاتالیزور مغناطیسی عامل دار شده توسط پی پیرازینروش های بررسی خواص فیزیکی و شیمیایی نانوکاتالیزورهای مغناطیسی عامل دار شده توسط پی پیرازینتکنیک های مختلفی برای بررسی خواص فیزیکی و شیمیایی مواد مزوحفره به کار می روند. هر تکنیک اطلاعات مهمی را برای درک ویژگی های ساختاری مواد مزوحفره فراهم می کند. تکنیک هایی که معمولاً برای بررسی خواص فیزیکی و شیمیایی مواد مزوحفره مورد استفاده قرار می گیرند عبارتند از: مادون قرمز تبدیل فوریه (FT-IR)، طیف بینی پراش پرتو ایکس (XRD)، میکروسکوپ پیمایشی الکترونی (SEM)، میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) و آنالیز تخلخل سنجی.
شناسایی کاتالیزور -MCM-41 - α-Fe2O3پی پیرازین4-1-2-1طیف بینی مادون قرمز
طیف بینی مادون قرمز اطلاعات ارزنده ای راجع به ساختار یک مولکول به دست می دهد. با این تکنیک می توان جذب های مربوط به هر پیوند را مشخص کرد. ساختار MCM-41-α-Fe2O3 (شکل a ) دارای پیوندهای Fe-O، سیلانولی Si-OH و -O-Si-O- می باشد. پیوند Fe-O باعث ایجاد جذب های کششی در نواحی cm-1 455، cm-1 1633می شود. پیوند -O-Si-O- جذب کششی نامتقارنی را در ناحیه cm-11079 به دست می دهد. پیوند Si-OH نیز باعث ایجاد جذب کششی در ناحیه cm-1 3448 میشود (شکل a).
ساختار -MCM-41-α-Fe2O3پی پیرازین علاوه بر پیک های بالا، پیک های مربوط به ارتعاش کششی پیوندهایC-H آلیفاتیکی در مولکول پی پیرازین را در نواحیcm-1 2783 و cm-1 2932 و پیک ناحیه cm-1 3400 مربوط به ارتعاش کششی گروه NH پی پیرازین را نشان می دهد (شکل b). در نهایت در شکل c، طیف FT-IR کاتالیزور بعد از سه بار بازیافت نشان داده شده است (شکل 1-4).

شکل STYLEREF 1 s ‏4 SEQ شکل * ARABIC s 1 1: طیف بینی مادون قرمز روی کاتالیزور -MCM-41 - α-Fe2O3پی پیرازین4-1-2-2میکروسکوپ پیمایشی الکترونی (SEM)
میکروسکوپ پیمایشی الکترونی یکی از ابزارهای مهم است که برای بررسی شکل مواد مزوحفره به کار میرود. با این تکنیک میتوان انواع متفاوتی از ریخت شناسی مواد سنتز شده در نمونهها را مشخص نمود. مزیت اصلی میکروسکوپ پیمایشی الکترونی این است که می توان توده نمونه ها را مستقیماً به وسیله آن مورد مطالعه قرار داد. تصویر میکروسکوپ پیمایشی الکترونی کاتالیزور -MCM-41-α-Fe2O3پی پیرازین که دارای ریخت شناسی کروی می باشد در شکل (4-2) نشان داده شده است.

شکل STYLEREF 1 s ‏4 SEQ شکل * ARABIC s 1 2 : تصویر میکروسکوپ پیمایشی الکترونی کاتالیزور -MCM-41- α-Fe2O3پی پیرازین4-1-2-3میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM)
اطلاعات به دست آمده از میکروسکوپ الکترونی عبوری، روشی کلیدی برای بررسی ساختار و شناسایی فازهای متنوع از مواد مزوحفره یعنی فازهای شش وجهی، مکعبی و لایه ای به دست می دهد. تصاویر TEM حاصل از -MCM-41-α-Fe2O3پی پیرازین نشان داده شده است. همان طور که قابل مشاهده است، ساختار شش وجهی α-Fe2O3-MCM-41 در تصویر TEM شکل (4-3) به خوبی قابل مشاهده است.
-762002314575شکل STYLEREF 1 s ‏43ساختار هگزاگونالی α-Fe2O3-MCM-41 در تصویر TEMشکل STYLEREF 1 s ‏43ساختار هگزاگونالی α-Fe2O3-MCM-41 در تصویر TEM-76200371475
4-1-2-4تجزیه و تحلیل تخلخل سنجی
معمولاً جذب مولکول های گازی نیتروژن و یا آرگون و یا دیگر مولکولهای شیمیایی بسته به هدف تجزیه و تحلیل بر روی سطح ترکیبات متخلخل، روش استانداردی برای حصول مساحت سطح، حجم کلی حفرهها و میانگین اندازه حفرهها است. در شکل های زیر نمودارهای حاصل از تجزیه و تحلیل تخلخلسنجی α-Fe2O3-MCM-41 عامل دار نشده، شکل (4-4) و MCM-41 - α-Fe2O3 پی پیرازین ، شکل (4-5) نشان داده شده است.
3114675434340b00b
1028700453390a0a

657225-89535
885825104140شکل STYLEREF 1 s ‏44: نمودار (a) تجزیه و تحلیل تخلخلسنجی و (b) α-Fe2O3-MCM-41 BJH0شکل STYLEREF 1 s ‏44: نمودار (a) تجزیه و تحلیل تخلخلسنجی و (b) α-Fe2O3-MCM-41 BJH
2571753015615شکل STYLEREF 1 s ‏45: نمودار (a) تجزیه و تحلیل تخلخلسنجی و (b) BJH MCM-41 - α-Fe2O3پی پیرازینشکل STYLEREF 1 s ‏45: نمودار (a) تجزیه و تحلیل تخلخلسنجی و (b) BJH MCM-41 - α-Fe2O3پی پیرازین2571755715
مقایسه تجزیه و تحلیل تخلخل سنجی بین بستر بدون عامل α-Fe2O3-MCM-4و بستر عامل دار شده پی پیرازین، نشان می دهد که مولکول پی پیرازین در داخل نانو حفرات بستر مغناطیسیα-Fe2O3-MCM-41 قرار گرفته است جدول (4-1).
جدول 4-1: دادههای حاصل از تجزیه و تحلیل تخلخل سنجیکاتالیزور حجم حفرهها
cm3g-1 میانگین اندازه حفرهها
Nm مساحت ویژهm2 g-1α-Fe2O3-MCM-41 59/1 26/5 1213
- MCM-41 - α-Fe2O3پی پیرازین 22/0 51/3 300
4-1-2-5پراش پرتو ایکس
25717517513300پراش پرتو ایکس برای شناسایی ساختار، درجه کریستالیزاسیون، تعیین فاز مواد و اندازه کریستال به کار می رود. مواد مزوحفره پیک های مشخصی را در محدوده Ɵ2 بین 2 الی 10 درجه و اکسید آهن III، پیک های مشخصی را در محدوده Ɵ2 بین 10 الی 80 درجه نشان می دهند. طیف XRD کاتالیزور α- - MCM- Fe2O3 -41 پی پیرازین در شکل (4-6) آورده شده است.
2571752507615شکل STYLEREF 1 s ‏46: نمودار پراش پرتو ایکس کاتالیزور - MCM-41 - α-Fe2O3 پی پیرازین
شکل STYLEREF 1 s ‏46: نمودار پراش پرتو ایکس کاتالیزور - MCM-41 - α-Fe2O3 پی پیرازین
2000252510790فصل اول مقدمه
فصل اول مقدمه
فصل اول مقدمه
فصل اول مقدمه

سنتز پیریمیدین هابا توجه به مطالب فصول پیشین درباره اهمیت و گستردگی روشهای سنتز مشتقات پیریمیدین گزارش شده در منابع پژوهشی شیمی، در این کار تحقیقاتی سعی شده است تا سنتز ترکیبات هتروسیکل سه استخلافی پیریمیدین تحت شرایطی صورت پذیرد که علاوه بر سهولت انجام از لحاظ زیست محیطی نیز مناسب باشد. جهت سنتز این ترکیبات از استوفنون، آلدهید و انواع مشتقات آمیدین استفاده شد.
این تحقیق با سنتز مشتقات ترکیب 3،1-دی فنیل-2-پروپنون از استوفنون و مشتقات آلدهید شروع می‌شود و با واکنش آن با آمیدین‌ها ادامه پیدا می‌کند.
در ابتدا جهت ساخت مشتق 2-آمینو-4-(4-کلروفنیل)-6-فنیل پیریمیدین، واکنش بین 1میلی مول 1-(4-کلروفنیل)-3-فنیل-2-پروپنون و 6/ 0میلی مول گوانیدینیوم کربنات به عنوان واکنش الگو انتخاب گردید (شکل 4-7).

شکل STYLEREF 1 s ‏47: واکنش الگونتایج واکنش در حضور کاتالیزور نانو مغناطیسی MCM-41-پی پیرازین:بررسی دمای واکنش
در ابتدا 1میلی مول از 1-(4-کلروفنیل)-3-فنیل-2-پروپنون و 6/0 میلی مول از گوانیدینیوم کربنات و 1/0 گرم کاتالیزور نانو مغناطیسی MCM-41-پی پیرازین با هم مخلوط گردیدند و در دمای اتاق در شرایط بدون حلال هم زده شدند، بررسی روند واکنش توسط کروماتوگرافی لایه نازک (TLC) در مخلوط حلال‌های 1:2، n-هگزان: اتیل‌استات نشان داد واکنش بعد از 10ساعت، کامل نشده و ماده اولیه باقی مانده است.
در مرحله بعد واکنش الگو در دمای 50 درجه سانتیگراد قرار گرفت و بررسی روند واکنش توسط TLC نشان داد واکنش بعد از 10 ساعت، کامل نشده و ماده اولیه باقی مانده است.
دمای واکنش الگو تا 80 درجه سانتی گراد افزایش داده شد پس از 2ساعت، TLC نشان داد که واکنش کامل شده است (جدول 4-2)
جدول 4-2: بررسی اثر دما روی سنتز مشتق 2-آمینو-4-(4-کلروفنیل)-6-فنیل پیریمیدین با استفاده از نانوکاتالیزور MCM-41 -پی پیرازینردیف دما) C º) زمان ( h) کاتالیزور(gr) بازده (%)
1 rt 10 1/0 واکنش کامل نشد
2 50 10 1/0 واکنش کامل نشد
3 80 5/2 1/0 92
4 120 2 1/0 92
بررسی میزان کاتالیزور روی سرعت واکنش
ابتدا واکنش الگو در دمای 80 درجه سانتی گراد بدون استفاده از کاتالیزور تا 10 ساعت قرار داده شد بررسی روند واکنش توسط TLC نشان داد چند حد واسط، تشکیل شده است.
سپس واکنش الگو با مقدار 00312/0 گرم کاتالیزور مغناطیسی MCM-41-پی پیرازین، در دمای 80 درجه سانتی گراد قرار داده شد بررسی روند واکنش توسط TLC نشان داد که بعد از 10 ساعت ماده اولیه در مخلوط واکنش موجود است و واکنش کامل نشده است..
در مرحله بعد، واکنش الگو با مقدار 00625/0 گرم کاتالیزورمغناطیسی MCM-41-پی پیرازین، در دمای 80 درجه سانتی گراد قرار داده شد بررسی روند واکنش توسط TLC نشان داد که بعد از 5/2 ساعت واکنش کامل شده است.
واکنش الگو با مقدار 1/0 گرم کاتالیزور مغناطیسی MCM-41-پی پیرازین، در دمای 80 درجه سانتی گراد قرار داده شد، و بعد از 2 ساعت واکنش کامل شد. مقدار کاتالیزور را 2 برابر کردیم مشاهده شد که سرعت واکنش نیز 2 برابر شده و طی 1 ساعت واکنش کامل شد (جدول 4-3).
جدول STYLEREF 1 s ‏43: بررسی اثر مقدار نانو کاتالیزور مغناطیسی MCM-41 پی پیرازین در سنتز مشتق 2-آمینو-4-(4-کلروفنیل)-6-فنیل پیریمیدینردیف دما) C º) زمان ( h) کاتالیزور (gr) بازده (%)
1 80 10 - -
2 80 10 03 /0 -


3 80 5/2 05/0 85%
4 80 2 1/0 92%
5 80 1 2/0 93%
بررسی میزان ماده اولیه (گوانیدینیوم کربنات)روی سرعت واکنش
واکنش الگو با 5/0 میلی‌مول گوانیدینیوم کربنات در حضور 2/0 گرم کاتالیزورمغناطیسی MCM-41-پی پیرازین، در دمای 80 درجه سانتی گراد قرار داده شد، بررسی روند واکنش توسط TLC نشان داد که واکنش بعد از 6 ساعت کامل شده است. در واکنش دیگر میزان گوانیدینیوم کربنات به 75/0 میلی‌مول افزایش داده شد و واکنش در 1 ساعت کامل شد (جدول 4-4).
جدول STYLEREF 1 s ‏44: بررسی اثر میزان گوانیدینیوم کربنات درسنتز مشتق 2-آمینو-4-(4-کلروفنیل)-6-فنیل پیریمیدین با استفاده از نانوکاتالیزور مغناطیسی MCM-41پی پیرازینردیف دما) C º) زمان ( h) گوانیدینیوم کربنات (m mol) کاتالیزور (gr) بازده (%)
1 80 1 6/0 2/0 92
2 80 6 5/0 2/0 84
3 80 1 75/0 2/0 93
4-2-2بررسی واکنش در حضور کاتالیزورنانو MCM-41-پی پیرازین :در مرحله آخر که واکنش الگو در دمای 80 درجه سانتی گراد با استفاده از 1/0 گرم کاتالیزور MCM-41-پی پیرازین (نانوکاتالیزور غیرمغناطیسی) قرارداده شد، بعد از 10ساعت، TLC نشان داد که هیچ محصولی تشکیل نشده است. این تجربه نشان می دهد که نانوذرات اکسید آهن قرار داده شده در بستر MCM-41 نه تنها موجب بازیافت کاتالیزور با استفاده از یک آهنربای خارجی می گردند بلکه در واکنش به عنوان یک اکسید کننده به کامل شدن محصول واکنش کمک می نماید.
جدول STYLEREF 1 s ‏45: بررسی واکنش در حضور کاتالیزورنانو MCM-41-پی پیرازین درسنتز مشتق 2-آمینو-4-(4-کلروفنیل)-6-فنیل پیریمیدینردیف زمان(h) دما( Cº) باز بازده(%)
1 10 rt Na2CO3 واکنش کامل نشد
2 10 80 - واکنش کامل نشد
3 6 80 Na2CO3 92
4 10 120 - واکنش کامل نشد
5 5 120 Na2CO3 94
به این ترتیب، سنتز سایر مشتقات 2-آمینو-6،4-دی آریل پیریمیدین با استفاده از مشتقات 3،1-دی آریل-2-پروپنون (1 میلی‌مول) و گوانیدینیوم کربنات (75/0 میلی‌مول) در حضور نانو کاتالیزور مغناطیسی MCM-41 پی پیرازین (2/0گرم) در دمای C° 80 بدون استفاده از حلال، به عنوان شرایط بهینه، انجام گرفت (جدول 4-6).

جدول STYLEREF 1 s ‏46: مشتقات 2-آمینو-6،4-دی آریل پیریمیدین بدست آمده تحت شرایط بدون حلال با نانو کاتالیزور مغناطیسی MCM-41 پی پیرازین در دمای 80 درجه سانتیگرادردیف R1 R2 زمان(h) بازده(%) نقطهذوب(obs) (ºC) نقطهذوب(lit) (ºC)
1 ph ph 3 82 135 135-140
2 C6H4Cl ph 5/2 93 156 147-149
3 C6H4NO2 ph 5/1 90 174 120-122
4 C6H4CN ph 2 85 80 -
5 C6H4NHCOCH3 ph 5 80 107-110 -
6 C6H4Cl C6H4CH3 2 92 152-155 -
7 C6H4NHCOCH3 C6H4CH3 3 83 215-217 -
سنتز مشتقات 2-فنیل-6،4-دی آریل پیریمیدین با استفاده از مشتقات 3،1-دی آریل-2-پروپنون (1 میلی‌مول) و بنزآمیدینیوم هیدروکلراید (5/1 میلی‌مول) در حضور نانو کاتالیزور مغناطیسی MCM-41پی پیرازین (2/0گرم) در دمای 80 درجه سانتی‌گراد بدون استفاده از حلال صورت گرفت (جدول4-7).

جدول STYLEREF 1 s ‏47: سنتز مشتقات 2-فنیل-6،4-دی آریل پیریمیدین تحت شرایط بدون حلال با نانو کاتالیزور مغناطیسی MCM-41 پی پیرازین در دمای 80 درجه سانتیگراد
ردیف R1 R2 زمان(h) بازده(%) نقطهذوب(obs) (ºC) نقطه ذوب(lit) (ºC)
1 C6H4NO2 ph 3 95 172 212-213
2 C6H4NHCOCH3 ph 2 88 170 -
3 C6H4NHCOCH3 C6H4CH3 5 87 220 -
مشتقات فوق (جدول4-7) در مدت زمان 5/1 تا 5 ساعت در دمای 80 درجه سانتی‌گراد با بازده بالا به روش دو جزیی و با استفاده از کاتالیزور مغناطیسی MCM-41پی پیرازین سنتز شدند. الکترون دهندگی و گیرندگی استخلافات در مشتقات 3،1-دی آریل-2-پروپنون، تأثیر چندانی بر سرعت واکنش نداشت. این مورد نشان دهنده عمومیت بالا و بهره وری بسیار خوب روش پیشنهادی برای سنتز پیریمیدین ها می باشد.
در جدول(4-6) مشتقات شماره 5، 6 و 7 و از جدول (4-7) مشتقات شماره 2 و 3 جدید هستند.1840230135001018421351313815بازده واکنش
00بازده واکنش
لازم بذکر است که این کاتالیزور مغناطیسی MCM-41پی پیرازین تا 3 بار قابل بازیافت بوده و همانطور که در نمودار زیر قابل مشاهده است بعد از 3 بار استفاده از کاتالیزور بازده محصول تنها 10% کاهش می یابد (شکل4-8)
123825089535شکل STYLEREF 1 s ‏48: بازیافت کاتالیزور مغناطیسی MCM-41پی پیرازین0شکل STYLEREF 1 s ‏48: بازیافت کاتالیزور مغناطیسی MCM-41پی پیرازین
4-2-3شرایط بهینه واکنشبه این ترتیب با توجه به آزمایشات انجام شده، استفاده از مشتقات 3،1-دی آریل-2-پروپنون (1 میلی‌مول) و گوانیدینیوم کربنات (6/0 میلی‌مول) یا بنزآمیدینیوم هیدروکلرید (5/1 میلی‌مول) در حضور (2/0گرم) کاتالیزور مغناطیسی MCM-41 پی پیرازین در دمای 80 درجه سانتیگراد به عنوان شرایط بهینه جهت سنتز مشتقات پیریمیدین معرفی می گردد.
4-2-4مزایای روش ارائه شدهمزیتهای روش ارایه شده نسبت به روش های گزارش شده عبارتند از:
استفاده از کاتالیزور نانو و حذف حلال در جهت پیروی از قوانین شیمی سبز
روش استخراج ساده محصول
سنتز مشتقات متنوع با بازده خوب تا عالی
دما و شرایط ملایم واکنش
بازیافت چند باره نانوکاتالیزور مغناطیسی
4-2-5بخش طیف‌ها4-2-5-1طیف IR
در طیف IR محصول پیریمیدین، اثری از گروه کربونیل آلدهیدی در فرکانس 1705 تا 1- cm 1735 مربوط به ماده اولیه آلدهیدهای آروماتیک نمی‌باشد و این مطلب نشان‌دهنده مصرف شدن کامل مواد اولیه در طول سنتز پیریمیدین می‌باشد. پیک‌های مشخص محصول پیریمیدین در IR که کمک به شناسایی این ترکیب می‌نماید، پیک‌های ناحیه cm-1 3450 تا 3500 و پیک‌های ناحیه cm-1 3350 تا 3390 که مربوط به ارتعاش‌های کششی نامتقارن و متقارن گروه NH2 می‌باشد. پیکی در محدوده فرکانس cm-1 1600 تا 1640 که مربوط به پیوند C=N در حلقه هتروسیکل پیریمیدینی می‌باشد نیز تاییدی بر تشکیل ساختار پیریمیدینی محصولات در طیف IR می‌باشد.
4-2-5-2طیف NMR H1
در ترکیبات پیریمیدینی 2-آمینو،6،4-دی‌آریل پیریمیدین، پیک‌های مربوط به هیدروژن‌های آریل در محدوده ppm 9-7 = δ ظاهر می‌شود و پیک مربوط به (NH2) روی حلقه پیریمیدینی که یک هیدروژن فعال است در حلال‌های مختلف در فرکانس‌های متفاوتی ظاهر می‌شود. در طیف‌های HNMR 1 ضمیمه شده مربوط به ترکیبات پیریمیدینی ساخته شده، پیک NH2 در حلال DMSO دوتره در محدوده ppm 6-5 δ= به صورت پهن ظاهر شده است.
4-2-5-3طیف NMR 13C
در پیریمیدین‌های سنتز شده، کربن‌های حلقه پیریمیدین در ناحیه ppm 170-160 δ = ظاهر می‌شوند، کربن‌های حلقه‌های آریل در‌ ppm 160-120 δ = ظاهر می‌شود و در پیریمیدین‌هایی که کربن کربونیل موجود است در ppm 180-170 δ =ظاهر می‌شود.
نتیجه گیری
با توجه به آزمایشات متعددی که انجام شد نهایتاً مشتقات سه استخلافی پیریمیدین با استفاده از مشتقات 3،1-دی آریل-2-پروپنون و مشتقات آمیدینی در حضور نانو کاتالیزور مغناطیسی MCM-41 پی پیرازین در دمای ملایم سنتز شدند.
نانوکاتالیزور مغناطیسی MCM-41 پی پیرازین قادر است در سنتز مشتقات سه استخلافی پیریمیدین‌ها با استفاده از مشتقات 3،1-دی آریل-2-پروپنون به عنوان ماده اولیه، تا 3 بار مصرف و بازیافت شود.
شرایط بدون حلال در حضور یک نانوکاتالیزور جدید در سنتز مشتقات سه استخلافی پیریمیدین ها به دست آمد.
مشتقات متنوع پیریمیدین های سه استخلافی تحت شرایط ساده با بازده های خوب تا عالی، زمانهای کم و خالص سازی آسان، سنتز شدند.
وجود گروههای الکترون دهنده یا کشنده تاثیر اندکی بر بازده و زمان واکنشها دارند. این مسئله میزان مقبولیت و عمومیت روش پیشنهاد شده را افزایش می دهد.
به طور کلی در این کار پژوهشی سنتز مشتقات سه استخلافی پیریمیدین ها در حضور نانو کاتالیزور مغناطیسی جدید ارائه شده است که این روش مزایایی از قبیل استفاده از کاتالیزور نانو و سازگار با محیط زیست و قابل بازیافت، عدم استفاده از حلال، بهره های بسیار خوب محصولات و زمانهای کوتاه واکنش را دارا می باشد.
پیشنهادات
پیشنهاد می گردد از این روش و این نوع کاتالیزورها برای سنتز دیگر مشتقات پیریمیدین و همچنین ترکیبات هتروسیکل دیگر استفاده شود. طراحی نانو کاتالیزورهای جدیدتر با کارایی های چند گانه جهت سنتز ترکیبات شیمیایی می تواند انجام گیرد. انجام تست ضد باکتری و دارویی دیگر روی مشتقات جدید پیریمیدین می تواند یکی دیگر از موارد پیشنهادی برای تحقیقاتآینده باشد.
1152525479425فهرست منابع00فهرست منابع
منابع
Amr, A. E., Nermien, M. S. and Abdulla, M. M. 2007. Synthesis, reactions and anti-inflammatory activity of heterocyclic sys--s fused to athiophene moiety using citrazinic acid as synthon. MonatshChem, 138: 699–707. ADDIN EN.REFLIST
Anastas, P.T., Kirchhoff, M.M. 2002. Origins, current status, and future challenges of green chemistry. Accounts of chemical research 35: 686-694.Arafa, R.K., Nour, M.S. and El-Sayed, N.A. 2013. Novel heterocyclic-fused pyrimidine derivatives: Synthesis, molecular modeling and pharmacological screening. European journal of Medicinal Chemistry, 69: 498-507.

–238

پیشنهادها PAGEREF _Toc379122539 h 85فهرست منابع و مأخذمنابع فارسی PAGEREF _Toc379122542 h 87منابع انگلیسی PAGEREF _Toc379122543 h 88Abstract PAGEREF _Toc379122544 h 100فهرست جدولها
عنوان صفحه


جدول 2-1: لیست وسایل مصرفی PAGEREF _Toc379122478 h 37جدول 2-2: لیست مواد مصرفی PAGEREF _Toc379122479 h 38جدول 2-3: لیست ابزارها و دستگاه های مورد استفاده PAGEREF _Toc379122480 h 39جـدول 3-1: میانگین و خطای معیار میانگین () تعداد اسپرمها (میلیون بر میلیلیتر) در گروههای مختلف PAGEREF _Toc379122484 h 42جـدول 3-2: میانگین و خطای معیار میانگین () درصد اسپرمهای پیشرونده سریع در گروههای مختلف PAGEREF _Toc379122487 h 44جـدول 3-3: میانگین و خطای معیار میانگین () درصد اسپرمهای با حرکت درجا در گروههای مختلف PAGEREF _Toc379122489 h 47جـدول 3-4: میانگین و خطای معیار میانگین () درصد اسپرمهای پیشرونده با حرکت آهسته در گروههای مختلف PAGEREF _Toc379122492 h 49جـدول 3-5: میانگین و خطای معیار میانگین () درصد اسپرمهای بدون حرکت در گروههای مختلف PAGEREF _Toc379122495 h 52جـدول 3-6: میانگین و خطای معیار میانگین () وزن بیضه موشها در گروههای مختلف PAGEREF _Toc379122498 h 55جـدول 3-7: میانگین و خطای معیار میانگین () هورمون تستوسترون در گروههای مختلف PAGEREF _Toc379122501 h 57جـدول 3-8: میانگین و خطای معیار میانگین () تعداد اسپرمها (میلیون بر میلیلیتر) در گروههای مختلف PAGEREF _Toc379122504 h 58عنوان صفحه
جـدول 3-9: میانگین و خطای معیار میانگین () درصد اسپرمهای پیشرونده سریع در گروههای مختلف PAGEREF _Toc379122507 h 60جـدول 3-10: میانگین و خطای معیار میانگین () درصد اسپرمهای با حرکت درجا در گروههای مختلف PAGEREF _Toc379122510 h 62جـدول 3-11: میانگین و خطای معیار میانگین () درصد اسپرمهای پیشرونده با حرکت آهسته در گروههای مختلف PAGEREF _Toc379122513 h 64جـدول 3-12: میانگین و خطای معیار میانگین () درصد اسپرمهای بدون حرکت در گروههای مختلف PAGEREF _Toc379122516 h 66جـدول 3-13: میانگین و خطای معیار میانگین () وزن بیضه موشها در گروههای مختلف PAGEREF _Toc379122519 h 68جـدول 3-14: میانگین و خطای معیار میانگین () هورمون تستوسترون در گروههای مختلف PAGEREF _Toc379122522 h 69جدول 3-15: PAGEREF _Toc379122525 h 71فهرست نمودارها
عنوان صفحه
نمودار 3-1: میانگین و خطای معیار میانگین () تعداد اسپرمها در گروههای مختلف PAGEREF _Toc379122485 h 43نمودار 3-3: میانگین و خطای معیار میانگین () درصد اسپرمهای با حرکت درجا در گروههای مختلف PAGEREF _Toc379122490 h 48نمودار 3-4: میانگین و خطای معیار میانگین () درصد اسپرمهای پیشرونده با حرکت آهسته در گروههای مختلف PAGEREF _Toc379122493 h 50نمودار 3-5: میانگین و خطای معیار میانگین () درصد اسپرمهای بدون حرکت در گروههای مختلف PAGEREF _Toc379122496 h 53نمودار 3-6: میانگین و خطای معیار میانگین () وزن بیضه موشها در گروههای مختلف PAGEREF _Toc379122499 h 56نمودار 3-7: نمودار باکس- ویسکر (box-and-whisker plots) برای هورمون تستوسترون در گروههای مختلف PAGEREF _Toc379122502 h 57نمودار 3-8: میانگین و خطای معیار میانگین () تعداد اسپرمها در گروههای مختلف PAGEREF _Toc379122505 h 59نمودار 3-9: نمودار باکس- ویسکر (box-and-whisker plots) برای درصد اسپرمهای پیشرونده سریع در گروههای مختلف PAGEREF _Toc379122508 h 61نمودار 3-10: نمودار باکس- ویسکر (box-and-whisker plots) برای درصد اسپرمهای با حرکت درجا در گروههای مختلف PAGEREF _Toc379122511 h 63نمودار 3-11: نمودار باکس- ویسکر (box-and-whisker plots) برای درصد اسپرمهای پیشرونده با حرکت آهسته در گروههای مختلف PAGEREF _Toc379122514 h 65عنوان صفحه
نمودار 3-12: نمودار باکس- ویسکر (box-and-whisker plots) برای درصد اسپرمهای بدون حرکت در گروههای مختلف PAGEREF _Toc379122517 h 67نمودار 3-13: میانگین و خطای معیار میانگین () وزن بیضه موشها در گروههای مختلف PAGEREF _Toc379122520 h 68نمودار 3-14: میانگین و خطای معیار میانگین () هورمون تستوسترون در گروههای مختلف PAGEREF _Toc379122523 h 70فهرست شکلها
عنوان صفحه
شکل 1-1: درخت سنجد PAGEREF _Toc379122432 h 7شکل 2-1: نمایی از اتاق حیوانات دانشکده علوم پزشکی شیراز PAGEREF _Toc379122451 h 22شکل 2-2: دستگاه دسیکاتور PAGEREF _Toc379122456 h 24شکل 2-3: دستگاه روتاری PAGEREF _Toc379122457 h 25شکل 2-4: دستگاه پرکولاتور PAGEREF _Toc379122458 h 26شکل 2-5: طرز چیدمان موش ها داخل مقید کننده در اطراف مودم Wi-Fi PAGEREF _Toc379122468 h 31شکل 2-6: تشریح موش صحرایی PAGEREF _Toc379122470 h 33شکل 4-1: تصاویر میکروسکوپی مطالعات بافت شناسی گروه های آزمایشی 1 تا 9 PAGEREF _Toc379122526 h 72شکل 4-2: تصاویر میکروسکوپی اسمیرهای اسپرم با رنگ آمیزی ائوزین گروه های آزمایشی 1 تا 9 PAGEREF _Toc379122527 h 73
بررسی مقایسه ای اثر حفاظتی عصاره هیدرو الکلی میوه سنجد بر اسپرماتوژنز موش های سفید بزرگ آزمایشگاهی نر در حضور اشعه ی Wi-Fi و یا تیمار با داروی بوسولفان
بهوسیلهی: زهره حسینی زاده
چکیدهدر این مطالعه تاثیرات داروی بوسولفان و امواج Wi-Fi را بر روند اسپرماتوژنز، بافت بیضه و هورمون تستسترون موش سفید بزرگ آزمایشگاهی نر از نژاد اسپراگوداولی مورد بررسی قرار گرفت و همچنین از عصاره هیدروالکلی میوه سنجد به عنوان یک داروی محافظت کننده در برابر اثرات بوسولفان و امواج Wi-Fi استفاده شد و به صورت مقایسه ای این مطالعه صورت گرفت.برای انجام این تحقیق 100سر موش سفید بزگ آزمایشگاهی نر با وزن 200-250 گرم انتخاب و در شرایط نوری و غذایی مناسب مورد آزمایش قرار گرفتند. موش ها بر حسب متغیر های تزریق بوسولفان، تابش امواج Wi-Fi و دریافت عصاره سنجد به صورت گاواژ، به طور تصادفی به 10 گروه 10 تایی تقسیم شدند.
گروه 1 به عنوان گروه کنترل حقیقی(هیچ دارو و اشعه ای دریافت نکردند)، گروه 2 به عنوان گروه شم (2ml/kg آب مقطر به صورت گاواژ به مدت 48 روز دریافت کردند)، گروه 3 به عنوان گروه تجربی 1 (2ml/kg عصاره هیدرو الکلی سنجد به صورت گاواژ به مدت 48 روز دریافت کردند)، گروه4 به عنوان گروه تجربی 2(یک دوز 5ml/kg بوسولفان به صورت)Intraperitoneal (Ip)داخل صفاقی) دریافت کردند و سپس به مدت 48 روز آب و غذای روزانه دریافت کردند)، گروه5 به عنوان گروه تجربی 3 (یک دوز5mg/kg بوسولفان به صورت (Ip)داخل صفاقی دریافت کردند و سپس به مدت 48 روز 2ml/kg عصاره سنجد، به صورت گاواژ دریافت کردند) گروه 6 به عنوان گروه تجربی 4 (یک دوز 15mg/kg بوسولفان به صورت Ip دریافت کردند و سپس به مدت 48 روز آب و غذای روزانه دریافت کردند )، گروه 7 به عنوان گروه تجربی 5(یک دوز 15mg/kg بوسولفان به صورت Ip دریافت کردند سپس به مدت 48 روز عصاره هیدرو الکلی سنجد2ml/kg)) به صورت گاواژ در یافت کردند)، گروه 8 به عنوان گروه تجربی 6( موش ها در داخل مقیدکننده(Restrainer) قرار داده و روزانه 4ساعت به مدت 48 روز در معرض تابش اشعه Wi-Fi قرار گرفتند). گروه 9 به عنوان گروه تجربی 7 ( موش ها میزان 2ml/kg عصاره هیدرو الکلی سنجد به صورت گاواژ دریافت نموده سپس موش ها داخل مقیدکننده(Restrainer) قرار داده شدند و روزانه 4ساعت به مدت 48 روز در معرض تابش اشعه Wi-Fi قرار داده شدند)، گروه 10 به عنوان گروه کنترل Wi-Fi (موش ها روزانه به مدت 4 ساعت داخل مقیدکننده(Restrainer) به مدت 48 روز بدون دریافت هیچ تابشی قرار داده شدند.)
در روز 50(48 روز پس از تجویز عصاره و تابش Wi-Fi و 49 روز پس از دادن بوسولفان) کلیه موش ها تحت بی هوشی با کلروفرم قرار گرفتند و در ابتدا خون گیری از قلب صورت گرفت برای اندازه گیری هورمون تستوسترون، سپس موش تشریح شده و از یک سانتی متر انتهایی مجرای دفران چپ اسپرم گیری به عمل آمد و ابتدا وضعیت تحرک سپس شمارش اسپرم ها انجام شد. از اسپرم های مزبور اسمیر تهیه شد که با رنگ ائوزین رنگ آمیزی شدند. بافت بیضه چپ نیز جهت مطالعه بافت شناسی برداشته شدند.
نتیجه مطالعات هورمونی کاهش یا افزایش معنا دار سطح تستوسترون را در هیچ کدام گروه ها مشاهده نشد. نتیجه روند اسپرماتوژنز در گروه هایی که بوسولفان دریافت کرده اند، کاهش معنا دار د تعداد اسپرم، وزن بیضه و و تحرک اسپرم ها مشاهده شد و نشان داده شد که هر چه دوز بوسولفان بالاتر رود اثرات تخریبی آن نیز بالا می رود. در بافت بیضه نیز شاهد کاهش اسپرماتوزوا و اسپرماتید بودیم. استفاده از عصاره سنجد با عث بهبود کیفیت اسپرم شده و نیز در مطالعه بافت شناسی گروهی که دوز 5mg/kg بوسولفان دریافت کرده بودند دادن عصاره سنجد باعث شد که مقدار خیلی کمی از اسپرماتید ها باقی بمانند ولی دوز بالتر بوسولفان عصاره سنجد نتوانست کاری در جهت کنترل تخریب انجام دهد. و اما گروه هایی که امواج Wi-Fi دریافت کرده بودند، امواج روی تعداد اسپرم، وزن بیضه، هورمون تستوسترون و بافت بیضه تاثیری نداشته اما باعث کاهش معنا دار تحرک اسپرم های بارور شد و استفاده از عصاره سنجد میتواند اثر حفاظتی در برابر این امواج داشته باشد.با توجه به نتایج این تحقیق می توان این احتمال را داد که عصاره سنجد با ترکیبات آنتی اکسیدانی که دارد میتواند جلوی آثار مخرب امواج که باعث ایجاد رادیکال های آزاد می شود را بگیرد و با داشتن ویتامین C باعث افزایش وزن بیضه و دارا بودن ویتامین E باعث بهبود کیفیت اسپرم می شود.
کلمات کلیدی: اسپرماتوژنز، بوسولفان، امواج Wi-Fi، میوه سنجد
فصل اولمقدمهcenter0400000
1-1 پیش گفتارناباروری مردان، یک وضعیت پریشان آور معمول و رایج است که از میان هر 20 مرد یک نفر را به خود مبتلا می کند(9). در اکثر موارد، مردان، سلولهای اسپرم کافی برای باروری و لقاح تولید می کنند، اما در این سلول ها نقص های وجود دارد که از لقاح آنها با سلول ماده جلوگیری می کند(10).
عوامل شیمی درمانی اختلالات زیادی در روند اسپرماتوژنز ایجاد می کنند و در بین این عوامل، دارو هایی که دارای خاصیت آلکیله کنندگی هستند، بیشترین آثار سوء را بر بیضه دارند(11). بنابر این اختلالات ایجاد شده در باروری به دنبال شیمی درمانی از نظر بالینی اهمیت بالایی دارد. هر چند که حفظ مایع منی به صورت منجمد قبل از شروع شیمی درمانی، روش قابل اطمینانی برای حفظ باروری است، اما کیفیت اسپرم پس از ذوب کردن مایع منی تغییر می کند. از جمله عوامل شیمی درمانی می توان بوسولفان را نام برد که دارای خاصیت آلکیله کنندگی بوده و برای درمان لوسمی مزمن، سرطان تخمدان و همچنین قبل از پیوند مغز استخوان در بیماران سرطانی استفاده می شود(12). مصرف این دارو پس از یک یا دو تزریق داخل صفاقی، عمده اسپرماتوگونی ها را از بین می برد(13)؛ ضمن اینکه بازگشت باروری در موش های تحت درمان با بوسولفان به صورت موءثر صورت نمی گیرد زیرا، بافت بیضه و لوله های سمی نفروس و سلول های زایا به شدت آسیب می بینند(14).
علاوه بر عوامل شیمی درمانی که باعث اختلال در اسپرماتوژنز می شود در تحقیق حاضر اثر امواج الکترومغناطیسی که اثرات سوءیی بر اسپرماتوژنز دارد نیز مورد بررسی قرار گرفته است. امروزه وجود میادین الکترومغناطیس با شدت های گوناگون اجتناب ناپذیر شده است. این میادین در نتیجه حرکت ذرات باردار در محیط رسانا و خلاء به وجود می آیند و دارای نوعی انرژی هستند که بر اتم ها و مولکول ها بر هم کنشی ایجاد می کنند و منجر به جذب یا باز تابش امواج الکترو مغناطیسی می شود. اثرات این میادین بر وظایف و اعمال بیولوژی موجودات زنده، خطر وسیعی را نشان می دهد که در سلامت زندگی بشری محسوس است(15).
اسپرماتوزوئید هادر برابر تنش های اکسیداسیونی بسیار حساس می باشند و علت آن هم دو چیز است: 1- سوبسترا ها، برای حمله رادیکال های آزاد بسیار قابل دسترس هستند. 2- فضای سیتوپلاسمی برای جای دادن آنزیم های آنتی اکسیدانی کم و محدود است(10).
امواج Wi-Fi نیز جزء امواج الکترومغناطیسی غیر یونیزان هستند که امروزه استفاده فراوانی دارد و در این تحقیق می خواهیم اثرات این امواج را بر روی اسپرماتوژنز بررسی کنیم.
بر طبق کتب طب سنتی ایران، برخی از گیاهان می توانند در درمان ناباروری موءثر واقع شوند(16). از جمله آنها می توان به گیاه سنجد اشاره کرد(19و20و21و22و23). این گیاه یک گیاه تثبیت کننده نیتروژن و متعلق به خانواده الگانسه است. میوه های سنجد غنی از ویتامین ها و به ویژه ویتامین C هستند و حاوی روغن گیاهی غنی از ویتامین E و K، همچنین دارای کاروتنوئید ها، فلاونوئید ها، تانن، پروتئین ها و اسیدهای چرب می باشد(24و25و26). در این تحقیق از عصاره هیدرو الکلی میوه سنجد به عنوان یک محافظت کننده در برابر تاثیر داروی بوسولفان و امواج Wi-Fi استفاده شده است که در بخش های بعدی مفصل توضیح داده خواهد شد.
1-2 هدف کلی:بررسی مقایسه ای اثر حفاظتی عصاره هیدرو الکلی میوه سنجد بر اسپرماتوژنز در حضور اشعه Wi-Fi و یا تیمار با داروی بوسولفان.
1-2-1 اهداف جزئی:1-تعیین اثر محافظتی عصاره ی هیدروالکلی میوه سنجد بر روی اسپروماتوژنز
2-تعیین اثر اشعه ی Wi-Fi بر روی اسپرماتوژنز
3- تعیین اثر محافظتی عصاره ی سنجد و اشعه ی Wi-Fi بر روی اسپرماتوژنز
4-تعیین اثر داروی بوسولفان بر روی اسپرماتوژنز
5-تعیین اثر محافظتی عصاره ی سنجد و داروی بوسولفان بر روی اسپرماتوژنز
2-2 فرضیه ها:1-- میدان الکترو مغناطیسی ناشی از اشعه Wi-Fi باعث کاهش تعداد اسپرم ها می شود.
2- میدان الکترومغناطیسی ناشی از اشعه Wi-Fiباعث کاهش تحرک اسپرم ها می شود.
3- میدان الکترو مغناطیسی ناشی از اشعه Wi-Fi باعث کاهش سلولهای اسپرماتوگونی می شود.
4- امواج الکترومغناطیس ناشی از اشعهWi-Fi اثرات سوء خود را روی هورمون های جنسی نر ا ایجاد می کنند.
5- میدان الکترو مغناطیس ناشی از اشعه Wi-Fi بر مرفولوژی اسپرماتوژنز اثرات سوء دارد.
6- عصاره میوه سنجداز بروز اثرات سوء میدان الکترومغناطیس ناشی از اشعه Wi-Fi بر روی اسپرماتوژنز جلوگیری می نماید.
7- داروی بوسولفان باعث تخریب اسپرماتوژنز می شود.
8- عصاره میوه سنجداز بروز اثرات سوء ناشی از داروی بوسولفان بر روی اسپرماتوژنز جلوگیری می نماید.
1-3 گیاه سنجد:درختی است از خانواده خانواده Elaeagnaceae از جنس Elaeagnus که نام علمی آن Elaeagnus angastifolial میباشد. (شکل 1-1)
این گیاه بومی نواحی شمال آسیا تا هیمالیا و اروپا است و در تهران و اطراف آن، قزوین، خراسان، جنوب شرقی ایران ، شیراز ،غرب ایران از جمله باختران ، همدان ، کاشان ، اصفهان ، آذربایجان و ارومیه می روید.
سنجد در مناطق مختلف ایران دارای نام های محلی است، در کردستان آن را سرین چک در آذربایجان ایده-ایکده ودر اطراف تهران پستانک در اصفهان غبیره بادام گفته میشود(1و2و17).

شکل 1-1: درخت سنجد1-3-1 مشخصات گیاه:درخت سنجد که به صورت درختچه بزرگ یا درخت کوچکی دیده میشود. دارای برگهای بیضی شکل نیزه ای است روی برگ ها نقره ای کبود و پشت آن نقره ای است .دارای ساقه های خار دار یا بی خار به ارتفاع 2تا 7 متر میباشد . گل های آن کوچک زرد رنگ معطر با عطر قوی که بوی آن تا فاصله ی زیادی منتشر میشود و اغلب ایجاد حساسیت مینماید . میوه آن به شکل و ابعاد زیتون ، گوشتدار،پوست نازک میوه به رنگ قرمز نارنجی و گوشت آن سفید نخودی با طعمی کمی شیرین و قابض وقابل خوردن است(1و2و3).
1-3-2 ترکیبات موجود در گیاه سنجد:از نظر ترکیبات شیمیایی در پوست آن آلکالوئید Eeagnine و یک آلکالوئید چسبناک روغنی دیگر وجود دارد و از اعضای گیاه و گل آن کمی اسانس روغنی جدا گردیده است.(معارف گیاهی). برگ گیاه دارای فلانوئید ، تانن ها و اسیدهای کلروژنیک و میوه آن دارای مقادیر زیاد کربوهیدراتها است که در برگ نیز دیده میشوند ، همچنین یک ماده رنگی قهوه ای و مواد روغنی و مقادیر زیادی تانن دارد(1و2).
1-3-3 خواص و کاربرد:برگ آن در بیماری های دهان و لثه و همچنین زخم های ناشی از آفت ، اثر بیحس کننده موضعی دارد . ابن سینا سنجد را به دلیل آثار قابض آن در بند آوردن خونریزی توصیه کرده است(1و4و5). در هند از روغن هسته آن شربت غلیظی درست میکنند که در نزله ها و التهاب غشاءهای مخاطی همراه با ترشح، موارد زکام و همچنین در موارد عفونت های برونش ها مصرف مینمایند. در اسپانیا از شیره گل سنجد برای قطع تبهای مهلک و خطرناک استفاده میشود . میوه سنجد از نظر طبیعت طبق نظر حکمای طب سنتی، سرد وخشک است و از نظر خواص عقیده داشتند که مقوی و مفرح است و برای سرفه های گرم مفید است و نیز مقوی معده می باشد. آشفتگی را تسکین میدهد و صفرا را قطع و قمع می نماید و مانع ریختن مواد به معده می باشد. سنجد خصوصا خام آن برای بند آوردن اسهال نافع است. گل سنجد طبق نظر حکمای طب سنتی گرم و خشک وخیلی معطر است . از نظر خواص، مهیج و شهوت آور خصوصا در مورد زنان و دختران جوان می باشد(2).
1-3-4 درمان با داروهای گیاهی رایج در طب سنتی:استفاده از محصولات و اجزاء مختلف گیاه برای درمان مردان نابارور ، از زمان باستان رایج بوده است و معمولا محصولات و گیاهان مورد استفاده در طب سنتی که سرشار از استرول ، مواد آنتی اکسیدان و ویتامین ها هستند میتوانند بر روی اسپرماتوژنز موءثر باشند. که بعضی از آنها عبارتند از :
باقاله، برنج، رازک، جو دوسر، سیب و سبزیها، انار و گیاهان روغنی (Palma oil and soy oil)(18).
داروها یی که ادعا میشوند واکنش سلولها به پرتوها را تعدیل می کنند، محافظت کننده نامیده می شوند(19). تحقیقات جدید معلوم ساخته که اثر محافظت کننده بعضی گیاهان دارویی به خاطر وجود مقدار نسبتا کمی از ترکیبات شیمیایی به نام مواد موثره می باشد که گیاه تولید می کند. برای مثال بعضی از گیاهان دارای انواع مختلف ترکیبات مثل آنتی اکسیدانت ها هستند که باعث کنترل علائم پاتو فیزیولوژیک، رادیکالهای آزاد و یا بیماریهای مرتبط با آنها و غلبه بر تاثیرات منفی محیط می شوند. بسیاری از این گیاهان خواص محافظت کننده در مقابل اشعه را نشان می دهند از جمله آنها می توان به گیاه سنجد اشاره کرد(20و21و22و23و24). این گیاه یک گیاه تثبیت کننده نیتروژن ومتعلق به خانواده الگانسه است. میوه های سنجد غنی از ویتامین ها و به ویژه ویتامین C هستند و حاوی روغن گیاهی غنی از ویتامین E و K می باشند . همچنین دارای کاروتنوئید ها، فلاونوئید ها، تانن، پروتئین ها و اسیدهای چرب می باشد(25و26و27). وجود فلانوئید های پلی فنولی و تانن و فعالیت جذب رادیکال آزاد ممکن است مسئول اثر محافظت کننده رادیو اکتیوی در عصاره سنجد باشد (22). با وجود تحقیقات بسیار، هنوز هم مواد موثره تعداد قابل توجهی از گیاهان ناشناخته مانده است(2).
میوه سنجد دارای اثراتی چون حفظ مقاومت مویرگی، گشادکننده عروق کرونر، آتمی، هیپولیپیدمیک، کنتراسپتیو و اثرات فوق العاده ضد میکروبی است(3).
1-4 معرفی حیوان:موش صحرائی ، اشاره به گروه زیادی از حیوانات خانواده جوندگان (rodentia) دارد که جایگاه اصلی این حیوانات ، جلگه های آسیا بود اما همراه انسان در سراسر دنیا پراکنده شدند. متوسط طول عمر موش های صحرائی 5/3-5/2 سال ، وزن موش صحرایی ماده به طور متوسط 300گرم و وزن موش صحرایی نر 500-400 گرم است.موش صحرایی نر در سن 60-40 روزگی به بلوغ میرسد(28).
1-4-1 علت انتخاب موش صحرایی نر:به علت تشابه زیاد بین دستگاه تولید مثل موش صحرایی نر با انسان ، از نظر آناتومی بافت شناسی و فیزیولوژی(28و29و30)، اسپرماتوژنز(31)، موش صحرایی نر جهت این آزمایش انتخاب شد و با توجه به شباهت های فوق ، نتایج حاصله را میتوان به انسان تعمیم داد.
1-4-2 دستگاه تناسلی موش صحرایی نر :دستگاه تناسلی موش صحرایی نر شامل: بیضه ها ، مجاری ، آلت تناسلی و غدد همراه است(شکل2-3).
بیضه ها(Testis) یک جفت هستند که مانند بیشتر پستانداران در کیسه اسکروتوم قرار دارند. جایگاه آنها در جلو مقعد (anus) و طرفین مجاری ادراری است. بیضه ها بین روز های 40-30 بعد از تولد پایین می آیند ودردو کیسه مجزا قرار می گیرند . کانال اینگوینال در سراسر زندگی باز می ماند. شریان بیضه ای و شبکه نیلوفری به وسیله توده ای از چربی احاطه می شود(32).
کیسه اسکروتوم در تماس با بدن باقی می ماند هر بیضه به وسیله پوششی به نام سفید پرده(Tunica albugina) پوشیده میشود و حاوی لوله های پیچیده می باشدکه به وسیله بافت همبند احاطه می شود.
بیضه ها ، به عنوان غدد درون ریز (Endocrine) و برون ریز(Exocrine) عمل می کنند در نتیجه اسپرم و هورمون های مردانه(Androgen) را به داخل لوله ها رها می کنند. سلولهای برون ریز در داخل بافت همبند پراکنده اند وسلولهای زایا طی پدیده اسپرماتوژنز، اسپرم تولید می کنند. بیضه ها از طریق یک سری لوله ها با پیشابراه ارتباط دارند که این لوله ها شامل :
شبکه بیضه(Rete testis)، اپیدیدیم ومجاری دفران می باشند.
لوله های منی ساز(Seminefrous tubules)، نزدیک ناف بیضه، مستقیم شده وتشکیل یک شبکه به نام، شبکه بیضه می دهند که از آن چند لوله وابران خارج می شود ای لوله ها سفید پرده را سوراخ کرده وسپس به یکدیگر متصل شده وتشکیل یک لوله منفرد به نام اپیدیدیم می دهند که خود به سه قسمت به نام سر، تنه و دم تقسیم می شود.
مجرای دفران از ناحیه دم اپیدیدیم خارج شده و قبل از ورود به دیواره پشتی آلت تناسلی، در ناحیه آمپولا متسع میگردد. پیشابراه موش صحرایی نر از مثانه تا راس آلت تناسلی امتداد داشته و به یک قسمت غشائی و یک قسمت آلتی تقسیم می شود.
مجرای غشائی دارای دیواره نازک و از مثانه تا کمربند لگنی امتداد دارد. قسمت آلتی به وسیله یک چین پوستی (Prepuce or Foreskin) پوشیده می شود.
سه توده بافت نعوذی (یکی کورپوس کاورنوزوم حاوی پیشابراه و دو تا کورپوس کاورنوزوم) تشکیل آلت می دهند که این سه توده داخل یک غشاء از بافت همبند قرار می گیرند.
کیسه منیSeminal Vesicle)): تعداد آنها یک جفت، دارای اندازه بزرگ و به رنگ سفید می باشند. که هر کدام حاوی یک مجرای پهن هستند و همراه با آمپولای دفران، در راس یک برجستگی (Colliculus seminalis) نزدیک گردن مثانه، از طریق دیواره پشتی پیشابراه، وارد مجرا می گردد.
غده آمپولا(Ampullary gland): یک جفت می باشند که لوله ای و منشعب بوده و در قاعده مجرای دفران قرار می گیرند و به طور مستقیم به داخل وستیبول آمپولا تخلیه می شوند.
غده کوپر(Bulbourethral gland) در محل اتصال مجرای غشایی به آلت قرار می گیرد(32).
پروستات: سه قسمت دارد که عبارتند از :
الف) پروستات اولیه (Primary) یا غده Coagulating: اولین جفت غده پروستات می باشد، دارای ظاهری شفاف و چسبیده به لبه مقعر کیسه منی می باشد و از کیسه منی قابل تشخیص است. هر غده دارای دو مجرا است که وارد پیشابراه می شود.
ب) پروستات شکمی(Ventral) : یک جفت می باشد که صورتی رنگ و قابل دید است. این غده ها حاوی چند مجرا می باشند که وارد پیشابراه میگردند.
پ) پروستات پشتی (Dorsal): یک جفت می باشد که در ناحیه پشتی پیشابراه قرار می گیرد و از کنار جانبی پیشابراه وارد مجرا میگردند.
1-4-3 مایع انزالی (Semen):
مایع انزالی طبیعی انسان*، معمولا به رنگ سفید یا خاکستری و گهگاه زرد رنگ است. مایع قرمز یا صورتی رنگ نشانه وجود خون در مایع انزالی است. مایع انزالی از دو بخش تشکیل شده است بخشی از آن سلولهای مایع انزالی (اسپرم، گلبولهای سفید، سلولهای اپیتلیال مجاری تناسلی و....) و بخش دیگر را پلاسمای مایع انزالی تشکیل میدهد که حاصل ترشحات چندین غدد ضمیمه دستگاه تولید مثلی است.
مایع بلافاصله پس از انزال لخته می شود سپس تشکیل مایع چسبنده ژل مانند می دهد. مایع انزالی حاصل ترشح بیضه و اپیدیدیم و چندین غده می باشد که فقط 5% آن، حاصل ترشح بیضه ؟اپیدیدیم است و بقیه از ترشح غدد ضمیمه به وجود می آید که این غدد عبارتند از :
کیسه منی: 46-8% مایع انزالی.
پروستات: 33-13% مایع انزالی.
غددبولبویورترال وغدد مجاری ادراری: 5-2% مایع انزالی.
1-4-4 ساختمان ومورفولوژی اسپرم موش صحرایی نر: سر اسپرم شبیه قلاب (Hook) است. هسته متراکم (Dense) و یک آکروزوم (Acrosome) دارد. قطعه میانی (Middle-peice)، حاوی سانتریولها و یک صفحه مارپیچی از میتوکندری است (Mitochondrial material). دم، حاوی یک فیلامنت محوری دراز است که برای دوره کوتاهی متحرک است(33).
1-5 اسپرماتوژنز(spermatogenesis):اسپرماتوژنز هنگام بلوغ از یک سلول زایای اولیه موسوم به اسپرماتوگونی(Spermatogonium) آغاز می شود ، که سلولی نسبتا کوچک و مدور با قطری حدود 12میکرومتر است. این سلولها در قاعده اپیتلیوم نزدیک غشاء پایه قرار گرفته اند، و مراحل گوناگون تکامل آنها عمدتا از روی شکل و خواص رنگ پذیری هسته هایشان تشخیص داده می شوند.
اسپرماتوگونی های واجد هسته های تیره ی بیضوی به صورت سلول های بنیادی عمل می کنند؛ آنها به ندرت تقسیم می شوند و هم سلولهای بنیادی جدید و هم سلولهای با هسته های کمرنگتر بیضوی ایجاد می کنند که به صورت سلولهای افزاینده بنیادی (Transit amplifying cell: منظور سلولهایی که با سرعت زیاد تقسیم شده و از یک مرحله تکثیر می گذرند.) می باشند این اسپرماتوگونی های نوع A هر یک چندین تقسیم دودمانی را از سر می گذرانند، به صورت یک سنسیتیوم متصل به هم باقی می مانند، و اسپرماتوگونی عای نوع B را تشکیل می دهند که هسته های کروی تر رنگ پریده ای دارند.
هر اسپرماتوگونی نوع B سپس دستخوش یک تقسیم میتوزی نهایی می شود ودو سلول به وجود می آورد که افزایش اندازه می یابند و به اسپرماتوسیت های اولیه تبدیل می شوند، که سلول های کروی با هسته های یوکاریوت هستند. اسپرماتوسیت های اولیه DNAی خود را تکثیر می دهند (به نحوی که هر کرومزوم محتوی کروماتید های مضاعف است) و وارد مرحله تقسیم میوز می شوند که طی آن کرومزوم های مشابه (هومولوگ) در روند سیناپس کنار هم قرار می گیرند، نوترکیبی DNA روی می دهد و دو تقسیم سلولی سریع سلول های هاپلوئید ایجاد می کنند. اسپرماتوسیت های اولیه بزرگترین سلولهای دودمان اسپرماتوژنز هستند، و علامت مشخصه آنها وجود کرومزوم های تا حدی تراکم یافته در مراحل مختلف سیناپس و نو ترکیبی است.
کرومزوم های هومولوگ در نخستین تقسیم میوزی از هم جدا می شوند و بدین ترتیب سلول های کوچکتری به نام اسپرماتوسیت های ثانویه(Secondary spermatocytes) حاصل می شوند؛ اسپرماتوسیت های ثانویه در برش های بیضه به ندرت یافت می شوند، زیرا این سلول ها دارای عمر کوتاه هستند و فقط مدت زمان بسیار کوتاهی در مرحله انترفاز باقی مانده و به سرعت وارد تقسیم دوم میوزی می شوند. با تقسیم هر اسپرماتوسیت ثانویه کروماتید های هر کرومزوم از هم جدا می شوند و دو سلول هاپلوئید به نام اسپرماتید به وجود می آید(7).
1-5-1 اسپرمیوژنز(Spermiogenesis)اسپرمیوژنز مرحله نهایی تولید اسپرم و فرآیندی است که طی آن اسپرماتید ها به اسپرماتوزوئید ها تبدیل می شوند. هیچ گونه تقسیم سلولی در خلال این فرآیند روی نمی دهد.
اسپرماتید ها را می توان به کمک اندازه کوچک آنها، هسته هاپلوئید با کروماتین بسیار متراکم، و موقعیت آنها در نزدیکی مجرای لوله های منی ساز تشخیص داد(7).
1-6 Busulfan (Myleran)بوسولفان یک داروی تجزیه کننده DNA (Alkylating agent) است که نام شیمیایی آن1-4-btanoedioldimethanesulfonate می باشد و فرمول ساختمانی آن CH3SO2(CH2)4OSO2CH3 است. بوسولفان برای درمان Chronic leukemia ( کم خونی مزمن میلوسیتی و گرانولوسیتی) به کار می رود.
بوسولفان یک داروی هسته دوست (Nucleophilic) است که این خاصیت غیر اختصاصی است. به نظر می رسد آلکیلاسیون DNA، یک مکانیسم بیولوژیک مهم برای اثر توکسیک بوسولفان است.
بوسولفان با اثر بر روی اسپرماتوژنز، باعث نازایی، فقدان اسپرم و تحلیل رفتن بیضه ها می گردد(34).
بوسولفان باعث رشد گناد ها، کاهش تعداد سلولهای زایا (Germ cell)، توقف تقسیم میوزی اسپرماتوگونی ها، افزایش استرادیول و کاهش تستوسترون می گردد(35).
1- 7 Wi-Fiناباروری یک مسئله شایع در سر تاسر جهان است که حدود 70ملیون زوج در سن باروری به آن دچار می باشند(36). چنین اظهار شده است که طی چندین دهه اخیر ناباروری در مردان افزایش یافته است(37). و این مسئله به قرار گیری مستقیم یا غیر مستقیم در معرض عوامل محیطی خاص مانند امواج الکترو مغناطیسی ، فرکانس های رادیویی (فرکانس های بالا) یا RF-EMW (Radio frequency electromagnetic waves) نسبت داده می شود(38).
امواج الکترو مغناطیس به طور قابل ملاحضه ای در تشخیص و درمان به کار گرفته می شوند و استفاده از آنها مستلزم چگونگی کاربرد محتوای انرژی آنها می باشد و می توان گفت امواج با طول موج کوتاه ،انرژی بیشتری با خود دارند وبیشتر نفوذ می کنند و می توانند صدمات بیشتری برسانند(39).
تشعشع ها را می توان به دو دسته یونیزاسیون مستقیم و غیر مستقیم تقسیم بندی کرد .ذرات بار دار مانند پروتون و پوزیترون پرتوهای یونیزاسیون مستقیم هستند که می توانند ساختمان اتمی ماده جاذب را بشکنند و از آن عبور کنند و تغییر شیمیایی و بیولوژیکی در آن ایجاد کنند ، ولی تشعشع های الکترو مغناطیس پرتوهای یونیزاسیون غیر مستقیم هستند. این پرتو ها خود ایجاد صدمات شیمیایی و بیولوژیکی نمی کنند بلکه در حین عبور از ماده جاذب، انرژی جنبشی خود رااز دست داده و تولید ذرات باردار می کنند(40). بسیاری از این ذرات قادر به یونیزه کردن اتم های ماده جاذب و شکستن باند های شیمیایی حیاتی هستند و وقایع زنجیره ای را شروع می کنند که منتهی به صدمات بیولوژیکی می شود(41). وقتی پرتو جذب مواد حیاتی می شود، انرژی در بافت ها و سلولها ذخیره می گردد، این انرژی به علت تولید رادیکال های آزاد می تواند یک باند شیمیایی را بشکند و زنجیره ای از وقایع بیولوژیکی از جمله موتاسیون آسیب در غشاء ها را شروع نماید.(42).
زنجیره وقایع از جذب تشعشع تا آخرین مرحله یعنی ظهور آسیب بیولوژیکی را می توان به صورت زیر خلاصه کرد:
جذب تشعشع منتهی به ایجاد ذرات باردار سریع می گردد.
ذرات بار دار در حین عبور از مواد بیولوژیکی تولید تعدادی جفت یون می کنند. این جفت یون ها رادیکال های آزاد (R₀ ) را به وجود می آورند که دارای عمر بسیار کوتاهی در حدود 105ثانیه هستند. این رادیکال های آزاد به علت داشتن یک والانس الکترون تنها، مولکولهای بسیار فعالی می باشند و تا حد وسیعی منجر به پاره شدن باند های شیمیایی شده و موجب تغییرات شیمیایی می شوند که خود باعث شروع زنجیره ای از وقایع می گردندکه نتیجه نهایی آن ظهور آسیب بیولوژیک است.
اگر اکسیژن حضور داشته باشد ، با رادیکال های آزاد (R0) ترکیب شده و در نتیجه این ترکیب ROO2 تولید می شود که یک پراکسید ارگانیک و یک ماده غیر قابل برگشت است، بدون حضور اکسیژن این واکنش روی نمی دهد و بسیاری از مولکول های یونیزه شده مورد هدف می توانند خودشان را ترمیم و قابلیت عمل طبیعی خود را نیز باز یابند. از طرفی مهمتر اینکه اکسیژن موجب تثبیت ضایعات حاصل از تابش اشعه می شود. بدون حضور اکسیژن این واکنش روی نمی دهد و بسیاری از مولکول های یونیزه شده هدف، می توانند خودشان را ترمیم و قابلیت عمل طبیعی خود را باز یابند(43).
1-7-1 تابش یونیزاسیون غیر مستقیم:تا قبل از پایان جنگ جهانی دوم توجه چندانی به خطرات ناشی از تابش های یونیزاسیون غیر مستقیم نمی شد. تا آن زمان درباره صدمات وارده به چشم بر اثر رویت مستقیم کسوف، نور فرابنفش جوشکاری، و انرژی فرو سرخ در کارهای شیشه سازی و فولاد کاری تجربیات زیادی جمع آوری شده بود. همچنین شواهدی مبنی بر صدمات پوستی ناشی از تابش های فرابنفش و فروسرخ در دسترس بود. اما ترقی سریع الکترونیک و ارتباطات در سالهای پس از جنگ که مبنی بر بخش میکرو موج طیف تابش الکترو مغناطیس بود، و به دنبال آن کاربرد فراگیر جنبه های تاثیر احتمالی تابش های یونیزاسیون غیر مستقیم به ویژه تابش های ناشی از این دو چشمه را بر بهداشت عمومی در کانون توجه قرار داد(8).
با وجود اینکه مرزها و حد و حدود های امنی برای حفاظت از ارتباطات در مقابل پرتودهی امواج رادیویی موجود است، اما نگرانی های عمومی در این باره همواره رو به افزایش است(44و45)، به همین دلیل سازمان سلامت جهانی توصیه کرده است که تحقیقاتی در این زمینه انجام گیرد. مطالعات بر روی حیوانات ( در واقع بر روی موش ها ) به منظور تحلیل و آنالیز تاثیرات سیگنال های WI-FI بر پارامتر های سلامتی و نشان گرهای استرس طراحی شده است.
طی سالهای اخیر استفاده از کامپیوترهای قابل حمل (لپ تاپ های که به اینترنت به صورت وایرلس متصل شده اند به عنوان WI-FI شناخته می شوند.) بسیار افزایش یافته است. این روز ها لپ تاپ ها به دلیل قابل حمل بودن و انعطاف پذیری خود تبدیل به یک وسیله لازم وضروری در زندگی روزمره شده اند. افرادی که از سیستم های WI-FI استفاده می کنند در معرض امواج رادیویی قرار خواهند گرفت و برخی از این امواج ساطع شده از طریق بدنشان جذب می شود. لپ تاپ ها معمولا بر روی پاهای فرد نشسته قرار می گیرد(46و47) و به دین تر تیب ناحیه دستگاه تناسلی این افراد در معرض امواج الکترو مغناطیسی، فرکانس های رادیویی و دمای بالا قرار می گیرد(47و48).
میدان های مغناطیسی با فرکانس های بسیار پایین می توانند باعث شروع برخی تغییرات فزیولوژیک و شیمیایی در سیستم های بیولوژیکی گونه های مختلف شوند(49و50). بسیاری از این تاثیرات مرتبط با تولید رادیکال های آزاد است(51و52). رادیکال های آزاد عواملی هستند که باعث ایجاد آسیب اکسیداتیو در ساختار های سلولی و مولکولی مانند لیپید ها، پروتئین ها و اسید های نوکلئیک می شوند(53).
اسپرماتوزوئید ها به طور منحصر به فرد در برابر تنش اکسیداتیو حساس هستند. علت مربوط به این مسئله به صورت زیر می باشد:
اولین دلیل این سلول ها بطور عمده عاری از سیتو پلاسم هستند و سیتو پلاسم هم در سلول های سوماتیک محلی است برای ذخیره و نگهداری آنزیم های آنتی اکسیدان که اولین خط دفاعی در برابر حمله رادیکال های آزاد، می باشند. بنابر این این سلول ها به علت نداشتن سیتوپلاسم و در نتیجه آنزیم های آنتی اکسیدان به راحتی در معرض حمله رادیکال های آزاد قرار می گیرند(54).
دومین دلیل این سلول ها، دارای هدف های مناسب بسیاری برای ایجاد آسیب پراکسداتیو می باشند. از جمله این هدف ها ، می توان به اسید های چرب غیر اشباعی و DNA اشاره کرد(54و55).
سومین دلیل این سلول ها تولید کننده های حرفه ای گو نه های واکنش پذیر اکسیژن هستند که به نظر می رسد به طور وسیعی از میتوکندری های اسپرم و NADPHاکسیداز غشای پلاسمایی منشا می گیرند(56و57).
1-7-2 دستگاه WI-FI:دستگاه Wireless 8.2.Hg یا محیطی که به نام دستگاه Wi-Fi است ، وسیله بی سیم فراهم کننده امکان دسترسی به اینترنت است کهWIADنیز نامیده می شود. او به طور معمول دارای محدوده فرکانس بالاتر و زمان پرتو دهی طولانی تری نسبت به تلفن های بدون سیم است(58). بدین ترتیب، سطح مخاطره سلامت که مربوط به دستگاه های Wi-Fi می باشد نسبت به تلفن های همراه هم متفاوت است و احتمالا بیشتر هم می باشد. به علاوه دستگاه های Wi-Fi به طور معمول کل بدن را در معرض پرتو های خود قرار می دهند، در حالی که تلفن های همراه تنها بخش هایی از بدن را در معرض پرتو دهی قرار می دهند و بیشتر از همه جمجمه هست که مورد آسیب واقع می شود. قرار گیری حیوانات در معرض پرتو های الکترو مغناطیسی امواج رادیویی یا RFEMR (Radio ferequency electromagnetic --iation) منجر به تغییرات گوناگونی در بافت ها می شود. تغییرات مشاهده شده بسته به خصوصیات و ویژگی های پرتو های ساطع شده از دستگاه Wireless، در گونه های مورد مطالعه و متدلوژی آسیب شناسی بافت مورد استفاده برای کشف این اثرات، متفاوت می باشند(59و60).
فصل دومروش کارcenter0400000
2-1 انتخاب حیوان:جهت این آزمایش ، در تاریخ 19/1/91، تعداد 100 عدد موش سفید بزرگ آزمایشگاهی نر از نژاد اسپراگو-داولی(Sprague-Dawley)، با وزن 200- 250گرم، به روش تصادفی ساده، از مرکز حیوانات آزمایشگاهی دانشگاه علوم پزشکی شیراز خریداری شد.

شکل 2-1: نمایی از اتاق حیوانات دانشکده علوم پزشکی شیراز2-1-1 گروه بندی حیوان:موش ها به طور تصادفی به 10 گروه 10تایی تقسیم و در قفس های به ابعاد 40ₓ20ₓ15 سانتی متر، به ازای هر قفس 5 موش جای داده شدند. به گونه ای که هر گروه دوقفس پنج تایی داشتند. همه موش ها وزن و شماره گذاری شدند. در تمام طول آزمایش شرایط نوری 12 ساعت روشنایی(6صبح تا 6 عصر) و 12 ساعت تاریکی و درجه حرارت23±2 درجه سانتی گراد رعایت شد. تمام گروه ها از غذای یکسان استفاده کردند.

2-1-2 وزن کردن حیوان:برای وزن کردن موش ها، از ترازوی دیجیتالی(spo51)، استفاده شد. برای اینکار ابتدا ترازو را کالیبره کرده سپس توزین موش ها انجام شد.
2-2 عصاره سنجد:2-2-1 دستگاه های مورد استفاده جهت عصاره گیری:1)دستگاه دیسیکاتور(Descicator)
این دستگاه از یک مخزن شیشه ای و یک پمپ خلاء تشکیل شده است:
الف) مخزن شیشه ای: در قسمت پایین مخزن، مواد جاذب رطوبت ،کلسیم کلراید و در قسمت بالای آن ماده مورد نظر قرار می گیرد. این مخزن، دارای یک سرپوش شیر دار است که شیر آن به پمپ خلا وصل می شود. (شکل2-2)

شکل 2-2: دستگاه دسیکاتورب)پمپ خلاء: این پمپ برای ایجاد خلاء در مخزن شیشه ای استفاده می شود.
2)دستگاه روتاری(Rotary)
این دستگاه شبیه دستگاه تقطیر است. بدین صورت که مواد مورد نظر در داخل مخزن قرار می گیرد. این مخزن، در داخل یک ظرف آب گرم به گردش در می آید در نتیجه آب و رطوبت موجود در ماده، تبخیر شده، و وارد یک فیلتر می گردد. فیلتر در انتهای مخزن قرار دارد. خلاء لازم در داخل مخزن به وسیله یک پمپ، ایجاد می شود. (شکل 2-3)

شکل 2-3: دستگاه روتاری3)دستگاه پرکولاتور(Percolator)
دستگاه عصاره گیری است که با استفاده از فشار کار می کند. این دستگاه حاوی یک مخزن شیشه ای دهان گشاد می باشد که در پایین حاوی شیر کنترل است. مواد مورد نظر در داخل مخزن قرار می گیرد و به علت فشاری که به آن وارد می شود حلال، قطره قطره از آن خارج می شود. (شکل 2-4)

شکل 2-4: دستگاه پرکولاتور2-2-2 روش تهیه عصاره هیدرو الکلی سنجد:سنجدی که از بازار تهیه کردیم (سنجد خراسان) به آزمایشگاه منتقل شد، میوه با هسته آن آسیاب شده بعد به مقدار معینی(100gr) از سنجد آسیاب شده را برداشته و در 700cc هیدروالکل مخلوط کرده و به وسیله دستگاه پرکولاسیون به مدت 3روز (72 ساعت) در هوای آزمایشگاه نگه داری کرده بعد از 3 روز عصاره را به وسیله شیر زیر دستگاه گرفته شد. در ضمن برای اینکه گیاه خشک نشود و عصاره بیشتری به دست بیاید همان اندازه که قطره قطره از شیر دستگاه عصاره خارج می شود به همان اندازه حلال مورد نظر که همان هیدرو الکل می باشد، از بالای دستگاه اضافه کرده تا مادامی که عصاره از پایین دستگاه گرفته می شود دیگر رنگی نداشته باشد. عصاره به دست آمده را به وسیله دستگاه روتاری و یا بن ماری غلیظ کرده تا تمام هیدرو الکل عصاره گرفته شود سپس برای اینکه عصاره رطوبتی نداشته باشد در دستگاه دیگری به نام دیسیکاتور که خلاء قوی ایجاد می کند به مدت 24 ساعت نگه داری کرده راندمان 100gr گیاه پودر شده که برداشتیم 51gr عصاره غلیظ سنجد می باشد .
2-2-3 روش دادن عصاره :یک روز پس از تزریق داروی بوسولفان، تجویز عصاره آغاز و به مدت 48 روز (طول مدت اسپرماتوژنز در موش صحرایی نر)، به گروه های آزمایش 6و7 به صورت گاواژ داده شدو همچنین گروه آزمایش 9 همراه با دریافت اشعه Wi-Fi عصاره نیز به مدت 48 روز و به صورت گاواژ دریافت کردند. گروه آزمایش 3 به مدت 48 روز فقط عصاره به صورت گاواژ داده شد و هیچ دارو و اشعه ای دریافت نکردند. گروه های مزبور، روزانه 70mg به ازای هر یک کیلو گرم دریافت کردند. قابل ذکر است که دوز مزبور در 2 سی سی آب مقطر حل شده بود. گروه شم (گروه2) در تمام مدت آزمایش معادل حجم محلول تجویز شده برای گروه های آزمایش آب مقطر دریافت کرده و گروه کنترل حقیقی (گروه 1) و گروه کنترل Wi-Fi (گروه10)، هیچ گونه دارو، عصاره و اشعه ای دریافت نکردند.
2-2-4 مبنای انتخاب دوز عصاره:با توجه به اختلافات مربوط به پارامتر های قلبی- عروقی و متابولیسم کبدی و میزان بیان شده در کتاب طب سنتی(28) بین انسان و موش صحرایی نر دوز مزبور انتخاب شد.
2-3 روش آماده کردن داروی بوسولفان:الف) طرز تهیه حلال بوسولفان: برای تهیه حلال باید به ازای هر 3/3 گرم N-N-Dimethylacetamid، 7/6 گرم، Polyethylenglycol-400 استفاده شود. در این آزمایش 33/13 گرم ماده اول با 66/26 گرم ماده دوم مخلوط شده و حجم به 40 سی سی رسانده شد.
ب) روش تهیه دارو:
به ازای هر 5mg بوسولفان، نیاز به 2cc حلال است. در این آزمایش 100mg بوسولفان در 40cc حلال حل شد.
2-3-1 دوز داروی مورد استفاده:
با توجه به اینکه دوزهای 10mg/kg و بیشتر از آن، باعث تخریب زیاد سلول های اسپرماتوژنیک می شود(35و61) و در این آزمایش نیاز به ایجاد عقیمی نسبی موش های صحرایی نر بود، بنابراین از دوز 5mg/kg استفاده شد. و برای بررسی مقایسه ای اثر عصاره سنجد از یک دوز بالاتر بوسولفان برای ایجاد تخریب زیاد سلول های اسپرماتوژنیک دوز 15mg/kgبوسولفان استفاده شد. با توجه به محاسبه فوق، برای دادن 5mg دارو، نیاز به تزریق 2ml/kg از محلول حاوی دارو بود. بنابراین برای موشهای با وزن 250gr نیم سی سی از محلول فوق، استفاده شد. و همچنین برای دادن 15mg دارو، نیاز به تزریق 6ml/kg از محلول حاوی دارو بود. به همین دلیل موشهای وزن 250gr یک و نیم سی سی از محلول فوق را دریافت نمودند.
2-3-2 روش دادن دارو:به موش های گروه آزمایش تجربی 4-5-6-7 فقط یک دوز دارو به صورت داخل صفاقی(Ip) ، با رعایت اصول اخلاقی و به صورت استریل، داده شد. گروه های شم و کنترل حقیقی بوسولفان دریافت نکردند.
2-4 روش دادن تابش اشعه Wi-Fi:2-4-1 دستگاه های استفاده شده جهت دادن تابش:الف) دستگاه دوزیمتر :
دستگاه EMF(Electro Magnetic Field) یا دوزیمتر استفاده شده در این آزمایش از شرکت Holaday ومدل HI-3604 بود. از این دستگاه برای اندازه گیری و ثبت میدان های الکتریکی و مغناطیسی محیط استفاده شد.
ب) مودم Wi-Fi :
برای انجام این آزمایش از مودم وایمکس رومیزی ایرانسل(مودم داخلی با امکانات Wi-Fi) مدل WIXFMM-130 استفاده شد. وایمکس سیستم دیجیتال ارتباط بی سیم است که با استفاده از منطقه بسیار وسیع تحت پوشش دکل های وایمکس، کل شهر و شهرک های صنعتی و مناطق راهبردی را پوشش می دهد و اینترنت پر سرعت را برای سازمان ها و موسسات و شرکت های تجاری و همچنین منازل مسکونی و کلیه افراد در هر نقطه ای از مکان های تحت پوشش فراهم می آورد.
ج)لپ تاپ:
در این آزمایش از یک دستگاه لپ تاپ ASUS مدل N43J استفاده شد . از لپ تاپ برای استفاده از اینترنت و دانلود هنگام تابش اشعه Wi-Fi استفاده شد.
2-4-2 طرز چیدمان موش ها جهت دریافت اشعه Wi-Fi:قبل از چیدمان موش ها بایستی میزان امواج الکتریکی و مغناطیسی محیط توسط دستگاه دوزیمتر ثبت شود که چون این آزمایش در مرکز حیوانات آزمایشگاهی دانشکده علوم پزشکی شیراز انجام می شد دستگاه به مرکز منتقل وامواج به قرار زیر ثبت گردید:
Background محیط قبل از روشن کردن مودم وایمکس و لپ تاپ:
میدان مغناطیسی : 14mA/m و میدان الکتریکی: 0.5V/m
لپ تاپ روشن، مودم خاموش:
میدان مغناطیسی: 15mA/m و میدان الکتریکی: 10V/m
لپ تاپ روشن بدون دانلود واستفاده از اینترنت، مودم روشن:
میدان مغناطیسی: 19mA/m و میدان الکتریکی: 11.5V/m
لپ تاپ روشن هنگام دانلود، مودم روشن:
میدان مغناطیسی: 67mA/m و میدان الکتریکی: 17.4V/m
چون امواج به صورت کروی در محط پخش می شوند، دستگاه مودم را در مرکز قرار داده و موشها را داخل مقید کننده گذاشته و به صورت دایره وار دور مودم چیده شد وچون 2 گروه را باید تابش می دادیم (گروه 8و9) یک گروه در زیر وگروه دیگر روی آن قرار داده شد، همانطور که در شکل می بینید وچون مدت تابش 4 ساعت در روز بود بس از گذشت 2 ساعت گروه ها جا به جا کردیم تا به طور مساوی امواج را دریافت کنند. (شکل 2-5)

شکل 2-5: طرز چیدمان موش ها داخل مقید کننده در اطراف مودم Wi-Fi2-5 روش بی هوش کردن حیوان:
در روز 50(48 روز بعد از دادن عصاره وتابش Wi-Fi و 49 روز پس از دادن بوسولفان)، ابتدا موش ها به وسیله ترازوی دیجیتالی، وزن شدند و سپس به طریق زیر تحت عمل بی هوشی قرار گرفتند:
در یک ظرف شیشه ای دهان گشاد در پوش دار، مقداری پنبه تمیز ریخته شد و به پنبه ها، 3-4 سی سی اتر اضافه گردید. سپس هر موش به طور انفرادی داخل شیشه قرار گرفت و درب شیشه پوشانده شد. پس از بیهوشی، موش ها به طریق زیر تشریح و ارگان های لازم برداشته شد لازم به ذکر است که در تمام مدت تشریح، عمل بیهوشی بوسیله یک پنبه آغشته به اتر کنترل می شد.
2-6 روش جمع آوری اسپرم و خون گیری: هر موش پس از بیهوشی، روی یک تخته که از قبل بدین منظور تعبیه شده بود ثابت گردید. به منظور تهیه سرم جهت آزمایشات هورمونی (تستوسترون) با سرنگ 2 سی سی، مقدار 2 سی سی خون از قلب حیوان گرفته و درشیشه کلات ریخته شد (شیشه ها از قبل برچسب زده و شماره گذاری شده بود). بعد از آن ناحیه شکم به وسیله پنبه الکل ضد عفونی گردید. سپس یک برش عمودی (Vertical) در خط وسط پوست شکم داده شد. و با قیچی، عضلات جدار شکم را باز کرده تا حفره شکمی در معرض دید قرار گیرد.(شکل 2-6) به منظور تهیه اسپرم، یک سانتی متر انتهای مجرای دفران چپ را جدا کرده در محلول HBSS(Hank,s Balanced Salt Solution) قرار داده شد و در نهایت بافت بیضه چپ به منظور مطالعه بافت شناسی برداشته و داخل فرمالین 10% قرار داده شد.

شکل 2-6: تشریح موش صحرایی2-6-1 روش تهیه اسمیر:پس از گذشت 5 دقیقه و خروج اسپرم ها از مجرای دفران، با استفاده از سمپلر، یک قطره از محلول HBSS که حاوی اسپرم بود بر روی لام گذاشته و بالبه لام دیگر با زاویه 45 درجه روی آن کشیده شد سپس اسلاید ها در هوای اتاق خشک شدند.
2-6-2 طرز تهیه محلول HBSS :برای تهیه 500 سی سی محلول HBSS، مواد زیر با دوز های مشخص شده استفاده شد.
Cacl2.2H2o: 92/5mg
Kcl: 200mg
KH2PO4: 30mg
Mgso4.7H2o: 100mg
Nacl: 4g
NaHco3: 175mg
Dextrose: 550mg
Distilled water: 500cc
2-6-3 روش استخراج سرم:لوله های کلات حاوی خون، داخل دستگاه سانتریفیوژ قرار داده و به مدت 10 دقیقه با دور200G در دقیقه سانتریفوژ شدند. سپس توسط سمپلر، سرم جدا شده خون را برداشته و در لوله های اپندورف ریخته شد. سرم ها تا زمان انجام آزمایشات هورمونی در حالت فریز (دمای 20- درجه سانتیگراد ) نگهداری شدند.
2-7 روش اندازه گیری هورمون تستوسترون:
این اندازه گیری توسط دستگاه Elecsysمدل 2010 انجام شد. پس از جدا سازی سرم آنهه را در cup های مخصوص دستگاه ریخته و نتایج توسط دستگاه خوانده شد.
2-8 پاساژ (Passage) یا گردش بافتی ( Processing)از بافت بیضه چپ، طی مراحل زیر اسلاید تهیه شد:
الف) مرحله تثبیت: بافت های فوق در فرمالین 10% فیکس شد و با فاصله 2، 4، 8، 12، 24، 48 ساعت از نقطه شروع، فرمالین آنها تعویض شد. مقدار فرمالین استفاده شده برای هر ظرف 50 برابر حجم بافت بود.
ب) مرحله آب گیری (Dehydration): این عمل با الکل های 70، 80، 96 وسه ظرف الکل 100درصد، هر کدام به مدت 2 ساعت انجام شد.
پ) مرحله الکل گیری و شفاف کردن(Clearing): برای این منظور از دو ظرف گزیلل-زیلول)، هر کدام به مدت یک ساعت استفاده شد تا گزیلل-زیلول جانشین الکل شود. شایان ذکر است که دو مرحله اخیر توسط دستگاه اتوتکنیکون لایکا (LEICA TP 1010) به طور اتوماتیک انجام شد.
ت) مرحله جایگزینی: بافت ها در دو ظرف پارافین مذاب با درجه حرارت 65 درجه سانتی گراد و با حجمی معادل 50 برابر حجم نمونه بافتی، قرار داده شده تا پارافین جایگزین گزیلل =زیلول شود مدت زمان در نظر گرفته شده برای هر ظرف 2 ساعت بود.
ث) مرحله قالب گیری: ابتدا یک لایه نازک از پارافین مذاب بر روی شیشه و قالب های روی آن چسبانده شد، سپس قالب ها را با پارافین مذاب پر کرده و بافت ها را در داخل آنها قرار داده شد پس از سرد شدن در دمای اتاق، بلوک ها را از قالب ها جدا کرده و در سرد خانه یخچال نگهداری شدند.
ج) برش بافتی یا مقطع گیری: برای این منظور از میکروتوم لایکا استفاده شد و برش های 5 میکرونی از بافت تهیه شد.
چ)مرحله رنگ آمیزی: در این مطالعه از رنگ آمیزی هماتوکسیلین-ائوزین،(H&E ) استفاده شد.
2-9 شمارش اسپرم:برای شمارش اسپرم ابتدا یک سانتیمتر انتهایی مجران دفران را جدا کرده و در 5/2 سی سی محلول HBSS با حرارت 37 درجه سانتی گراد قرار داده شد سپس به روش Jennifer (51)، یک قطره از محلول فوق را روی لام نئوبار ریخته و پس از قرار دادن لامل روی آن از خانه های شماره، 9،7،3،1(خانه های مربوط به شمارش گلبول سفید) جهت شمارش اسپرم استفاده شد. پس از شمارش، میانگین اعداد حاصل از خانه های مزبور محاسبه گردید. به منظور محاسبه تعداد اسپرم موجود در یک میلی لیتر محلول HBSS، میانگین به دست آمده در ضرایب زیر ضرب گردید:
با توجه به اینکه عمق لام نئوبار 0.1 میلی لیتر می باشد جهت محاسبه تعداد اسپرم در یک میلی لیتر مکعب، میانگین تعداد اسپرم در عدد 10 ضرب شد. همچنین جهت محاسبه تعداد اسپرم در واحد میلی لیتر، تعداد اسپرم به دست آمده در یک میلی متر مکعب در عدد 1000 ضرب گردید. با توجه به اینکه مجرای دفران در 5/2 سی سی (فاکتور رقت) محلول HBSS قرار داده شده بود عدد حاصله در عدد 5/2 ضرب گردید.
2-10 روش رنگ آمیزی اسمیر های تهیه شده از اسپرم:اسمیر های تهیه شده توسط رنگ ائوزین، رنگ آمیزی شدند.
2-11 مواد و وسایلجدول 2-1: لیست وسایل مصرفیشماره نام وسایل شرکت سازنده کشور
1 لامل M.MG آلمان
2 لام Menzel آلمان
3 آپندروف 5/1 گروه صنعتی حقیقت ایران
4 دستکش جراحی سوپا ایران
5 سرنگ 2cc سوپا ایران
6 سرنگ 5cc سوپا ایران
7 ماسک سه لایه یکبار مصرف آرمان ماسک ایران
8 گاز - ایران
9 پنبه - ایران
10 برچسب - ایران
11 دستکش یکبار مصرف - ایران
12 سرم فیزیولوژی داروسازی شهید قاضی ایران
جدول 2-2: لیست مواد مصرفیکشور شرکت سازنده نام مواد شماره
آلمان Merck اسید سیتریک 1
آلمان Merck الکل متانول مطلق 2
آلمان Merck الکل اتانول مطلق 3
آلمان Merck فرمالین 10% 4
آلمان Merck گلیسیرین 5
آلمان Merck هماتوکسیلین 6
آلمان Merck گزیلل 7
آلمان Merck پارافین 8
آلمان زیگما بوسولفان 9
ایران پارسیان الکل 96 درجه 10
انگلستان BDH ائوزین 11
ایران لانه حیوانات دانشگاه علوم پزشکی شیراز موش صحرایی نر 12
ایران از درختان استان خراسان میوه سنجد 13
جدول 2-3: لیست ابزارها و دستگاه های مورد استفادهکشور نام شرکت سازنده نام دستگاه شماره
آلمان فاکسل ست جراحی 1
ایران - دستگاه عصاره گیری 2
ایران - دستگاه سانتریفیوژ 3
ژاپن Niko میکروسکوپ نوری E200 4
ژاپن Sony CCDcamera 5
آلمان Spo51 ترازو دیجیتالی 6
ایران - سمپلر 7
ایران - بشر مدرج 8
ایران - پیپت 9
سوئد Heraeus دستگاه آب گرم (Water Bath) 10
آلمان Leica 820 میکروتوم Leica 11
آلمان Profile-c تیغه میکروتوم Leica 12
آلمان Zeis میکروسکوپ نوری 13
ایران - لوله کلات 14
آلمان - نیدل گاواژ 15
چین هووایی مودم Wi-Fi 16
چین ایسوس لپ تاپ 17
فصل سومیافتههای پژوهشcenter0400000
یافتههای پژوهش
در این فصل، نتایج تحلیلهای آماری مربوط به آزمایشات انجام شده آورده شده است. دادهها با استفاده از آمارههای توصیفی میانگین، انحراف استاندارد، نمودار میلهای و آمارههای استنباطی t مستقل، t همبسته و تجزیه و تحلیل واریانس یکطرفه (ANOVA) به همراه آزمون پیگیری LSD مورد تجزیه و تحلیل واقع شدند. همچنین لازم به ذکر است که در کلیه تحلیلها مرز استنتاج آماری در سطح معناداری 05/0>P در نظر گرفته شده است.
3-1- یافتههای مربوط به بررسی تأثیر داروی بوسولفان و اثر حفاظتی عصارهی هیدروالکلی سنجد بر تعداد اسپرمها
جهت بررسی تأثیر داروی بوسولفان و اثر حفاظتی عصارهی هیدروالکلی سنجد بر تعداد اسپرمها از روش آماری تحلیل واریانس یکطرفه (ANOVA) به همراه آزمون پیگیری LSD استفاده شد. در جدول 3-1 میانگین و خطای معیار میانگین () تعداد اسپرمها در گروههای مختلف ارائه شده است. نتایج نشان میدهند که بین میانگین تعداد اسپرمها در گروههای شاهد، تجربی2 (بوسولفان mg/kgBW5)، تجربی3 (بوسولفان mg/kgBW15) و تجربی5 (عصاره هیدروالکلی سنجد+بوسولفان mg/kgBW15) نسبت به گروه کنترل تفاوت معناداری مشاهده میگردد. همچنین نتایج نشان میدهند که بین گروه تجربی1 (عصاره هیدروالکلی سنجد) با گروههای تجربی3 (بوسولفان mg/kgBW15) و تجربی5 (عصاره هیدروالکلی سنجد+بوسولفان mg/kgBW15) نسبت به گروه کنترل تفاوت معناداری مشاهده میگردد.
جـدول 3-1: میانگین و خطای معیار میانگین () تعداد اسپرمها (میلیون بر میلیلیتر) در گروههای مختلفخطای معیار میانگین±میانگین تعداد اسپرمها
گـــروههای مختلف
81/0±13/12 کنتـرل
*65/0±22/8 شاهد
99/0±16/11 تجربی1 (عصاره هیدروالکلی سنجد)
*21/1±54/8 تجربی2 (بوسولفان mg/kgBW5)
,#**69/0±31/2 تجربی3 (بوسولفان mg/kgBW15)
34/1±34/9 تجربی4 (عصاره هیدروالکلی سنجد+بوسولفان mg/kgBW5)
**71/0±60/4 تجربی5 (عصاره هیدروالکلی سنجد+بوسولفان mg/kgBW15)
* نشان دهنده تفاوت معنادار در سطح 01/0>P بین گروه مورد نظر با گروه کنترل میباشد.** نشان دهنده تفاوت معنادار در سطح 0005/0>P بین گروه مورد نظر با گروه کنترل میباشد.# نشان دهنده تفاوت معنادار در سطح 001/0>P بین گروه مورد نظر با گروه تجربی1 میباشد.همانگونه که در نمودار 3-1 ملاحظه میگردد، بین میانگین تعداد اسپرمها در گروههای شاهد، تجربی2 (بوسولفان mg/kgBW5)، تجربی3 (بوسولفان mg/kgBW15) و تجربی5 (عصاره هیدروالکلی سنجد+بوسولفان mg/kgBW15) نسبت به گروه کنترل تفاوت معناداری مشاهده میگردد. همچنین نتایج نشان میدهند که بین گروه تجربی1 (عصاره هیدروالکلی سنجد) با گروههای تجربی3 (بوسولفان mg/kgBW15) و تجربی5 (عصاره هیدروالکلی سنجد+بوسولفان mg/kgBW15) تفاوت معناداری مشاهده میگردد.

* نشان دهنده تفاوت معنادار در سطح 01/0>P بین گروه مورد نظر با گروه کنترل میباشد.** نشان دهنده تفاوت معنادار در سطح 0005/0>P بین گروه مورد نظر با گروه کنترل میباشد.# نشان دهنده تفاوت معنادار در سطح 001/0>P بین گروه مورد نظر با گروه تجربی1 میباشد.نمودار 3-1: میانگین و خطای معیار میانگین () تعداد اسپرمها در گروههای مختلف3-2- یافتههای مربوط به بررسی تأثیر داروی بوسولفان و اثر حفاظتی عصارهی هیدروالکلی سنجد بر درصد اسپرمهای پیشرونده سریع (GI)
جهت بررسی تأثیر داروی بوسولفان و اثر حفاظتی عصارهی هیدروالکلی سنجد بر درصد اسپرمهای پیشرونده سریع (GI) از روش آماری غیرپارامتری کروسکال- والیس و در صورت معنیدار بودن از آزمون یو من- ویتنی استفاده شد. در جدول 3-2 میانگین و خطای معیار میانگین () درصد اسپرمهای پیشرونده سریع (GI) در گروههای مختلف ارائه شده است. نتایج نشان میدهند که بین گروههای شاهد، تجربی2 (بوسولفان mg/kgBW5)، تجربی3 (بوسولفان mg/kgBW15) و تجربی5 (عصاره هیدروالکلی سنجد+بوسولفان mg/kgBW15) نسبت به گروه کنترل و بین گروه تجربی1 (عصاره هیدروالکلی سنجد)، تجربی2 (بوسولفان mg/kgBW5) و تجربی3 (بوسولفان mg/kgBW15) نسبت به گروه شاهد و بین گروههای تجربی2 (بوسولفان mg/kgBW5)، تجربی3 (بوسولفان mg/kgBW15) و تجربی5 (عصاره هیدروالکلی سنجد+بوسولفان mg/kgBW15) نسبت به گروه تجربی1 تفاوت معناداری مشاهده میگردد.
جـدول 3-2: میانگین و خطای معیار میانگین () درصد اسپرمهای پیشرونده سریع در گروههای مختلفخطای معیار میانگین±میانگین درصد اسپرمهای پیشرونده سریع
گـــروههای مختلف
20/2±32/13 کنتـرل
*92/1±29/5 شاهد
##36/2±90/16 تجربی1 (عصاره هیدروالکلی سنجد)
$,##,**38/0±38/0 تجربی2 (بوسولفان mg/kgBW5)
$,#,**0±0 تجربی3 (بوسولفان mg/kgBW15)
55/5±26/15 تجربی4 (عصاره هیدروالکلی سنجد+بوسولفان mg/kgBW5)
$,*76/0±28/1 تجربی5 (عصاره هیدروالکلی سنجد+بوسولفان mg/kgBW15)
* نشان دهنده تفاوت معنادار در سطح 05/0>P و ** نشان دهنده تفاوت معنادار در سطح 005/0>P با گروه کنترل میباشد.
## نشان دهنده تفاوت معنادار در سطح 005/0>P و # نشان دهنده تفاوت معنادار در سطح 05/0>P با گروه شاهد میباشد.
$ نشان دهنده تفاوت معنادار در سطح 005/0>P بین گروه مورد نظر با گروه تجربی1 میباشد.
همانگونه که در نمودار 3-2 ملاحظه میگردد، بین گروههای شاهد، تجربی2 (بوسولفان mg/kgBW5)، تجربی3 (بوسولفان mg/kgBW15) و تجربی5 (عصاره هیدروالکلی سنجد+بوسولفان mg/kgBW15) نسبت به گروه کنترل و بین گروه تجربی1 (عصاره هیدروالکلی سنجد)، تجربی2 (بوسولفان mg/kgBW5) و تجربی3 (بوسولفان mg/kgBW15) نسبت به گروه شاهد و بین گروههای تجربی2 (بوسولفان mg/kgBW5)، تجربی3 (بوسولفان mg/kgBW15) و تجربی5 (عصاره هیدروالکلی سنجد+بوسولفان mg/kgBW15) نسبت به گروه تجربی1 تفاوت معناداری مشاهده میگردد.

* نشان دهنده تفاوت معنادار در سطح 05/0>P و ** نشان دهنده تفاوت معنادار در سطح 005/0>P با گروه کنترل میباشد.
## نشان دهنده تفاوت معنادار در سطح 005/0>P و # نشان دهنده تفاوت معنادار در سطح 05/0>P با گروه شاهد میباشد.
$ نشان دهنده تفاوت معنادار در سطح 005/0>P بین گروه مورد نظر با گروه تجربی1 میباشد.
نمودار 3-2: میانگین و خطای معیار میانگین () درصد اسپرمهای پیشرونده سریع در گروههای مختلف
3-3- یافتههای مربوط به بررسی تأثیر داروی بوسولفان و اثر حفاظتی عصارهی هیدروالکلی سنجد بر درصد اسپرمهای با حرکت درجا (GII)
جهت بررسی تأثیر داروی بوسولفان و اثر حفاظتی عصارهی هیدروالکلی سنجد بر درصد اسپرمهای با حرکت درجا (GII) از روش آماری تحلیل واریانس یکطرفه (ANOVA) به همراه آزمون پیگیری LSD استفاده شد. در جدول 3-3 میانگین و خطای معیار میانگین () درصد اسپرمهای با حرکت درجا (GII) در گروههای مختلف ارائه شده است. نتایج نشان میدهند که بین میانگین درصد اسپرمهای با حرکت درجا (GII) در گروه تجربی4 (عصاره هیدروالکلی سنجد+بوسولفان mg/kgBW5) نسبت به گروه کنترل تفاوت معناداری مشاهده میگردد. همچنین نتایج نشان میدهند که بین گروه تجربی1 (عصاره هیدروالکلی سنجد) با گروه تجربی4 (عصاره هیدروالکلی سنجد+بوسولفان mg/kgBW5) تفاوت معناداری مشاهده میگردد.
جـدول 3-3: میانگین و خطای معیار میانگین () درصد اسپرمهای با حرکت درجا در گروههای مختلفخطای معیار میانگین±میانگین درصد اسپرمهای با حرکت درجا
گروههای مختلف
54/3±76/18 کنتـرل
79/4±86/27 شاهد
37/2±88/18 تجربی1 (عصاره هیدروالکلی سنجد)
69/2±14/9 تجربی2 (بوسولفان mg/kgBW5)
98/5±98/5 تجربی3 (بوسولفان mg/kgBW15)
,#*41/5±20/33 تجربی4 (عصاره هیدروالکلی سنجد+بوسولفان mg/kgBW5)
50/9±84/17 تجربی5 (عصاره هیدروالکلی سنجد+بوسولفان mg/kgBW15)
* نشان دهنده تفاوت معنادار در سطح 01/0>P بین گروه مورد نظر با گروه کنترل میباشد.# نشان دهنده تفاوت معنادار در سطح 01/0>P بین گروه مورد نظر با گروه تجربی1 میباشد.همانگونه که در نمودار 3-3 ملاحظه میگردد، بین میانگین درصد اسپرمهای با حرکت درجا (GII) در گروه تجربی4 (عصاره هیدروالکلی سنجد+بوسولفان mg/kgBW5) نسبت به گروه کنترل تفاوت معناداری مشاهده میگردد. همچنین نتایج نشان میدهند که بین گروه تجربی1 (عصاره هیدروالکلی سنجد) با گروه تجربی4 (عصاره هیدروالکلی سنجد+بوسولفان mg/kgBW5) تفاوت معناداری مشاهده میگردد.

* نشان دهنده تفاوت معنادار در سطح 01/0>P بین گروه مورد نظر با گروه کنترل میباشد.# نشان دهنده تفاوت معنادار در سطح 01/0>P بین گروه مورد نظر با گروه تجربی1 میباشد.نمودار 3-3: میانگین و خطای معیار میانگین () درصد اسپرمهای با حرکت درجا در گروههای مختلف3-4- یافتههای مربوط به بررسی تأثیر داروی بوسولفان و اثر حفاظتی عصارهی هیدروالکلی سنجد بر درصد اسپرمهای پیشرونده با حرکت آهسته (GIII)
جهت بررسی تأثیر داروی بوسولفان و اثر حفاظتی عصارهی هیدروالکلی سنجد بر درصد اسپرمهای پیشروند با حرکت آهسته (GIII) از روش آماری تحلیل واریانس یکطرفه (ANOVA) به همراه آزمون پیگیری LSD استفاده شد. در جدول 3-4 میانگین و خطای معیار میانگین () درصد اسپرمهای پیشرونده با حرکت آهسته (GIII) در گروههای مختلف ارائه شده است. نتایج نشان میدهند که بین میانگین درصد اسپرمهای پیشرونده با حرکت آهسته (GIII) در گروههای تجربی2 (بوسولفان mg/kgBW5) و تجربی3 (بوسولفان mg/kgBW15) نسبت به گروه کنترل تفاوت معناداری مشاهده میگردد. همچنین نتایج نشان میدهند که بین گروه تجربی1 (عصاره هیدروالکلی سنجد) با گروههای تجربی2 (بوسولفان mg/kgBW5) و تجربی3 (بوسولفان mg/kgBW15) تفاوت معناداری مشاهده میگردد.
جـدول 3-4: میانگین و خطای معیار میانگین () درصد اسپرمهای پیشرونده با حرکت آهسته در گروههای مختلفخطای معیار میانگین±میانگین درصد اسپرمهای پیشرونده با حرکت آهسته
گـــروههای مختلف
09/4±83/27 کنتـرل
67/6±48/38 شاهد
83/3±32/35 تجربی1 (عصاره هیدروالکلی سنجد)
,#**52/8±58/54 تجربی2 (بوسولفان mg/kgBW5)
, ##*98/5±98/5 تجربی3 (بوسولفان mg/kgBW15)
72/4±92/21 تجربی4 (عصاره هیدروالکلی سنجد+بوسولفان mg/kgBW5)
00/5±31/16 تجربی5 (عصاره هیدروالکلی سنجد+بوسولفان mg/kgBW15)
* نشان دهنده تفاوت معنادار در سطح 05/0>P بین گروه مورد نظر با گروه کنترل میباشد.** نشان دهنده تفاوت معنادار در سطح 005/0>P بین گروه مورد نظر با گروه کنترل میباشد.# نشان دهنده تفاوت معنادار در سطح 01/0>P بین گروه مورد نظر با گروه تجربی1 میباشد.## نشان دهنده تفاوت معنادار در سطح 005/0>P بین گروه مورد نظر با گروه تجربی1 میباشد.همانگونه که در نمودار 3-4 ملاحظه میگردد، بین میانگین درصد اسپرمهای پیشرونده با حرکت آهسته (GIII) در گروههای تجربی2 (بوسولفان mg/kgBW5) و تجربی3 (بوسولفان mg/kgBW15) نسبت به گروه کنترل تفاوت معناداری مشاهده میگردد. همچنین نتایج نشان میدهند که بین گروه تجربی1 (عصاره هیدروالکلی سنجد) با گروههای تجربی2 (بوسولفان mg/kgBW5) و تجربی3 (بوسولفان mg/kgBW15) تفاوت معناداری مشاهده میگردد.

* نشان دهنده تفاوت معنادار در سطح 05/0>P بین گروه مورد نظر با گروه کنترل میباشد.** نشان دهنده تفاوت معنادار در سطح 005/0>P بین گروه مورد نظر با گروه کنترل میباشد.# نشان دهنده تفاوت معنادار در سطح 01/0>P بین گروه مورد نظر با گروه تجربی1 میباشد.## نشان دهنده تفاوت معنادار در سطح 005/0>P بین گروه مورد نظر با گروه تجربی1 میباشد.نمودار 3-4: میانگین و خطای معیار میانگین () درصد اسپرمهای پیشرونده با حرکت آهسته در گروههای مختلف3-5- یافتههای مربوط به بررسی تأثیر داروی بوسولفان و اثر حفاظتی عصارهی هیدروالکلی سنجد بر درصد اسپرمهای بدون حرکت (GIV)
جهت بررسی تأثیر داروی بوسولفان و اثر حفاظتی عصارهی هیدروالکلی سنجد بر درصد اسپرمهای بدون حرکت (GIV) از روش آماری غیرپارامتری کروسکال- والیس و در صورت معنیدار بودن از آزمون یو من- ویتنی، استفاده شد. در جدول 3-5 میانگین و خطای معیار میانگین () درصد اسپرمهای بدون حرکت (GIV) در گروههای مختلف ارائه شده است. نتایج نشان میدهند که بین میانگین درصد اسپرمهای بدون حرکت (GIV) در گروههای شاهد، تجربی3 (بوسولفان mg/kgBW15) و تجربی4 (عصاره هیدروالکلی سنجد+بوسولفان mg/kgBW5) نسبت به گروه کنترل تفاوت معناداری مشاهده میگردد. همچنین نتایج نشان میدهند که بین گروههای تجربی3 (بوسولفان mg/kgBW15) و تجربی5 (عصاره هیدروالکلی سنجد+بوسولفان mg/kgBW15) نسبت به گروه شاهد و همچنین نسبت به گروه تجربی1 تفاوت معناداری مشاهده میگردد.
جـدول 3-5: میانگین و خطای معیار میانگین () درصد اسپرمهای بدون حرکت در گروههای مختلفخطای معیار میانگین±میانگین درصد اسپرمهای بدون حرکت گروههای مختلف
52/4±40/39 کنتـرل
*05/2±36/28 شاهد
66/1±91/28 تجربی1 (عصاره هیدروالکلی سنجد)
31/9±91/35 تجربی2 (بوسولفان mg/kgBW5)
,##,$*95/11±04/88 تجربی3 (بوسولفان mg/kgBW15)
*92/3±62/29 تجربی4 (عصاره هیدروالکلی سنجد+بوسولفان mg/kgBW5)
#,$91/13±56/64 تجربی5 (عصاره هیدروالکلی سنجد+بوسولفان mg/kgBW15)
* نشان دهنده تفاوت معنادار در سطح 05/0>P بین گروه مورد نظر با گروه کنترل میباشد.# نشان دهنده تفاوت معنادار در سطح 05/0>P و ## نشان دهنده تفاوت معنادار در سطح 005/0>P با گروه شاهد میباشد.$ نشان دهنده تفاوت معنادار در سطح 01/0>P بین گروه مورد نظر با گروه تجربی1 میباشد.
همانگونه که در نمودار 3-5 ملاحظه میگردد، بین میانگین درصد اسپرمهای بدون حرکت (GIV) در گروههای شاهد، تجربی3 (بوسولفان mg/kgBW15) و تجربی4 (عصاره هیدروالکلی سنجد+بوسولفان mg/kgBW5) نسبت به گروه کنترل تفاوت معناداری مشاهده میگردد. همچنین نتایج نشان میدهند که بین گروههای تجربی3 (بوسولفان mg/kgBW15) و تجربی5 (عصاره هیدروالکلی سنجد+بوسولفان mg/kgBW15) نسبت به گروه شاهد و همچنین نسبت به گروه تجربی1 تفاوت معناداری مشاهده میگردد.

* نشان دهنده تفاوت معنادار در سطح 05/0>P بین گروه مورد نظر با گروه کنترل میباشد.# نشان دهنده تفاوت معنادار در سطح 05/0>P و ## نشان دهنده تفاوت معنادار در سطح 005/0>P با گروه شاهد میباشد.$ نشان دهنده تفاوت معنادار در سطح 01/0>P بین گروه مورد نظر با گروه تجربی1 میباشد.

–266

نانوکپسول ها
دومین عنصر پایه، نانوکپسول ها است. همان طوری که از نام آن مشخص است، کپسول هایی هستند که قطر نانومتری دارند و دارای یک پوسته و یک فضای خالی جهت قرار دادن مواد موردنظر در داخل آن می باشد.
نانوامولسیون هانانوامولسیون ها از مولکول های سورفکتانت، نظیر فسفولیپیدها که از یک طرف آب گریز (هیدروفوبیک) و از یک سمت آب دوست (هیدروفیلیک) هستند تشکیل می شوند. هنگامی که این مولکول ها در یک محیط آبی قرار گیرند، خود به خود کپسولهایی را شکل می دهند که قسمت آبگریز مولکول در درون آنها واقع می شود و لذا از تماس با آب محافظت می شوند. لیپوزوم ها ساختارهایی از جنس چربی هستند که در این دسته قرار می گیرند. این ترکیبات در صنایع آرایشی کاربرد زیادی دارند.
نانولوله ها
نانولوله ها به نانوساختارهایی اطلاق می شود که قطر آن ها تا حدود 100 نانومتر می باشد صرف نظر از استحکام کششی بالا، نانولوله ها خواص الکتریکی مختلفی از خود نشان می دهند که به ساختار آن ها وابسته است.
لفظ نانولوله در حالت عادی در مورد نانولوله کربنی به کار می رود که در چند سال اخیر از سوی محققین مورد توجه فراوانی قرار گرفته اند و در کنار خویشاوندان نزدیکش همچون "نانوشاخ ها"نویدبخش کاربردهای جالبی شده اند البته اشکال دیگری از نانولوله های نیتریدبور و نانولوله های خودآرایی آلی نیز ساخته شده اند.
نانولوله ها در زمینه های مختلفی کاربرد دارند که عبارتند از:
_ مواد ساختمانی
_صنایع الکترونیک
_قطعات نشر میدانی
_پیل های سوختی و باتری ها
1-4-5- نانوساختارها
اگر تنها یکی از ابعاد نانوساختارسه بعدی در محدوده ی نانو باشد، آن را“Quantum well“ می نامند. “ Quantum wire “ ساختاری است که دو بعد آن در محدوده ی نانو است، در حالی که “Quantum dot“ دارای سه بعد نانو متری است.
مثال هایی از نانوساختارها
1)ساختارهای صفر بعدی، باکی بال ها هستند که معروف ترین آنها C60 است. مولکول C60 شامل 60 اتم کربن است و این اتم ها مانند یک توپ فوتبال که از 12 پنج ضلعی و 20 شش ضلعی تشکیل شده در کنار هم قرار گرفته اند. این ساختار توپی شکل در شکل 1-1 نمایش داده شده است. این ساختارها در هر سه بعد، نانویی بوده و مولکول C60 دارای قطری در مرتبه 7/0 نانومتر است.

شکل(1-1) انواع فولرین ها
2)ساختاریک بعدی، نانولوله های کربنی که در دو راستا، دارای قطر نانومتری بوده و در راستای محور لوله، میکرونی هستند و نسبت طول به قطر نانولوله ها در حدود 1000 بوده و نانولوله ها تماماً از پیوند sp2 تشکیل شده اند (شکل 1-2).

شکل(1-2) نانولوله های کربنی
3)ساختارهای دو بعدی گرافن که در یک راستا نانومقیاس بوده و دارای ضخامت از مرتبه آنگستروم هستند. گرافن (به انگلیسی: Graphene) نام یکی از آلوتروپ‌های کربن است. و برای نخستین بار در سال 1947 فیلیپ والاس درباره گرافن نوشت و سپس از آن زمان تلاش‌های زیادی برای ساخت آن صورت گرفته بود اما قضیه‌ای به نام قضیه مرمین-واگنر در مکانیک آماری و نظریه میدان‌های کوانتومی وجود داشت که ساخت یک ماده دوبعدی را غیرممکن و چنین ماده‌ای را غیرپایدار می‌دانست. اما به هر حال در سال ۲۰۰۴، آندره گایم و کنستانتین نووسلف، از دانشگاه منچستر موفق به ساخت این ماده شده و نشان دادند که قضیه مرمین-واگنر نمی‌تواند کاملاً درست باشد. جایزه نوبل فیزیک ۲۰۱۰ نیز به خاطر ساخت ماده‌ای دوبعدی به این دو دانشمند تعلق گرفت (شکل 1-3).

شکل(1-3) گرافن
4) ساختارهایی سه بعدی گرافیتی که سالیان بسیار زیادی است بشر آن را می شناسد. گرافیت یکی از آلوتروپ های کربن است که ساختار لایه-لایه داشته و به رنگ سیاه است واز قرار گرفتن ۶ اتم کربن به صورت ۶ ضلعی منظم پدید آمده است. هیبریداسیون اتمهای آن از نوع sp2 است و این اتم‌ها با پیوند کووالانسی به هم متصلند و نمی توانند با کربنی خارج از این لایه پیوند کوالانسی دهند بنابراین یک لایه گرافیت از طریق پیوند واندر والس -که پیوند ضعیفی است- به لایه‌های زیرین متصل است این خاصیت سبب می‌شود لایه‌های گرافیت به راحتی به روی هم بلغزند. به همین دلیل از این ترکیب برای «روان کاری» و «روغن کاری» استفاده می شود. از گرافیت به عنوان الکترودهای کوره، روان کننده، ماده نسوز، قطعات الکتریکی، رنگ‌ها، فولادهای پرکربن، چدن‌ها، مداد گرافیتی و … استفاده می‌شود. نوک مدادهای زغالی از جنس گرافیت هستند که ساختار سه بعدی ساخته شده از ورقه هایی از شبکه های شش ضلعی دارد (شکل1-4).

شکل(1-4) گرافیت
5)آلوتروپ دیگر کربن الماس است که برعکس گرافیت هیبریداسیون sp3 داشته و رسانای جریان الکتریکی نیست و سختی بالایی دارد (شکل 1-5).

شکل(1-5) الماس
1-4-6- کاربردهای فناوری نانو
بکارگیری نانوفناوری در علوم مختلف باعث پیشرفت شگرفی در آنها شده و بسیاری از علوم مختلف را تحت تأثیر قرار داده است. در اینجا بخشی از تأثیرات و کاربردهای نانوفناوری در علوم مختلف را بیان می کنیم.
1-4-6-1-کاربرد فناوری نانو در صنعت
نانوفناوری در زمینه های پیچیده تر و صنعتی تری نیز ایفای نقش می کند. صنایع رباتیک، هوافضا و نظامی از این دست هستند که هریک به نوبه خود با زندگی مردم در ارتباط هستند.
1)صنایع رباتیک
مهمترین تأثیری که فناوری نانو در رباتیک می تواند بگذارد ساخت نانوربات هاست.
این نانوربات ها می توانند با توجه به اندازه بسیار بسیار کوچک خود، خود را به مناطق آسیب دیده رسانده و پس از تزریق مستقیم دارو به محل و بررسی هایی که انجام می دهند بیماری را درمان کنند.
2)صنایع نظامی
به کارگیری فناوری نانو در صنایع نظامی به خصوص در زمینه امنیتی – دفاعی در دهه اخیر مورد توجه پژوهشگران قرار گرفته است. استفاده از این فناوری در تجهیزات دفاعی راه هایی به سوی بهبود اسلحه ها، ابتکار در ساخت مواد با وزن سبک و مقاوم به دمای بالا برای هواپیماها، راکت ها و ایستگاه های فضایی را هموار نموده است. تسلط اطلاعاتی از طریق نانو الکترونیک پیشرفته، به عنوان یک توانایی مهم نظامی، کارایی بالاتر در تجهیزات نظامی و استفاده از ربات های پیشرفته به جای استفاده از نیروی انسانی نظامی، پیشرفت در امر شناسایی و در نتیجه مراقبت از عوامل شیمیایی، کاهش خطر برای سربازان و بهبود کارایی خودروهای نظامی از دیگر قابلیت های این فناوری نوین در حوزه نظامی – دفاعی و امنیتی است.
3)صنایع هوافضا
با پیشرفت فناوری و ورود آن به عرصه فضا، سفرهای فضایی، ساخت کاوشگرها، مدارگردها و سفینه های فضایی ساده تر و مقرون به صرفه تر خواهد شد. ربات های فضانورد با قیمتی ارزان تولید و به منظور شناسایی و انجام آزمایشات روی کرات دیگر به فضا و سایر کرات فرستاده خواهند شد.
اندازه ماهواره های ارسالی به فضا کاهش خواهد یافت و دیگر نیازی به استفاده از موشک های غول پیکر جهت فرستادن ماهواره ای چند تنی به فضا و قرار دادن آنها در مدار نخواهد بود و به این ترتیب از هزینه های گزاف پرتاب موشک های غول پیکر کاسته خواهد شد.
نانو حسگرها، یا سامانه های پیشران بسیار کارآمد، نمونه های دیگری از کاربرد فناوری نانو هستند. حفاظت در برابر تابش های کیهانی از کاربردهای دیگر و اساسی نانوفناوری در سفرهای فضایی است. به گفته دانشمندان، خطر قرار گرفتن در معرض تابش های فضایی مهمترین عامل محدودکننده طول مدت سفرهای فضایی و اقامت انسان در فضا است و لذا هم اکنون تحقیقات فراوانی به طور خاص در این زمینه در حال انجام است.
طراحان سفینه های فضایی به این منظور و نیز به منظور رفع مشکلاتی مانند دوام ساختار روکش حفاظتی سفینه های فضایی، درجستجوی موادی هستند که قادر باشد به آنها در توسعه و ساخت روکش چند کاره بدنه سفینه های فضایی کمک نماید. منظور نانوحسگری است که بتواند حفاظت مؤثری در برابر تابشهای فضایی ایجاد کند و در عین حال ذخیره انرژی خوبی هم داشته باشد و همچنین قادر باشد در صورت صدمه دیدن بخشی از پوشش حفاظتی فضاپیما و نیاز به انجام تعمیرات خود به ترمیم خود بپردازد.
از نانو همچنین در ساخت لباس فضانوردان استفاده خواهد شد. لباس فضانوردان در عین داشتن مقاومت بالا در مقابل پرتوهای پرانرژی کیهانی باید سبک و راحت باشد به گونه ای که در حرکات فیزیکی فضانوردان اختلال و یا محدودیتی ایجاد نکند و فضانوردان قادر باشند با آرامش و آزادی عمل بیشتری به انجام تحقیقات در فضا و یا روی سطح کرات دیگر بپردازند.
1-4-6-2- کاربردهای فن‌آوری نانو در صنایع غذایی
حوزه‌های کاربردی فن‌آوری نانو درصنایع غذایی را می‌توان به صورت شکل زیر خلاصه کرد.
حوزه‌های مختلف کاربردی فن‌آوری نانو در غذا و صنایع غذایی به شش دسته نگهداری غذا، بهبود طعم و رنگ، سلامت غذا، بسته‌بندی، تولید غذا و فرآیندهای غذایی تقسیم‌بندی می‌شوند. شکل زیر این تقسیم‌بندی همراه با زیرگروه‌های هریک را نشان می‌دهد. در ادامه به تشریح هر قسمت و نمونه‌های کاربردی مربوطه که تا به حال وجود داشته است، پرداخته می‌شود.
1)نگهداری
فن‌آوری نانو از سه طریق می‌تواند در نگهداری موادغذایی مؤثر واقع شود:
ضدعفونی و ضد میکروب کردن سطوح: فن‌آوری نانو با جابه‌جا کردن سطح پوشش مواد می‌تواند تقریباً از ورود هر میکروارگانزیم یا میکروب به غذا جلوگیری کند. میکروب‌کش‌ها با نانو ذرات و نانو قطراتی مانند روغن‌های گیاهی و الک‌ها، دوستدار محیط زیست بوده و برای سلامت انسان بی‌ضرر هستند.
حفاظت آنتی‌اکسیدان‌ها: نگهداری آنتی‌اکسیدان‌های حساس مانند ویتامین‌های K/E/D/A ، اسید چرب امگا 3 و ر -کاروتن همواره یک عامل کلیدی در حفظ غذا بوده است. استفاده از نانو حفره‌ها می‌تواند از خراب شدن چنین مواد بی‌ثباتی در طول فرآیند و در زمان انبارداری جلوگیری کند.
دست‌ورزی و کنترل فعالیت آنزیم‌ها: فن‌آوری نانو در شناسایی و طراحی ساختمان آنزیم‌ها کاربرد مهمی دارد. فن‌آوری نانو توانایی کنترل متابولیسم آنزیم‌ها توسط تغییر در ساختمان و افزودن دیگر ذرات فعال را دارد. بنابراین می‌توان فعالیت‌های آنزیم‌ها را از این طریق تحت کنترل درآورد.
2)تولید
کاربرد فن‌آوری نانو در زمینه تولید غذا می‌تواند از یک سو در صنعت کشاورزی و از سوی دیگر در ابداع راه‌های جدید برای تولید غذاهای غیروابسته به شرایط طبیعی، مورد اهمیت قرار گیرد. عمده این کاربردها عبارتند از:
آنالیز و شناسایی محصولات کشاورزی: چیپ‌ها یا نانوسنسورها می‌توانند آفت، آنتی‌بیوتیک‌ها و ژن‌های مختلف را دقیقاً تشخیص دهند.
تولید غذاهای GM : باکی‌بال‌های قالب‌ریزی شده با اطلاعات ژنتیکی می‌توانند ژن‌ها و عناصر را به نقاط مطلوب حمل کنند.
تولید آفت‌کش/دارو و حمل آن‌ها: مانند زمینه دارویی در انسان، ‌نانو ذرات و نانوکپسول‌ها در بهبود اثر دارو کمک خواهند کرد و اثرات جانبی را کاهش می‌دهند.
سنتز و تولید غذا: آرایش بسیار ریز افزودنی‌های غذایی می‌تواند گروه‌های جدید غذایی را با سنتز مواد تغذیه‌ای مورد نیاز، طعم دهی ترکیبات و پیوند آنزیم‌ها با هم تولید کند. این روش باعث کاهش زیاد وابستگی صنایع غذایی به محیط زیست طبیعی شده و به عنوان یک ایده متفاوت در این زمینه ‌بدون نیاز به ملزومات غذای طبیعی استفاده می‌شود.
3)بسته‌بندی و سلامت موادغذایی
چشم‌اندازهای مالی فن‌آوری‌نانو، صنایع بسته‌بندی را پررونق نشان می‌دهد. سهم بازار این صنعت در حال حاضر حدود 1/1 میلیارد دلار است و پیش‌بینی‌ می‌شود تا سال 2010 به 3/7 میلیارد دلار آمریکا برسد.
در این قسمت به منظور اطلاع از محصولات تجاری و تحقیقاتی که در این حوزه صورت گرفته مثال‌هایی آورده می‌شود :
شرکت Bayer Polymer کیسه‌ای پلاستیکی با نام Durethan KU تولید کرده است که از محصولات موجود در بازار سبک‌تر و محکم‌تر است، همچنین مقاومت بیش‌تری در برابر گرما از خود نشان می‌دهد. هدف اولیه از تولید پلاستیک‌های بسته‌بندی موادغذایی، جلوگیری از خشک شدن محتویات آن‌ها و محافظت در مقابل رطوبت و اکسیژن است. پوشش جدید غنی از نانوذرات سیلیکات است. این نانوذرات تا حد زیادی از نفوذ اکسیژن، گازهای دیگر و رطوبت جلوگیری می‌کنند و فساد موادغذایی را به تأخیر ‌می‌اندازند.
سازمان‌های دیگر به کمک فن‌آوری ‌نانو در حال یافتن راهی برای تشخیص فساد موادغذایی هستند. به عنوان مثال شرکت AgroMicron ، افشانه تشخیص دهنده نانوبیولومینسانس را ساخته که شامل پروتیین لومینسانت است. در این طرح، افشانه سطح میکروب‌هایی مانند Salmonella و E.coli را ‌پوشانده و از خود نوری ساطع می‌کند و در نتیجه فساد موادغذایی تشخیص داده می‌شود. این شرکت در نظر دارد محصول مورد نظر را با نام BioMark وارد بازار کند. در حال حاضر این شرکت در حال ساخت افشانه‌هایی با روش‌‌های جدید است تا بتواند از آن‌ها در حمل و نقل دریایی استفاده کند.
در راهبرد مشابه، برای اطمینان از سلامت موادغذایی، محققان اتحادیه اروپا در پروژه Good Food از نانوحسگرهای قابل حمل برای یافتن مواد شیمیایی مضر، پاتوژن‌ها و سم‌‌ها در موادغذایی استفاده می‌کنند.
با این عمل، دیگر نیازی به فرستادن نمونه‌های موادغذایی به آزمایشگاه برای تشخیص سلامت و کیفیت محصولات در کشتزارها و کشتارگاه‌ها نیست. همچنین این پروژه، در حال توسعه به کارگیری زیست‌تراشه‌های DNA برای کشف پاتوژن‌هاست. این روش می‌تواند در تشخیص باکتری‌های مضر و متفاوت موجود در گوشت یا ماهی و یا قارچ‌های میوه مؤثر باشد. این پروژه در نظر دارد با گسترش میکروحسگرهای رشته‌ا‌ی، بتواند آفت‌کش‌های میوه و سبزیجات را به همان خوبی که شرایط محیطی کشتزارها را کنترل می‌کند تشخیص دهد. این نوآوری به نام حسگرهای Good Food نامیده می‌شود.
1-4-6-3- کاربرد فناوری نانو در صنعت پزشکی
درمان و پیشگیری بیماری‌ها از قابلیت‌های خوب فناوری نانو به شمار می‌رود. این فناوری با استفاده از نانوابزارها و نانوساختارهای مهندسی‌شده، اعمال ساخت، کنترل، دیدن و ترمیم سیستم زیستی انسان در مقیاس مولکولی را انجام می‌دهد.
مثال‌هایی از کاربرد نانوفناوری در پزشکی
1- هدف‌گیری و ارسال دارو به نقاط غیر قابل دسترس بدن با تجهیزات نانومتری
2- تولید بافت‌های مصنوعی سازگار با بدن
3- تولید سیستم‌های هوشمند برای شناسایی بیماری‌های در حال ایجاد در بدن
4- درمان برخی از بیماری‌های صعب‌العلاج مانند سرطان، ایدز و هپاتیت
5- مراقبت بهداشتی بهتر با استفاده از تجهیزات نانومتری در داخل بدن
1-4-6-4- کاربرد فناوری نانو در مخابرات
یکی از روش های بکارگیری فناوری نانو در مخابرات، بهبود اتصالات فیبرهای نوری است تا انتقال اطلاعات بهتر انجام گیرد]3[ و ]4[.
فصل دوم
مروری بر متون
2-1- نانو کامپوزیت ها
نانو کامپوزیت ها مواد مرکبی هستند که حداقل یکی از اجزای تشکیل دهنده آن ها دارای ایجاد محدوده 1 تا 100 نانومتر می باشد در واقع ترکیبات متشکل از ذراتی در مقیاس نانو بوده که در یک فاز زمینه پراکنده شده اند نانو کامپوزیت ها را می توان ساختارهای جامدی در نظر گرفت که در ابعاد نانومتری دارای فواصل تکراری بین فازهای مختلف به وجود آورنده ترکیب خود می باشد .
علت اینکه این مواد نسبت به کامپوزیت های متداول خواص ویژه و مطلوب تری را از خود نشان می دهند این است که نیروهای بین سطح مشترک تقویت کننده در یک کامپوزیت معمولی قوی تر می باشد.
کامپوزیت ها دو فاز دارند : اصلی زمینه و تقویت کننده های نانو متری
انواع تقویت کننده ها:
1)نانو ذرات
2)نانو لوله ها
3)نانو صفحات
4)نانو الیاف
کامپوزیت های اصلی زمینه:
1)نانو کامپوزیت های زمینه پلیمری :
خواص بی نظیر (مکانیکی ، شیمیایی ، فیزیکی) , خاصیت نفوذ پذیری , پایداری حرارتی بالا , استحکام بالا , وزن کم .
با افزودن درصد کمی از مواد نانو به یک پلیمر خالص , استحکام تنشی و کششی افزایش چشم گیری می یابد.
2)نانو کامپوزیت های زمینه فلزی :
کم وزن و سبک و استحکام بالا مقامومت و پایداری حرارتی مناسب.
3)نانو کامپوزیت های زمینه سرامیکی :
به مواد جامدی که بخش عمده تشکیل دهنده آن ها غیر آلی و غیر فلزی باشد.
ساختمان به شکلی است که معمولا یک فاز نسبت به فاز دیگر دارای دانه بندی کوچکتری است و معمولا یک فاز در ابعاد نانو متری و فاز دیگر در ابعاد میکرونی.
سرامیکهای مهندسی به دو گروه اکسیدی و غیر اکسیدی تقسیم می شوند.
اکسیدی : TiO2تیتانیا ،AL2O3آلومینا ، ZrO2 زیرکومینا
غیر اکسیدی: SiC ,TiN
سختی بالا و مقاومت فشاری و پیچشی بالاتر ، مقاومت حرارتی عالی ، رسانایی الکتریکی و حرارتی پایین ، مقاومت سایشی بالاتر و چگالی پایین تر.
مهمترین مشکل شکنندگی بالای آنها به دلیل پیوندهای یونی و کوالانسی و برای حل آن اضافه کردن و جاسازی الیاف و ذرات با ابعاد نانومتری]5[.
2-1-1-خاصیت فتوکاتالیستی :
اگر یک نیمه رسانا در معرض تابش قرار گیرد به صورت یک کاتالیست عمل می کند.
براساس شتابدهی واکنش های نوری در حضور کاتالیست.
فرایند فوتو کاتالیکی به جفت شدن نور فرابنفش با انرژی کم با ذرات کاتالیستی.
این فرایند شبیه فوتوسنتز است و فوتو کاتالیست به مانند کلروفیل نور خورشید را به دام می اندازد و باعث تبدیل ترکیب به CO₂ و آب می شود.
فرایند سل_ژل شدن عبارت است از:
1)مخلوط پیش ماده 2)شکل دهی 3)ژل شدن 4)پیر شدن 5)خشک شدن 6)آب زدایی یا تثبیت شیمیایی 7)متراکم کردن و سنتز شدن]6[.
2-1-2-مکانیسم فتو کاتالیست (فرآیند) :
فعالسازی توسط تابش با طول موج لازم برای تشکیل جفت حفره الکترون.
TiO₂ e⁻ + h⁺
جذب سطحی آب ، ترکیب آلی و رادیکال هیدرواکسیل بر روی سطح کاتالیست.
O⁻² + Ti⁺⁴ +H₂O H⁻ + Ti⁺⁴ - OH
ترکیب مجدد حفره و الکترون.
Ti⁺⁴ +H₂O Ti⁺⁴ - H₂O
Site+R(i) R(I,ads)
OH +Ti⁺⁴ Ti⁺⁴ /OH
ترکیب مجدد حفره و الکترون و تولید انرژی حرارتی.
e⁻ + h⁺ heat
Ti⁺⁴ -OH⁻ +h⁺, TI⁺⁴ / OH°
به دام افتادن الکترون و حفره.
R(I,ads) +h⁺ R⁺(A,ads)
Ti⁺⁴ +e⁻ Ti⁺³
Ti⁺³ +O₂ Ti⁺⁴ - O⁻₂
حمله رادیکال هیدروکسیل تحت شرایط مختلف.
Ti⁺⁴ /OH° + R° (I,ads) Ti⁺⁴+ R (J,ads)
OH°+ R (I,ads) R (J,ads)


Ti⁺⁴ /OH° +R(i) Ti⁺⁴ + R(j)
OH° +R(i) R(j)
2-1-3-اثر O₂ و H₂O₂ :
در حضور این عوامل سرعت و بازده تجزیه نوری افزایش می یابد , نقش اصلی اکسیژن مولکولی جلوگیری از ترکیب مجدد الکترون-حفره است ، زیرا به عنوان دام الکترونهای نوار رسانش عمل می کند در اثر این عمل یون رادیکال سوپراکسید تشکیل می شود که شدیداّ فعال است و به ترتیب خنثی ، رادیکال و یون-رادیکال جذب شده بر سطح کاتالیزور حمله می کند. علاوه بر این کار O₂ باعث تولید H₂O₂ می شود که خود این عامل به عنوان الکترون پذیر با الکترون های رسانا وارد عمل شده و رادیکالهای هیدروکسیل تولید می کنند]7[.
H₂O₂ + e⁻ OH° + OH⁻
2-2- نانو کاتالیست‌ و نانوذرات کاتالیستی
کاتالیست، گونه‌ای است که سرعت واکنش را افزایش می دهد. هدف شیمی دانان، تولید کاتالیستی با فعالیت و بازده بالا، گزینش پذیری کامل، قابلیت جداسازی و بازیابی از مخلوط واکنش، مصرف انرژی کم و عمر بالا است. عملکرد کاتالیست با کنترل متغییرهایی همچون اندازه، ساختار، توزیع فضایی و الکترونی، ترکیب سطح، پایداری گرمایی و شیمیایی می تواند تعیین شود. بازده  بالا، صرفه ی اقتصادی، هدر رفت کم مواد شیمیایی ، مصرف گرما و انرژی پایین، ایمنی بالا و استفاده ی بهینه از مواد شیمیایی اولیه، از مزایای نانوکاتالیست است. برای صرفه جویی اقتصادی و استفاده ی بهینه از نانوکاتالیست، معمولا آن را به صورت کامپوزیت می سازند و سطح آن را مورد اصلاح شیمیایی قرار می دهند. تحقیقات در حوزه ی نانوکاتالیست، همواره یکی از بحث های جذاب در نانوشیمی و شیمی سبز بوده است. شیمی سبز به واکنش های شیمیایی سالم با محصولات بی خطر و با حداکثر بازده (حداقل مصرف ماده و انرژی) می‌پردازد و نانوکاتالیست می‌تواند ما را به سوی این آرمان  سوق  دهد.
کاتالیست، گونه‌ای است که انرژی فعال سازی واکنش (انرژی اولیه برای انجام واکنش) را کاهش داده و در نتیجه سرعت واکنش را افزایش می دهد. فلزات واسطه‌ی جدول تناوبی عناصر، رایج ترین کاتالیست ها هستند.کاتالیست ها به دو دسته ی همگن (Homogeneous) و ناهمگن (Heterogeneous) تقسیم می شوند. کاتالیست همگن، تک اتم، یون یا مولکول است و با واکنش دهنده ها هم فاز می باشد. به بیان دیگر، ذرات کاتالیست همگن می توانند به راحتی در مخلوط واکنش حل شوند. کاتالیست همگن در واکنش مصرف شده و مجددا تولید و بازیابی می‌شود. فعالیت بسیار بالا، گزینش پذیری و بازده خوب ، از محاسن این گونه از کاتالیست می باشد. بهبود در عملکرد کاتالیست های همگن می تواند با اتصال گروه های متفاوت آلی و معدنی به ذره اصلی فراهم شود. مشکل اصلی در فناوری کاتالیست های همگن در آنجاست که پس از اتمام واکنش، جداسازی کاتالیست حل شده از مخلوط نهایی کار ساده ای نیست. این مشکل به ویژه در زمانی که کاتالیست در مقادیر کم مصرف می شود، خود یک چالش بزرگ است]8[ و ]9[.
کاتالیست ناهمگن، با واکنش دهنده ها در یک فاز نیست. اندازه و خصوصیت ذرات کاتالیست ناهمگن به صورتی است که به راحتی در محیط واکنش حل نمی شود؛ از این رو فعالیت آن محدود می گردد (بازده کل واکنش کاهش می یابد). برخلاف کاتالیست های همگن، کاتالیست های ناهمگن به راحتی (با صرف هزینه، زمان و مواد کمتر) از مخلوط واکنش جدا می شوند و موجب ناخالصی محصولات نمی گردند. برای آنکه کمبود سطح فعال در این گونه ترکیبات جبران شود، استفاده از یک بستر در نقش تکیه گاه کاتالیست، ضروری است. بستر معمولا یک ساختار متخلخل با سطح فعال بالاست.
کاتالیست مناسب، باید سطح فعال زیاد داشته و قابل جداسازی باشد. فناوری نانو، می تواند سطح فعال بسیار زیادی را برای کاتالیست فراهم آورد. با آنکه سطح فعال نانوکاتالیست ها بسیار بالاتر از کاتالیست های معمولی است، سطح فعال یک نانوکاتالیست همواره از یک کاتالیزور همگن پایین تر است (کاتالیزور همگن با انحلال خود در تماس کامل با محتویات واکنش قرار دارد). در مقابل، نانوذرات کاتالیستی به دلیل ابعاد بزرگ تر نسبت به ذرات کاتالیست همگن، در محلول واکنش حل نشده و به سادگی قابل جداسازی هستند. سطح فعال زیاد به همراه قابلیت جداسازی کاتالیست در پایان واکنش، از نانوکاتالیست ها پلی میان کاتالیست های همگن و ناهمگن ساخته است. ممکن است فرآیند پیچیده تولید برخی از نانوکاتالیست ها هزینه بر به حساب بیاید، اما از آنجا که فناوری نانو مقدار کاتالیست، انرژی و زمان مورد نیاز برای انجام واکنش را تقلیل می دهد، این مورد قابل چشم پوشی است]10[.

شکل(2-1) نانوکاتالیست همگن و ناهمگن

شکل(2-2) ویژگیهای اصلی نانوکاتالیست
2-2-1- انواع نانوکاتالیست
دسته بندی نانوکاتالیست ها را براساس نوع نانوماده ی به کار رفته در جدول زیر می بینید:
جدول(2-1) دسته بندی نانوکاتالیست‌ها

نانوذرات و خصوصا نانوذرات فلزی و اکسید فلزی از اصلی ترین و پرکاربردترین کاتالیست های نانوساختار هستند. لذا این ترکیبات محور این پروژه - ریسرچرا تشکیل می دهند و بحث بیش تر بر آن ها متمرکز است]11[.

شکل(2-3) برخی از نانوذرات اکسید فلزی به عنوان نانوکاتالیست
نوع دیگر دسته بندی نانوکاتالیست ها، براساس رفتار آن ها است که بر این اسا به دو دسته-ی همگن و ناهمگن تقسیم می شوند:
نانوکاتالیست با رفتار همگن:
در رویکرد نانوکاتالیست همگن، نانوذرات تهیه شده از فلزات واسطه را به صورت کلوئید (ذرات معلق) در مخلوط واکنش پخش می کنند. معمولا برای پیشگیری از تجمع نانوذرات، از یک ماده پایدارکننده استفاده می شود. یک پایدار کننده خوب، نه تنها نانوکاتالیست را در فرایند کاتالیتیکی (واکنش کاتالیستی) حفظ کرده، در عین حال فعالیت آن را کاهش نمی دهد. در پایان نیز می توان نانوذرات را از محصول نهایی واکنش جداسازی نمود. روش کاهش یا همان احیاء فلزات - یعنی الکترون گرفتن کاتیون فلزی و تبدیل آن به اتم فلز خنثی - روشی معمول برای سنتز کنترل شده ی نانوذرات به صورت کلویید در محلول است. فرآیند کاهش به دو صورت شیمیایی و الکتروشیمیایی اجرا می‌شود:
1) کاهش شیمیایی: معمول ترین روش کاهش است که در آن، نمک فلز مورد نظر در محلول با عوامل کاهنده مثل الکل ها و سدیم بوروهیدرید به اتم فلزی کاهش یافته و تبدیل به نانوذره ی فلزی می شود.2) کاهش الکتروشیمیایی: در این روش در ازای یک عامل کاهنده شیمیایی، از الکترون های انباشته شده بر سطح الکترود استفاده می شود. در فرآیند کاهش الکتروشیمیایی از یک پیل متشکل از آند (محل اکسایش)، کاتد (محل کاهش) و الکترولیت (محلول نمکی دارای هدایت الکتریکی) استفاده می شود.
نانوکاتالیست با رفتار ناهمگن:
کاتالیست ناهمگن به بستر نیاز دارد؛ در نانوکاتالیست ها، بستر و کاتالیست، با هم تشکیل یک نانوکامپوزیت می دهند که برای رسیدن به بهترین عملکرد مناسب است. به عنوان مثال می توان به قرار گرفتن کاتالیست طلا بر سطح بستر دی اکسید تیتانیوم یا اکسید آهن اشاره کرد. این نانوکاتالیست ها به ترتیب به صورت Au/TiO2 و Au/Fe2O3 نشان داده می شوند. این ها کاتالیست های بسیار خوبی برای اکسایش منوکسید کربن (آلاینده‌ای بسیار مضر و خطرناک) به دی اکسید کربن هستند. از آنجا که دی اکسید کربن خطر کم تری دارد، استفاده از این نانوکاتالیست می تواند خطرات زیست محیطی مونواکسید کربن را کاهش می دهد]12[.
2-2-2- ویژگی های نانوکاتالیست
1)حداکثر سطح فعال به ازای واحد جرم و حجم: هر چه سطح فعال (سطح در دسترس برای انجام واکنش) به خصوص برای یک کاتالیست ناهمگن بیشتر باشد، جایگاه های فعال واکنش پذیر افزایش یافته و بازده  کاتالیست بالا می‌رود. با فراهم آوردن سطح بیشتر برای یک ساختار کاتالیستی، در مقدار مصرفی نانوکاتالیست صرفه جویی  شده و با افزایش واکنش دهنده های درگیرشونده در واکنش، سرعت واکنش نیز بیش تر می شود.

شکل(2-4) بیشینه  فعالیت شیمیایی کاتالیست ناهمگن، در ابعاد نانو است
2)شکل و اندازه ی قابل کنترل: برای رسیدن به بیشینه ی ماکزیمم فعالیت، باید بهترین و مناسب ترین اندازه ی نانوذره مشخص شود؛ در روش های تولید نانوذرات، راه های زیادی برای کنترل ابعاد وجود دارد. براساس محاسبات رایانه ای و شبیه سازی می‌توان به اندازه  مناسب برای یک نانوذره  با بیش ترین فعالیت و در عین حال بیشترین پایداری دست یافت. بهترین کاتالیست ها از فلزات گران بها مثل پلاتین (Pt)، طلا (Au) و پالادیوم (Pd) تشکیل یافته اند. تخمین دقیق تر بهترین اندازه ی این نانوذرات در جهت دستیابی به بالاترین فعالیت کاتالیستی، به صرفه‌جویی در مصرف این ترکیبات کمک زیادی می کند.
3)قابلیت جداسازی از مخلوط واکنش: نانوکاتالیست ها، چه همگن و چه ناهمگن، می‌توانند به راحتی از محصولات و باقی مانده‌ی اضافی واکنش گرها جدا شوند. همان گونه که ذکر شد، به دلیل بزرگی نانوذرات در مقایسه با اتم ها و مولکول ها، این ترکیبات در محیط واکنش قابل حل نبوده و معلق می مانند. به عنوان مثال، نانوذرات مغناطیسی کاربرد بسیار زیادی در حوزه‌ی کاتالیست دارند. زمانی که نانوذرات مغناطیسی به عنوان کاتالیست در واکنش به کار می روند، در پایان می توانند توسط اعمال یک میدان مغناطیسی مناسب از محیط جداسازی و بازیابی شوند.
4)گزینش پذیری و بازده ی بالا: یک نانوکاتالیست، واکنش را در یک مسیر خاص و با گزینش مواد اولیه پیش می برد. این به آن معنی است که ترکیبات ناخواسته کمتر واکنش های فرعی را باعث می شوند و از تولید محصولات جانبی در طول فرایند جلوگیری می شود. همچنین نانوکاتالیست با سطح فعال بسیار بالای خود، بازده واکنش را در مسیر اصلی خود افزایش می دهد. به عبارت دیگر می توان گفت که حجم بالاتری از مواد اولیه به محصول نهایی تبدیل می شوند. مخلوط نهایی واکنش در این حالت بیشتر متشکل از محصول اصلی است و در صد کمی از محصولات جانبی و واکنشگرهای باقی مانده (آن هایی که در واکنش شرکت نکرده اند) وجود دارد. این فرآیند، روند خالص سازی و استخراج محصول (برای مثال یک دارو) را آسان و کم هزینه می کند.
5) استعداد کلوخه ای شدن: نانوذرات در پایدارترین حالت ساختاری خود نیستند، فعالیت سطحی بسیار بالا داشته و از این رو مستعد به هم چسبیدن، کلوخه ای شدن و در نتیجه از دست دادن ابعاد نانو می باشند. اگر فرآیند کلوخه ای شدن برای یک نانوکاتالیست اتفاق بیفتد، فعالیت آن کاهش چشم گیری پیدا می کند و به اصطلاح، غیرفعال می‌شود.
6) تنوع بالا و قابلیت اصلاح شیمیایی: به علت فعالیت سطحی بالا، گروه های مختلف آلی می توانند به سطح نانوکاتالیست ها متصل شوند. ازجهتی فعالیت سطحی بالا باعث می شود تا نانوکاتالیست ها با مواد معدنی نیز کامپوزیت تشکیل دهند. اصلاح شیمیایی نانوکاتالیست ها با اتصال گروه های مختلف تنوع زیادی را در عملکرد آن ها به وجود می آورد.
7) منبع تهیه: نانوکاتالیست های طبیعی در طبیعت وجود دارند و در دسترس هستند. از این دسته می توان به نانوذرات خاک رس و نانوزئولیت ها اشاره کرد. دسته دیگر نانوکاتالیست های سنتزی هستند که توسط بشر تولید می شوند و تنوع زیادی دارند؛ برای مثال نانوذرات اکسید فلزی از این دست هستند]13[.
جدول(2-2) مزایا و معایب نانوکاتالیست
2-2-3- روش های استفاده از نانوکاتالیست فلزی
همانگونه که در بالا ذکر شد، مواد فعال کاتالیستی معمولا ترکیبات نادر و گران بهایی هستند. فلزات گروه پلاتین که به PGM معروفند، شش فلز اوسمیوم (Os)، ایریدیوم (Ir)، رودیوم (Rh)، روتنیوم (Ru)، پالادیوم (Pd) و پلاتین (Pt) را شامل می شود. فلزات PGM گران بها بوده و معروفترین عناصر کاتالیستی هستند. از این رو ارائه روش هایی برای صرفه جویی اقتصادی مناسب همراه با بهبود عملکرد برای چنین کاتالیست هایی ضروری است. روش های زیر در برگیرنده چنین رویکردهایی هستند:
1)ساختارهای پوسته-هسته: در یک نانوساختار، این اتم ها ی سطح هستند که نقش اصلی را بازی می کنند. معمولا اتم هایی که در مرکز یک نانوتوده قرار می گیرند، نقش عملکردی خاصی ندارند. در طراحی یک نانوساختار پوسته-هسته، فلز کاتالیستی گران بها نقش پوسته را بازی کرده و از یک ماده ارزان همچون سیلیکا در هسته استفاده می شود. همچنین می توان از نانوذرات مغناطیسی به عنوان هسته استفاده نمود. در روش پوسته-هسته نه تنها فعالیت کاتالیست تا حد زیادی حفظ می شود، بلکه در مصرف فلزات پرقیمت نیز تا حد زیادی صرفه جویی می‌گردد.
2)استفاده از مواد متخلخل به عنوان بستر: از مواد متخلخلی مثل سیلیکا یا سیلیکاژل (آیروژل سیلیکا که از روش سل ژل به دست می آید)، آلومینا (Alumina) و زئولیت (Zeolite) به عنوان بستر کاتالیست ها استفاده می‌شود. نانوذرات فلزی به صورت یکنواخت روی بستر متخلخل نشانده می شوند تا سطح فعال افزایش یابد. کاتالیست Pt/SiO2 از این دسته است.
3)نانوذرات دوفلزی: در این رویکرد، نانوکاتالیست به صورت آلیاژی از فلز گران  به همراه فلز ارزان قیمت مورد استفاده قرار می گیرد. یکی از موارد پرکاربرد در این زمینه نانوذرات PtFe آلیاژ آهن و پلاتین است.
4)نانوخوشه های دوفلزی: در نانوخوشه هایی دوفلزی، فلز ارزان در مرکز و فلز گران قیمت کاتالیستی بر سطح وجود دارد. برای مثال نانوخوشه  با مرکز Ni و سطح Pt یه عنوان یک نانوخوشه دوفلزی مطرح است.
5) استفاده از بستر اکسید فلزی: یکی از معمول تر ین اکسید های فلزی که به عنوان بستر برای کاتالیست های گران بها مورد استفاده قرار می گیرد دی اکسید تیتانیوم است. کاتالیست Au/TiO2 نمونه ای از این دست است. اگر اکسیدهایی از فلزات با ساختاری شبکه ای فلوریت مثل CeO2، ZrO2 و ThO2 با ناخالصی هایی از جنس اکسید فلزات قلیایی یا قلیایی خاکی بهبود یابند، به عنوان بستر کاتالیست مورد استفاده قرار می گیرند. در ساختار فلوریت، آنیون ها در گوشه های یک مکعب کوچک داخل یک مکعب بزرگ از کاتیون ها هستند که کاتیون ها در گوشه ها و وسط وجه های مکعب بزرگ قرار دارند.
6) استفاده از گروه های آلی: ترکیبات آلی می توانند همچون پل، یک نانوذره ی مغناطیسی را به یک نانوذره کاتالیست نادر متصل کنند. این ساختار ترکیبی (کاتالیست مغناطیسی) می تواند پس از انجام واکنش به راحتی با اعمال میدان مغناطیسی خارجی جداسازی شود. برای مثال ترکیب آلی دوپامین که یک ماده شیمیایی طبیعی در سامانه عصبی است، اتم های پالادیوم (کاتالیست) را به نانوذره ی مگنتیت (Fe3O4) متصل می کند.
7)استفاده از ترکیبات کمپلکس: بسیاری از فلزات در یک عدد اکسایش خاص (به صورت یون) دارای فعالیت کاتالیستی می باشند. از آن جهت که یون ها به تنهایی در محیط واکنش ناپایدار می باشند، برای ایجاد پایداری ویا حفظ عملکرد، آن ها را به یک ترکیب کمپلکس تبدیل می کنند. ترکیب کمپلکس، یک ترکیب شیمیایی است که در آن ترکیبات آلی الکترون دهنده به نام لیگاند به مراکز فلزی (دارای کمبود و پذیرنده الکترون) الکترون می‌دهند. لیگاندها معمولا حاوی اتم های الکترون دهنده و یا اتم های دارای زوج الکترون تنها (غیر‌پیوندی) هستند و از این رو می توانند الکترون های خود را در اختیار یون یا اتم های فلزی (که دارای کمبود الکترون هستند) قرار دهند و آن ها را پایدار نمایند. ترکیبات کمپلکس نیز معمولا همچون یون فلزی در محیط واکنش محلول بوده و بسیاری از کاتالیست های همگن ساختار کمپلکسی دارند.از جهت دیگر نانوذرات مغناطیسی می توانند به اتم های آزاد لیگاند متصل شوند. از این رو ترکیبات کمپلکس از یک یون فلزی کاتالیستی می توانند بر سطح یک نانوذره مغناطیسی قرار گیرند. در این صورت کاتالیست کمپلکس شده می‌تواند با اعمال یک میدان مغناطیسی همچون یک کاتالیست ناهمگن در انتهای واکنش جداسازی شود. برای مثال اتصال کمپلکسی از فلز کاتالیستی و گران بهای روتنیوم (Ru) توسط اکسیژن های لیگاند آن به نانوذره‌ی فریت (Fe2O3).
8)جایگزینی فلزات کم بها: مطالعات متعدد در زمینه جایگزینی فلزات گران بها (PGM) با ترکیباتی ارزان تر مثل نانوذرات دی سولفید مولیبدن (MoS2) یا نانوذراتی با زمینه ی آهن در این راستا صورت گرفته است.
9)استفاده از درخت سان: درخت سان ها، ترکیباتی شبه پلیمری هستند که از یک مرکز منشعب شده و ساختار شاخه  ای دارند. پرکاربردترین آن‌ها، پلی-آمیدوآمین (PAMAM) است. نانوذرات کاتالیستی می توانند در داخل حفره های یک درختسان جای گیرند. این کار معمولا برای حفظ فعالیت و به صورت همزمان پایداری نانوذرات کاتالیستی در شرایط واکنش صورت می پذیرد.
10)استفاده از نانوساختارهای متفاوت: برای دستیابی به کاتالیست فعال تر می توان از اشکال مختلف نانوساختاری دیگر مثل نانومیله ها، نانولوله هاو ... نیز استفاده نمود. نانومیله های Co3O4 که سطح فعال بالا و پایداری گرمایی و شیمیایی خوبی دارند به عنوان مثال معرفی می شوند]14[.
2-3- دی اکسید تیتانیوم
تیتانیوم‌دی‌اکسید به عنوان یک فوتوکاتالیزور هتروژن به دلیل ارزانی و فعال بودن از نظر شیمیایی و تولید حفرات اکسنده و همچنین پایداری نسبتا بک فوتوکاتالیزور ایده آل محسوب می شود و ضمن آنکه غیر سمی است و به وسیله سانتریفیوژ یا صاف کردن بازیافت می شود و پس از انجام تصفیه ، آلاینده دیگری بر جای نمی گذارد . اما به هر حال کاربردهای آن در فاز آبی به علت اینکه تیتانیوم اکساید سطح قطبی دارد و در نتیجه جاذب خوبی جهت مولکولهای آلی غیر قطبی نمیباشد محدود می شود . یک راه حل جهت حذف این محدودیت نشاندن آن بر روی بسترهای مناسب است که موجب بهبود خواص کاتالیزوری آن میشود . علاوه بر آن هنگامی که بر روی یک بستر تثبیت شود فعالیت خود را برای مدت طولانی حفظ می کند . از طرف دیگر در سالهای اخیر مطالعات گسترده ای بر روی کاربرد مواد در حالیکه با فوتوکاتالیزور تیتانیم اکساید مخلوط یا پوشش داده شده اند متمرکز شده است. این پوشش ها گاه به عنوان حذف آلاینده های گوناگون موجود در هوا و گاه جهت فوتوکاتایز آلاینده های آلی موجود در آب و فاضلاب به کار می روند]15[.
با گذر از میکروذرات به نانو ذرات ، با تغییر برخی از خواص فیزیکی روبرو می شویم که دو مورد مهم آنها عبارت از : افزایش نسبت مساحت سطحی به حجم و ورود اندازه ذره به قلمرو اثرات کوانتومی.
افزایش نسبت مساحت سطحی به حجم که به تدریج با کاهش اندازه ذره رخ میدهد باعث غلبه یافتن رفتار اتم‌های واقع در سطح ذره به رفتار اتم های درونی می شود این پدیده بر خصوصیات ذره به صورت جدا و بر تعاملات آن با دیگر مواد اثر می گذارد . کوچکتر شدن ابعاد نانو ذرات از طول موج بحرانی نور آن را نامرئی و شفاف می کند . این خاصیت باعث شده است تا نانو ذرات برای مصارف بسته بندی ، مواد آرایشی و روکش ها مناسب باشند.
نانو ذرات در حال حاضر از طیف وسیعی از مواد ساخته می شوند معمول‌ترین آن ها نانو ذرات سرامیکی نظیر دی‌اکسید‌تیتانیوم ، اکسید‌روی و اکسید‌آهن می باشد.
دی‌اکسید‌تیتانیوم (TiO₂) یک محصول شیمیایی است که در حجم بالا به طور صنعتی تولید و یکی از مواد معدنی است که سالانه بیش از 3.5 میلیون تن در سراسر جهان مورد استفاده قرار میگیرد.
دی اکسید تیتانیوم در گروه نیمه رسانا می باشد و خاصیت فتوکاتالیستی و فوق آبدوستی دارد.
TiO2 در فیلترها ، در پیل های خورشیدی ، به عنوان پایه کاتالیست ، در تولید غشا های غیر آلی ، به عنوان پرکن ها در کاغذ و پلاستیک ، در مواد آرایشی جهت جذب نور خورشید ، به عنوان رنگدانه در رنگها جهت براق کردن آن ها کارایی دارد]16[.
2-3-1-کاربردهای دی اکسید تیتانیوم
در صنایع پوششی، رنگ، پلاستیک، کاغذ مورد استفاده قرار می‌گیرد.
کاربردهای نانو ذرات دی اکسید تیتانیوم از جمله آنها در زمینه حذف آلاینده ها از محیط زیست می‌باشد.
کاربرد دیگر(TiO₂) استفاده از آن در حس گرهای گاز است.
کاربرد حسگرهای گاز، برای اصلاح کنترل ایمنی و محیطی گازها می باشد و همچنین برای بهینه کردن واکنش های سوخت در کاربردهای صنعتی نیاز به این نوع حسگرها است.
حسگرهای گازی از نوع نیمه رسانا نظیر (TiO₂)(SnO₂)(ZnO) مزایای زیادی نسبت به سایر حسگرها دارند چون کاربرد ساده و هزینه کم و قابل اعتماد می‌باشند.
از دیگر کاربردهای TiO₂ استفاده از آن در حسگرهای اکسیژن است.
برای تهیه نانو ذرات TiO₂ از روشهای سل-ژل ، میکروامولسیون ، هیدروترمال , هیدرولیز، شعله، احتراق، چگالش بخارات شیمیایی استفاده می‌شود.
نانو ذرات به دست آمده با استفاده از روشهای مختلف با توجه به شرایط تهیه آنها دارای ویژگی هایی چون اندازه ذرات ، تبلورو دانه بندی می‌باشند.
دی‌اکسید‌تیتانیوم (TiO₂) یک اکسید فلزی نیمه رسانا از نوع (n-type) با باند انرژی حدوداّ سه الکترون ولت می‌باشد.
دی‌اکسید‌تیتانیوم دارای سه فاز کریستالی Anatase، Rutile ،Brookite می باشد که آناتایز و روتایل چهار وجهی و بروکیت هشت وجهی می‌باشد.
آنالیز (TiO₂) نیمه پایدار است به طوری که در دمای بالا به فاز روتایل که پایدار است تبدیل می‌شود .فاز برکیت فقط در دمای خیلی پایین پایدار است.
دی‌اکسید‌تیتانیوم نیمه رسانایی است که علاوه بر خاصیت رسانایی اش دارای خواص فتوکاتالیستی و فوق آبدوستی نیز می باشد که متمایز از نیمه رساناهای دیگر است]17[ و ]18[.
2-3-2-روشهای سنتز دی اکسید تیتانیوم
تولید نانو ذرات در فاز مایع
تولید نانو ذرات در فاز بخار
روشهای تولید نانو ذرات (TiO₂) در فاز مایع :
1)روش سل-ژل
2)روش میکروامولوسیون
3)روش هیدروترمال
4)روش رسوبی
روش های سنتز نانو ذرات(TiO₂) در فاز بخار: بر پایه پیش ماده می باشد.
الف) اگر پیش ماده به کار گرفته در آن جامد باشد:
1)روش تراکم در گاز خنثی
2)روش تخیله جرقه ای
3)روش برون پاشی یونی
ب)اگر پیش ماده به کار رفته در آن مایع یا بخار باشد :
1)روش شعله
2)روش چگالی بخارات شیمیایی
در روش شعله از ایزوپروپوکساید تیتانیوم و یا از تتراکلرید تیتانیوم (TiCl4) به عنوان پیش ماده استفاده می‌شود]19[.
2-3-3-روش سل-ژل
در روش سل-ژل که در این فرآیند یک شبکه غیر آلی به صورت یک سوسپانسیون کلوئیدی (سل) تهیه شده و در نهایت طی فرآیند تشکیل ژل ، فاز مایع از آن خارج می‌شود. به طور کلی در این روش نانو ذرات درون شبکه یک ژل تشکیل و این امر مانع از رشد بلورها می‌شود در نتیجه بلورها در اندازه نانو باقی می‌مانند.
در این روش از آلکو اکسیدهای فلزی حل شده در محیط الکلی استفاده می‌شود که در مرحله اول سل حاصل طی فرآیند هیدرولیز , که سبب جانشینی گروهای OH به جای گروهای OR می شود , به صورت ژل در می‌آید.
جهت تولید نانو ذرات دی‌اکسید‌تیتانیوم به روش سل_ژل ابتدا واکنش هیدرولیز و پلی کندانسیون آلکواکسیدهای تیتانیوم Ti(OR)n جهت تشکیل اکسو پلیمرها انجام می شود و سپس به یک شبکه اکسیدی تبدیل می‌شود.
کندانسون در مرحله ژله ای شدن و مرحله تکلیس انجام می‌شود.
کندانسیون ذرات ژل را به سمت یکدیگر می کشاند و در نتیجه یک جرم فشرده ای را به وجود می‌آورد و بلور اکسید فلزی به این ترتیب شکل می‌گیرد.
تکلیس نیز سبب خارج کردن مولکولهای آلی از محصول و کاملتر کردن تبلور می‌شود.
تمام این مراحل و موادی که در تهیه نانو ذرات از روش سل_ژل استفاده می شوند بر روی ساختار نهایی، ماهیت کریستالی، مورفولوژی، شکل و اندازه ذرات تاثیر می گذارند.
مواد اولیه ای که جهت سنتز نانو ذرات از طریق این روش مورد استفاده قرار می‌گیرند عبارتند از : محلول پیش ماده(آلکوکسیدهای تیتانیوم) در یک الکل (ایزوپروپانول یا اتانول) به علاوه اسید یا باز جهت تغییر PH محیط (اسید نیتریک، اسید هیدروکلریک) و آب دیونیزه شده جهت هیدرولیز پیش ماده.
در برخی موارد آب همراه الکل به پیش ماده اضافه و اسید به طور جداگانه در یک مرحله دیگر به بقیه مواد اضافه می شود و در بعضی مواقع دیگر محلول از آب و اسید تهیه شده و به پیش ماده اضافه می شود.
علت استفاده از اسید یا باز در هنگام سنتز این است که یون H⁺ در محیط های اسیدی و یا یون OH¯ در محیط بازی روی سطح ذرات جذب شیمیایی می‌شوند]20[.
بطور مثال:
8356602598600TiO₂+nH⁺ TiO₂ Hⁿ⁺
9158665216700TiO₂+nOH⁻ TiO₂ (OH)ⁿ⁻
همین امر باعث ایجاد یک نیروی رانش قوی بین ذرات باردار شده و در نتیجه از تجمع ذرات جلوگیری می‌شود. بنابراین سل های پایدار در محیط های اسیدی یا بازی می توانند شکل بگیرند.
طبق مشاهدات اندازه ذرات دی‌اکسید‌تیتانیوم در 5/3PH< و 9PH> مقادیر پایین تری نسبت به محدوده 5 الی 8 دارند.
به طوری که در این محدوده PH ، بزرگترین ذرات حاصل شده‌اند که در واقع این محدوده همان نقطه ایزوالکتریک دی‌اکسید‌تیتانیوم می‌باشد و در این محدوده سل ها به رنگ سفید شیری هستند در حالی که برای 5/3PH< و 9PH> سل ها شفاف هستند و اندازه ذرات دی‌اکسید‌تیتانیوم درحد نانومتر می‌باشد. عوامل تاثیر گذار روی ژل : نوع پیش ماده ، مقدار آب به کار رفته , سرعتی که آب اضافه می‌شود ، زمان دادن به محلول که همان زمان بین تشکیل ژل و حذف حلال است.
از معایب روش سل_ژل می توان به چند مرحله ای این روش اشاره کرد که مستلزم وقت و هزینه می شود.
از معایب دیگر آن تنوع زیاد مواد اولیه به کار رفته در این روش میباشد به طوری که تغییر هر کدام از این مواد تاثیر زیادی بر روی محصول نهایی می‌گذارد.
از مزایای روش سل_ژل سادگی آن نسبت به بسیاری از روشهای تولید می‌باشد و به راحتی با کنترل دقیق شرایط سنتز , می توان نانو ذراتی با اندازه زیر 10 نانومتر تولید کرد]21[.
2-3-4-پراش اشعه ایکس (XRD) :
با استفاده از XRD می توان اطلاعاتی راجع به فازهای کریستالی موجود در نمونه سنتز شده و میزان خلوص فازها به دست آورد. همچنین این روش تخمینی از اندازه ذرات را نیز به ما می‌دهد . که با استفاده از معادله شرر(scherrer) می توان این مقدار را اندازه گرفت.
بنابر این رابطه , هر چه پیک ها تیزتر باشند نشان دهنده ذرات بزرگتر می باشند.
جهت بهبود ماهیت کریستالی ذرات تولید شده عملیات حرارتی انجام می‌شود.طی این عملیات با افزایش دما ، ساختار آمورف نمونه تهیه شده به کریستال تبدیل می شود که از طریق طیف XRD به این تبدیل ساختار پی می‌بریم و متوجه می‌شویم که در چه دمایی تبدیل آمورف به کریستال رخ می‌دهد.
همچنین با استفاده از XRD می‌توان دمایی که در آن تبدیل آناتایز به روتایل رخ می‌دهد را مشخص کرد که این تبدیل فاز معمولا در محدوده دمایی °500 تا °700 که بر حسب نمونه و شرایط آن رخ می‌دهد.
با افزایش دما پیک ها تیز می‌شوند که این نشانگر افزایش اندازه ذرات می‌باشد و همچنین پیک های فاز روتایل بزرگتر از فاز آناتایز می باشد که این نشانگر آن است که اندازه ذرات روتایل بزرگتر از ذرات آناتایز می‌باشد]22[.
2-4- علف کش بنتازون
بنتارون که با نام تجاری بازاگران توسط کمپانی بی آ اس اف به فروش مى‌رسد، علف‌کشى است که به‌صورت پس از سبز شدن براى کنترل علف‌هاى هرز برگ‌پهن و جنگل‌ها در میان برگ‌باریک‌هاى مهم و حبوبات دانه‌درشت استفاده مى‌شود. این علف‌کش براى کنترل برگ‌پهن‌هاى سخت مزارع و سایر محصولات به‌کار مى‌رود. علف هرز توق حساسیت ویژه‌اى به بنتازون داشته و زمانى‌که ارتفاع آن ۳۰ الى ۴۵ سانتى‌متر باشد، به راحتى توسط آن کنترل مى‌شود. براى کنترل علف‌هاى هرز برگ‌پهن سویا و گیاهان دیگر که به سختى کنترل مى‌شوند از بنتازون استفاده مى‌شود. پس از گذشت ۲ تا ۷ روز از کاربرد بنتازون، علایم بافت‌مردگى و مرگ گیاهان مشاهده مى‌شود. علت عمده مرگ آن ممانعت از فتوسنتز است. به‌نظر مى‌رسد که حرکت علف‌کش در گیاه محدود بوده و براى اینکه گیاه کاملاً بمیرد بایستى به‌طور کامل توسط علف‌کش پوشیده شود، در غیر این‌صورت معمولاً جوانه‌هاى جدید شروع به رشد مى‌کنند. براى اینکه توسط آن بتوان طیف وسیعى از برگ‌پهن‌ها را از بین برد، آن را در مخزن با 2و4 دی آکیفلورفن مخلوط میکنند.
2-4-1-حرکت و نحوه عمل علف کش در گیاهان
بنتازون علف‌کشى است تماسى که به‌صورت پس از سبز شدن براى کنترل انتخابى بسیارى از برگ‌پهن‌ها و جنگل‌ها در غلات و حبوبات دانه‌درشت استفاده مى‌شود. کنترل مطلوب زمانى به‌دست مى‌آید که علف‌هاى هرز کوچک بوده (در مرحله دو تا ده برگی) و در حال رشد سریع باشد. به‌منظور افزایش کنترل معمولاً به آن مواد خیس‌کننده یا مواد روغنى اضافه مى‌کنند. یک تا دو هفته پس از مصرف علایم اثر آن آشکار مى‌شود. مقاومت گیاهان زراعى معمولاً بسیار بالا است. با وجود این بر روى سویا، لوبیا و بادام زمینى برگ‌سوختگى رخ مى‌دهد، اندام‌هاى جدید تولید شده پس از مصرف سم طبیعى بوده و پتانسیل تولیدى گیاهان کاهش نمى‌یابد.
2-4-2-واکنش در خاک
بنتازون در مقادیر پس از سبز شدن در خاک فعالیتى ندارد. این علف‌کش به‌وسیله میکروب‌هاى خاک تجزیه شده و ظرف ۶ هفته به میزان غیر قابل شناسائى مى‌رسد.
2-4-3-گیاهان حساس به علف‌کش
برگ‌پهن‌ها و جنگل‌ها به بنتازون حساس هستند.علف‌هاى هرز برگ‌پهن یک‌ساله که توسط بنتازون کنترل مى‌شوند عبارتند از: آنودا، دودندان، توق، تاتوره، سلمه،کنف وحشی، انواع پیچک، خردل وحشی، تاجریزى خرفه، زلف پیر، زلف پیر بزرگ، سزبانیا، کیسه کشیش، علف هفت‌بند، آفتابگردان وحشى و گاوپنبه.
علف‌هاى هرز چندساله‌اى که توسط بنتازون کنترل یا تضعیف مى‌شوند عبارتند از: تیرکمان آبی، سولیداگو، اویارسلام زرد، بارهنگ،الوکاریس و خارلته.
2-4-4-مصارف اصلی
پس از سبز شدن در سویا، ذرت مرغ، بادام زمینی، لوبیا، نخود زراعی، نعناع و پونه تثبیت شده، استفاده مى‌شود.
پس از سبز شدن در گیاهان چمنى تثبیت شده (چمن بوآ، چمن فستوک، آگروستیس، پنجه مرغی، پاسپالوم، علف چاودار، علف سنت‌آگوستین) براى کنترل اویارسلام زرد استفاده مى‌شود. براى کنترل خارلته و اویارسلام در گیاهان زراعى ذکر شده (به‌استثناء برنج)، مقدار توصیه شده را دو قسمت کرده و با فاصله زمانى ۷ تا ۱۰ روز در گیاهانى که در قسمت الف آمده استفاده مى‌کنیم.
براى کنترل توق در مراحل انتهائى رشد سویا، ذرت و بادام زمینى استفاده مى‌شود. در گیاهان بلند ساقه (تا ارتفاع ۶۰ سانتى‌متر) توق ممکن است به‌طور نسبى کنترل شود.
2-4-5-ساختمان شیمیایی

فصل سوم
مواد و روشها
3-1- دستگاه‌ها
فتورآکتور : (رآکتور طراحی شده سیستم بسته با دو لامپ UV شش وات و تنگستن بیست وات با طول موج بیش از 330 نانومتر)
هم زن مغناطیسی : JENWAY-1000
دستگاه رفلاکس
آون : MEMMERT بامحدوده دمایی 200 درجه سانتیگراد
PH متر : METROHM-744
کوره : EXCITON با محدوده دمایی 1400 درجه سانتیگراد
ترازوی دیجیتالی : SARTOUIOS با دقت 0001/0 گرم
کروزه , هاون چینی
سرنگ فیلتر نانو : Membran.2micron
دستگاه آنالیز FT-IR
دستگاه آنالیز XRD
دستگاه SEM
دستگاه اسپکتروفتومتر UV-Vis
3-2- مواد
تمامی مواد شیمیایی مورد استفاده در این کار تحقیقاتی ساخت کارخانه مرک میباشند.
آب دو بار تقطیر دیونیزه شده
آمونیاک با جرم مولکولی g/mol 03/17 , چگالی kg/L91/0 و خلوص 99%
اسید نیتریک با جرم مولکولی g/mol01/63 , چگالی kg/L40/1 و خلوص 65%
تیتانیوم تتراکلرید با جرم مولکولی g/mol71/189 , چگالی kg/L73/1 وخلوص 99%
تترااتیل اورتوسیلیکات با جرم مولکولی g/mol33/208 , چگالی kg/L93/0 وخلوص 98%
ماده زیر ماده مورد آنالیز این کار تحقیقی میباشد که از شرکت گلسم گرگان واقع در استان گلستان تهیه شده است که شرکت گلسم این ماده را از کمپانی BASF آلمان وارد میکند .
علف کش بنتازون با خلوص 97%
3-2-1-تتراکلرید تیتانیوم
تتراکلرید تیتانیم ترکیب معدنی با فرمول TiCl4 است. مهم ترین کاربرد این ماده در تولید فلز تیتانیوم و رنگدانه های دی اکسید تیتانیوم می باشد TiCl4 یک عضو غیر معمول از متال هالید است که بسیار فرار است. به محض تماس با هوای مرطوب، آن را به شکل ابرهای مات از دی اکسید تیتانیوم و کلرید هیدروژن دیده می شود.در سال حدود 7 میلیون تن فلز تیتانیم تولید می شود که 4 میلیون تن آن از طریق تتراکلرید تیتانیم تولید می شود . با تر کیب تتراکلرید تیتانیم با فلز منیزیم، فلز تیتانیوم و کلرید منیزیم تولید می شود :
2(Mg)+TiCl4 2(MgCl2)+Ti
به جای منیزیم، سدیم مایع به عنوان عامل کاهنده نیز استفاده می شود.
در حدود 90 درصد از تولید سالیانه تتراکلرید تیتانیم صرف تولید رنگدانه های دی اکسید تیتانیوم می شود. واکنش حاصل از هیدرولیز کردن TiCl4 است که موجب تولید کلرید هیدروژن و دی اکسید تیتانیوم میشود:
TiCl4+2(H2O) TiO2+4(HCl)
در برخی موارد TiCl4 به طور مستقیم با اکسیژن اکسید میشود:
TiCl4+O2 TiO2+2(Cl2)
در ساخت کاتالیست پلی‌اولفین‌ها، روکش محصولات سرامیکی، آلیاژسازی آلومینیوم و ... استفاده می‌شود]23[.

3-2-2-تترا اتیل اورتو سیلیکات (TEOS)
تترااتیل اورتوسیلیکات به انگلیسی Tetraethyl orthosilicate با فرمول شیمیایی SiC8H20O4 یک ترکیب‌شیمیایی است. که جرم مولی آن 33/208 می‌باشد. شکل ظاهری این ترکیب، مایع بی‌رنگ است]24[.

3-3- روشها
3-3-1- تهیه نانوکاتالیست TiO2/SiO2
در ابتدا محلول آمونیاک را به صورت قطره قطره به تیتانیوم تتراکلرید اضافه میکنیم تا زمانی که 7PH= شود حجم مصرفی300 میلی لیتر شده است، رسوب سفید رنگی به دست می‌آید که این رسوب را صاف میکنیم و با آب دیونیزه شستشو میدهیم، سپس سوسپانسیونی به حجم500 میلی لیترکه تشکیل شده از رسوب و آب به علاوه اسید نیتریک با نسبت مولی5/0 را در دمای 70 درجه سانتی‌گراد وتحت هم زدن شدید به مدت 24 ساعت در درون دستگاه رفلاکس قرار میدهیم . بعد از گذراندن عملیات فوق یک سل نیمه شفاف حاصل میشود، که در مرحله بعد مقدار مناسبی از تترا اتیل اورتوسیلیکات را به سل حاصل اضافه میکنیم و آن را در دمای70 درجه سانتی‌گراد تحت بهم زدن شدید قرار میدهیم و این کار را در مدت زمان یک ساعت انجام میدهیم، محلول در ابتدا کم کم به حالت ژله‌ای مایل به جامد در می‌آید، سپس ماده نیمه جامد را به درون آون منتقل کرده و در دمای60 درجه سانتی‌گراد خشک میکنیم، در نهایت پودر به دست آمده که به صورت کریستالهای شیشه ای میباشد را در دماهای 400 , 500 , 600 , 800 , 1100 درجه سانتیگراد درون کوره کلسینه میکنیم. اندازه ذرات و فعالیت فوتوکاتالیستی نانوکاتالیستهای تولید شده با استفاده از FT-IR و XRD (طیف سنجی پراش اشعه ایکس) و SEM مورد بررسی قرار دادیم . با استفاده از معادله شرر نانوکامپوزیت ساخته شده در حدود 5/9 نانومتر تخمین زده شده است.
3-3-2- تهیه و طراحی فتورآکتور
در این مرحله, مطابق با شکل (3-1) دستگاهی طراحی کرده ایم که در این فتورآکتور اساس کار سادگی و ایجاد بازدهی بالا خواهد بود.
این دستگاه با طول 50 سانتی متر، عرض 35 سانتی متر، ارتفاع 35 سانتی متر و حاوی هیتر مگنت دار و دارای اتصال حاوی لامپ UV که می تواند دارای ولت های متفاوت بوده و این دستگاه توسط لامپ های تنگستن نیز قرار خواهد گرفت که می تواند ولتاژ های متفاوتی باشد و قابل آزمایش خواهد بود. دیواره های این ظرف از شیشه ای قرارگرفته است که بازتاب نور تابیده شده در ابعاد خواهد بود.

شکل(3-1) فتورآکتور مورد استفاده برای حذف علف کش بنتازون طی فرآیند UV- TiO2/SiO2
3-3-3- حذف سم با استفاده از فتورآکتور
در این مرحله سوسپانسیونی به حجم 100 میلی لیترکه حاوی 200 میلی‌گرم بر لیتر نانوکاتالیست TiO2/SiO2 و 20 میلی‌گرم سم علف کش بنتازون است را تهیه میکنیم. نمونه تهیه شده به داخل فتورآکتور منتقل می‌شود و به مدت نیم‌ساعت به وسیله هم زن مغناطیسی بهم زده می‌شود تا به تعادل برسد . سپس لامپ UV روشن می‌گردد تا نمونه تحت تابش نور UV قرار گیرد . در زمانهای مختلف از سوسپانسیون مورد آزمایش به وسیله فیلتر سرنگی نانویی نمونه برداری کرده و برای تعیین غلظت علف کش بنتازون باقیمانده جذب آن به وسیله دستگاه اسپکتروفتومتر در طول موج 335 نانومتر اندازه‌گیری می‌شود. سپس لامپ فتورآکتور را به لامپ تنگستن تغییر می‌دهیم و سوسپانسیون دیگری به روش بالا تهیه می‌کنیم و همانند روش قبل نمونه دوم را نیز مورد آنالیز قرار می‌دهیم . در این پروژه به منظور اندازه گیری غلظت علف کش بنتازون از طیف UV-Vis این ترکیب استفاده شده است.
فصل چهارم
نتایج
4-1- بحث و نتایج سنتز کاتالیزور TiO2/SiO2 در اندازه نانو
ناحیه پرتو x در طیف الکترومغناطیس در محدوده بین پرتو γ وپرتو فرابنفش قرار دارد. با استفاده از این ناحیه طیفی می‌توان اطلاعاتی در خصوص ساختار , جنس ماده و نیز تعیین مقادیر عناصر بدست آورد. از این رو روشهای پرتو x در شیمی, کاربرد زیادی دارند.
شکل (4-1) طیف XRD نانوکاتالیست سنتز شده را نشان می‌دهد که نشانگر تشکیل فاز آناتاز دی‌اکسید‌تیتانیوم بر روی سیلیس آمورف است.
پیکهای مشاهده شده در زاویه های پراش o21/25 , o05/38 , o05/48 مربوط به فاز آناتاز دی‌اکسید‌تیتانیوم و پیک پهن مشاهده در زاویه پراش o21 مربوط به سیلیس آمورف است. (مطابقت با پیوست 1)
داده‌های XRD در جدول (4-1) آورده شده‌اند.
جدول(4-1) داده‌های XRD نمونه سنتز شده
1,2,3(o)β d(Ao) 2θ1,2,3(o)
0.7872 3.53168 25.2174
0.9446 2.36479 38.0532
0.9600 1.89173 48.0572
اندازه بلورها با استفاده رابطه Scheerer معادله(4-1) حدود 9.5 نانومتر محاسبه شده است.
(1-4) D=KλβcosθD : اندازه نانوذرات = nm 5/9
K : ثابت = 9/0
λ : طول موج اشعه ایکس = AO54/1 = nm154/0
β : پهنای پیک با بیشترین شدت در نصف ارتفاع پیک
θ : زاویه پراش
محاسبات:
β=β02+βi2i=0.001745 oβ
β1=0.013740 --
β2=0.016488 --
β3=0.016756 --
نکته: β برحسب واحد درجه میباشد که برای جایگزاری در معادله شرر باید آن را به واحد رادیان تبدیل کرد.که یک واحد رادیان برابر با 57.29 درجه میباشد.
Cosθ=Cos2θ2D1=10.336128
D2=8.891858
D3=9.056002
با توجه به معادله Scheerer (4-1) خواهیم داشت:
D=D1+D2+D33 → D=9.428 nm
شکل(4-1) طیف XRD نمونه سنتز شده TiO2/SiO2
شکل (4-2) تصویر SEM کاتالیزور TiO2/SiO2 را نشان می‌دهد. همانطور که از شکل مشاهده شده است، ذرات زاویه‌دار بوده است و در اندازه های مختلف تشکیل شده‌اند, شکل(4-3) تصویر SEM یک ذره نسبتا بزرگ و شکل(4-4) تصویر SEM سطح همین ذره را نشان میدهد. همانطور که از این تصاویر مشخص است در سطح ذرات بزرگ, ذرات کوچکتری وجود دارند. آنالیز عنصری این ذرات با استفاده از SEM انجام شده است و نشانگر این است که تمامی ذرات مخلوطی از TiO2 و SiO2 هستند. به عبارت دیگر نانوکاتالیست TiO2/SiO2 در اندازه نانو به صورت خالص تشکیل شده است و فاز ناخالصی در آن دیده نشده است. در تمامی ذرات میانگین نسبت مولی TiO2/SiO2 تقریبا 80/20 و میانگین نسبت وزنیTiO2/SiO2 تقریبا 70/30 است.

شکل(4-2) تصویر SEM نمونه TiO2/SiO2

شکل(4-3) تصویر SEM یک ذره نسبتا بزرگ

شکل(4-4) تصویر SEM سطح ذره نسبتا بزرگ
4-2- طیف FT-IR نمونه سنتزی

شکل(4-5) طیف FT-IR نمونه سنتز شده TiO2/SiO2
پیک مربوط به C-O (کششی)در cm-1 5/1082 مشاهده گردید.
پیک مربوط به C-H(خمشی خارج از صفحه ای)در cm-1 4/585 مشاهده گردید.
پیک مربوط به Si-OC2H5 (کششی) دو نوار با شدت متوسط در cm-19/1620 , 7/1639 مشاهده گردیده است.
پیک مربوط به Ti-Cl(کششی) یک نوار نسبتا قوی در cm-12/2918 مشاهده گردیده است.
4-3- نتایج حاصل از بکارگیری لامپ UV در حذف علف کش بنتازون
شکل‌های (4-6),(4-7),(4-8),(4-9) تغییرات طیفی سم بنتازون را که به مدت 10 ساعت تحت فرآیند فتوکاتالیزی ناهمگن به همراه نانوکاتالیست TiO2/SiO2 با غلطت 1 گرم بر لیتر تحت اشعه لامپ UV قرار گرفته است, نشان می‌دهد.
پیکی که در طول موج حدود 370 نانومتر در هر چهار طیف ظاهر شده است مربوط به انتقالات الکترونی π→π* حلقه‌های آروماتیک در ساختار سم بنتازون می‌باشد و به دلیل رزونانس و مزدوج شدن با گروه کربنیل, شدت جذب افزایش پیدا کرده است.
طیف ظاهر شده در شکل (4-6) با مقدار جذب ماکزیمم) (2.00 ε مربوط به محلول مادر بنتازون با غلظت ppm 10 می‌باشد, که در این مرحله نانوکاتالیست اضافه نشده است و همچنین لامپ UV خاموش می‌باشد.
شکل(4-6) طیف UV-Vis محلول بنتازون با غلظت 1 گرم بر لیتر
پیک ظاهر شده در شکل (4-7) با مقدار جذب ماکزیمم) (1.75 ε مربوط به محلول بنتازون همراه نانوکاتالیست TiO2/SiO2 که به مدت 2 ساعت تابش دهی نور لامپ UV قرار گرفته است.

شکل(4-7) طیف UV-Vis محلول بنتازون پس از 2 ساعت فتوکاتالیز
با غلظت 1 گرم بر لیتر TiO2/SiO2
پیک ظاهر شده در شکل (4-8) با مقدار جذب ماکزیمم) (1.60 ε مربوط به محلول بنتازون همراه نانوکاتالیست TiO2/SiO2 که به مدت 5 ساعت تابش دهی نور لامپ UV قرار گرفته است.

شکل(4-8) طیف UV-Vis محلول بنتازون پس از 5 ساعت فتوکاتالیز
با غلظت 1 گرم بر لیتر TiO2/SiO2
پیک ظاهر شده در شکل (4-9) با مقدار جذب ماکزیمم) (1.10 ε مربوط به محلول بنتازون همراه نانوکاتالیست TiO2/SiO2 که به مدت 10 ساعت تابش دهی نور لامپ UV قرار گرفته است.

شکل(4-9) طیف UV-Vis محلول بنتازون پس از 10 ساعت فتوکاتالیز
با غلظت 1 گرم بر لیتر TiO2/SiO2
جدول(4-2) تغییرات صورت گرفته روی سم بنتازون
درصد مقدار کاهش جذب مقدار جذب ماکزیمم نمونه
0 2.00 محلول مادر

MEC233232

فصل اول:
کلیات تحقیق
1-1 مقدمهمحیط متخلخل و پدیده انتقال حرارت و جرم در آن، موضوعی است که توجه بسیاری از محققین شاخه‌های مختلف علوم را به خود معطوف نموده است. روش‌های تجربی، بررسی‌های تئوری و شبیه‌سازی‌های عددی بسیاری که در این زمینه در مهندسی مکانیک، مهندسی شیمی، مهندسی عمران، زمین شناسی و. . . صورت گرفته است مهر تصدیقی بر ادعای فوق می‌باشد.
به علت کاربرد وسیع و روزافزون محیط متخلخل در زمینه‌های مختلف مهندسی همواره نیاز به مطالعات اساسی درباره‌ی چگونگی انتقال جرم و حرارت در محیط متخلخل وجود داشته است، چرا که بررسی‌های دقیق، ابزاری برای بهبود بخشیدن به سیستم‌های مهندسی حاوی مواد متخلخل و بالا بردن کیفیت و کارایی آنها می‌باشد. از موارد کاربرد فوق می‌توان به عایق‌سازی حرارتی ساختمان‌ها، عملیات حرارتی در زمین، راکتور‌های کاتالیزوری شیمیایی، آلودگی آب‌های زیرزمینی، صنعت سرامیک، تکنولوژی زیست‌شناختی، واحدهای ذخیره انرژی، مبدل‌های حرارتی، خنک‌سازی، وسایل الکترونیکی، مخازن نفتی و نمونه‌های دیگر از این دست اشاره نمود. از طرفی در بسیاری از موارد، کوچک‌سازی سیستم‌های انتقال حرارت از یک‌سو و افزایش شار حرارتی از سوی دیگر، نیاز به انتقال حرارت در زمان کوتاه و شدت بالا را ضروری می‌سازد. در مواردی که نیاز به انتقال شار حرارتی زیاد از محیط جامد به سیال است، روش‌‌های موجود نظیر تغییر در دینامیک سیال، هندسه جریان، شرایط مرزی و. . . به تنهایی نمی‌توانند از عهده‌ی تقاضای روز افزون کنترل انتقال حرارت در فرآیندهای موجود برآیند. لذا نیاز فوری به مفاهیم جدید و بدیع جهت کنترل انتقال حرارت احساس می‌شود. تکنولوژی نانوسیال پتانسیل بالایی را برای کنترل سیستم‌های مشمول انتقال حرارت در حجم کوچک ارائه می‌دهد. به این معنا که با اضافه نمودن مواد افزودنی به سیال پایه می‌توان در جهت بهبود خواص ترموفیزیکی آن عمل نمود. در این میان میدان‌های مغناطیسی خارجی در بسیاری از جریان‌های طبیعی و صنایع تاثیرگذار هستند. به شاخه‌ای از مطالعات که به اثر متقابل بین میدان مغناطیسی و سیال هادی در حال حرکت می‌پردازد، هیدرودینامیک مغناطیسی MHD می‌گویند. بررسی این شاخه منوط به دانستن معادلات حاکم بر مغناطیس و سیالات و تاثیر هر کدام از پارامترهای این دو دانش بر یکدیگر می‌باشد. در مطالعه حاضر اثر پدیده MHD بر میدان‌های سرعت، دما و غلظت و هم‌چنین انتقال جرم و حرارت نیز منظور گردیده است.
1-2 مروری بر کارهای گذشتهدر سال 1988 ناکایاما و همکاران حل انتگرالی را برای جریان جابه‌جایی آزاد غیردارسی روی صفحه مسطح عمودی و یک مخروط عمودی در محیطی متخلخل اشباع ارائه دادند[1]. آنها نشان دادند که با افزایش عدد گراشف نرخ انتقال حرارت کاهش می‌یابد. این در حالی اتفاق می‌افتد که ضخامت لایه مرزی دمای بی‌بعد با عدد گراشف رابطه مستقیم دارد و با افزایش آن افزایش می‌یابد.
در سال 1999 مورثی و سنق انتقال جرم و حرارت را روی یک صفحه مسطح عمودی واقع در محیطی متخلخل و تحت جابه‌جایی طبیعی بررسی کردند[2]. آنها مشاهده کردند که ضخامت لایه مرزی دمای بی‌بعد شده با کاهش پارامتر شار جرمی یعنی با تغییر حالت مکش به حالت دمش افزایش می‌یابد. با افزایش عدد گراشف ضخامت لایه مرزی سرعت بی‌بعد کاهش و ضخامت لایه مرزی دمای بی‌بعد و غلظت بی‌بعد افزایش می‌یابد. همچنین آنها نتیجه گرفتند که با افزایش شار جرمی سطح، کاهش عدد گراشف و همچنین با افزایش پارامتر نرخ شناوری، نرخ انتقال حرارت و انتقال جرم بی‌بعد نیز افزایش خواهد یافت.
در سال 2003 وانگ و همکاران با روش تحلیلی هموتوپی انتقال جرم و حرارت را در مجاورت دیوار عمودی واقع در محیطی متخلخل و تحت جابه‌جایی طبیعی و با فرض جریان غیر‌دارسی مطالعه کردند[3]. آنها نشان دادند که پروفیل دمای بی‌بعد، سرعت بی‌بعد و غلظت بی‌‌بعد با ثابت در نظر گرفتن اعداد گراشف، عدد لوئیس و نسبت شناوری با کاهش شار جرمی یعنی انتقال از حالت مکش به حالت تزریق افزایش می‌یابد. آنها همچنین نشان دادند که انتقال حرارت بی‌بعد در حالت دمش بیشتر از موارد دیگر است.
در سال 2004 ال-امین اثر پراکندگی را بر انتقال جرم و حرارت جابه‌جایی طبیعی در محیطی متخلخل و برای جریان دارسی و غیر‌دارسی بررسی کرد[4]. وی نتیجه گرفت که انتقال حرارت بی‌بعد در جریان دارسی بیشتر از جریان غیر‌دارسی است و با افزایش پارامتر جریان غیر‌دارسی انتقال حرارت بی‌بعد کاهش می‌یابد و پروفیل سرعت بی‌بعد در نزدیکی دیوار کاهش می‌یابد و هرچه از ابتدای دیوار دورتر می‌شویم با افزایش پارامتر جریان غیر‌دارسی افزایش می‌یابد. او همچنین نتیجه گرفت که با افزایش ضریب پراکندگی، ضخامت لایه مرزی سرعت کاهش و ضخامت لایه مرزی دمای بی‌بعد افزایش می‌یابد.
در سال 2006 پال اثر میدان مغناطیسی را بر انتقال حرارت جابه‌جایی ترکیبی روی یک صفحه عمودی گرم شده در محیطی متخلخل و با ضریب تخلخل متغییر بررسی کرد[5]. با فرض دمای دیوار ثابت و بالاتر از دمای محیط، وی گزارش داد که ضخامت لایه مرزی سرعت بی‌بعد با افزایش پارامتر میدان مغناطیسی و افزایش اینرسی محلی افزایش خواهد یافت. در حالی که ضخامت لایه مرزی دمای بی‌بعد با کاهش پارامتر میدان مغناطیسی و کاهش اینرسی محلی افزایش می‌یابد.
در سال 2009 مهدی و محمد اثر مگنتوهیدرودینامیک را بر جریان جابه‌جایی طبیعی روی صفحه عمودی موج‌دار در محیطی متخلخل و تحت جریان غیر‌دارسی بررسی کردند[6]. آنها با ثابت فرض کردن دامنه موج نشان دادند که با افزایش عدد گراشف و پارامتر مگنتوهیدرودینامیک ضخامت لایه مرزی سرعت بی‌بعد کاهش و ضخامت لایه مرزی دمای بی‌بعد افزایش می‌یابد. همچنین آنها نشان دادند که با کاهش دامنه موج، کاهش پارامتر مگنتوهیدرودینامیک و کاهش عدد گراشف عدد ناسلت افزایش می‌یابد.
در سال 2009 رشیدی از روش تبدیل دیفرانسیلی برای حل معادلات لایه مرزی تحت مگنتوهیدرودینامیک استفاده کرد[7]. او نشان داد که سرعت بی‌بعد با افزایش پارامتر مگنتوهیدرودینامیک کاهش می‌یابد. او همچنین گزارش داد که روش تبدیل دیفرانسیلی برای معادلات لایه مرزی و شرط بی‌نهایت از تقریب خوبی برخوردار نیست و برای ترفیع ناکارامدی این روش از روش دی-تی-ام پده استفاده کرد و نشان داد که نتایج بدست آمده از این روش با نتایج عددی کاملا مطابقت دارد.
در سال 2010 پال به مطالعه انتقال حرارت جابه‌جایی در جریان جا‌به‌جایی ترکیبی روی یک صفحه عمودی گرم شده در محیط متخلخل پرداخت. وی برای حل معادلات از روش رانگ کوتا استفاده نمود[8]. وی با بررسی تاثیر عدد پرانتل و پارامتر اینرسی محلی روی پروفیل دمای بی‌بعد و سرعت بی‌بعد نشان داد که با افزایش عدد پرانتل و افزایش پارامتر اینرسی محلی پروفیل‌های دمای بی‌بعد و سرعت بی‌بعد کاهش می‌یابند.
در سال 2010 رشیدی و همکاران از روش دی-تی-ام پده برای حل معادلات جابه‌جایی ترکیبی حاکم بر صفحه مسطح مورب و در محیطی متخلخل بهره گرفتند[9]. آنها نتیجه گرفتند که با افزایش شار جرمی ضخامت لایه مرزی دمای بی‌بعد و سرعت بی‌بعد کاهش می‌یابد. همچنین نشان دادند که برای حل معادلات لایه مرزی به روش دی-تی-ام پده، انتخاب یک مرتبه مناسب برای این روش بسیار مهم و تاثیرگذار است.
در سال 2011 گیانگ سان و پاپ جابه‌جایی آزاد در یک کانال مثلثی، در محیطی متخلخل و پر شده از نانوسیال که روی دیوار آن یک فلشر گرما ساز نصب شده است را مطالعه نمودند[10]. آنها از قانون جریان دارسی در محیط متخلخل و از مدل ماکسول برای ضریب هدایت گرمایی نانوسیال‌های مس، اکسید‌آلومینیم و اکسید‌تیتانیوم استفاده کردند و گزارش دادند که برای عدد رایلی پایین با افزایش کسر حجمی نانوذرات، عدد ناسلت کاهش می‌یابد. از میان نانوذرات مختلف، نانوذره مس نسبت به اکسید‌تیتانیوم و اکسید‌آلومینیم به دلیل داشتن ضریب هدایت گرمایی بالاتر، عدد ناسلت بالاتری هم داراست. اکسید تیتانیوم نیز به دلیل داشتن ضریب هدایت گرمایی کمتر، عدد ناسلت کمتری دارد.
در سال 2011 کیشن و همکاران انتقال جرم و حرارت جابه‌جایی طبیعی روی یک سطح عمودی که از هر دو طرف در محیطی متخلخل قرار گرفته است را تحت تاثیر میدان مغناطیسی بررسی کردند. آنها نشان دادند که با افزایش شدت میدان مغناطیسی پروفیل سرعت بی‌بعد کاهش می‌یابد در حالیکه پروفیل دمای بی‌بعد در نزدیکی‌های دیوار افزایش می‌یابد ولی در نقاط دورتر از دیوار کاهش می‌یابد[11].
در سال 2011 حمد به مطالعه‌ی اثر نانوذرات بر جابه‌جایی طبیعی اطراف یک صفحه افقی مسطح و تحت تاثیر میدان مغناطیس پرداخت. وی از نانوذراتی مانند مس، جیوه، اکسید‌تیتانیوم و اکسید‌آلومینیم استفاده کرد[12]. برای نانوسیال آب- مس، با استفاده از مدل ماکسول نشان داد که با افزایش پارامتر مگنتوهیدرودینامیک، ضخامت لایه مرزی دمای بی‌بعد افزایش و ضخامت لایه مرزی سرعت بی‌بعد کاهش می‌یابد. او همچنین نشان داد که انتقال حرارت بی‌بعد با کسر حجمی نانوذرات و پارامتر مگنتوهیدرودینامیک رابطه عکس دارد و با افزایش این پارامترها کاهش می‌یابد.
در سال 2012 محمودی و همکاران اثر مگنتوهیدرودینامیک را بر جابه‌جایی طبیعی نانوسیال آب- مس در یک کانال مثلثی مطالعه کردند. آنها برای تاثیر ذرات نانو در هدایت حرارتی سیال پایه از مدل پتل استفاده نمودند[13]. آنها نتیجه گرفتند که عدد ناسلت متوسط با افزایش کسر حجمی و کاهش پارامتر مگنتوهیدرودینامیک کاهش می‌یابد. آنها همچنین نشان دادند که پروفیل سرعت بی‌بعد با افزایش کسر حجمی در نزدیکی دیوار افزایش می‌یابد ولی در فواصل دورتر از ابتدای دیوار کاهش می‌یابد. در سال 2012 جشیم یودین و همکاران انتقال جرم و حرارت را بر جریان لغزشی لایه مرزی تحت مگنتوهیدرودینامیک، روی هندسه‌ی صفحه افقی و تحت تولید حرارت مطالعه نمودند[14]. آنها نشان دادند در حالت مکش با افزایش پارامتر شار جرمی ضخامت لایه مرزی سرعت بی‌بعد و ضخامت لایه مرزی دمای بی‌بعد کاهش می‌یابد. اما در حالت دمش رفتار متفاوتی مشاهده می‌شود بطوری که با کاهش پارامتر شار جرمی ضخامت لایه مرزی سرعت و دمای بی‌بعد افزایش می‌یابد.
در سال 2012 نعمتی و همکاران اثر مگنتوهیدرودینامیک را بر جریان جابه‌جایی طبیعی نانوسیال در یک محفظه مستطیلی با استفاده از مدل شبکه بولتزمن مطالعه کردند[15]. آنها برای نانوسیال آب- اکسید‌مس نشان دادند که عدد ناسلت متوسط با کاهش عدد هارتمن و افزایش کسر حجمی افزایش می‌یابد و همچنین گزارش دادند با افزایش عدد رایلی، عدد ناسلت افزایش خواهد یافت. در نهایت هم با افزودن نانوذرات و هم با افزایش کسر حجمی عدد ناسلت متوسط افزایش می‌یابد.
در سال 2012 جشیم اودین و همکاران جریان لایه مرزی جابه‌جایی آزاد بر صفحه تخت افقی گرم شده در محیطی متخلخل و احاطه شده با نانوسیال را بررسی کردند. مدل استفاده شده برای نانوسیال شامل حرکت براونی است[16]. آنها نشان دادند با افزایش نرخ اینرسی، افزایش پارامتر شار جرمی و افزایش پارامتر حرکت براونی ضخامت لایه مرزی سرعت بی‌بعد افزایش می‌یابد ولی ضخامت لایه مرزی دمای بی‌بعد با کاهش پارامتر حرکت براونی، افزایش شار جرمی و کاهش عدد لوئیس افزایش می‌یابد. نرخ انتقال حرارت بی‌بعد نیز با افزایش پارامتر شارجرمی و کاهش عدد لوئیس افزایش می‌یابد.
در سال 2012 رسکا و همکاران جابه‌جایی ترکیبی غیر‌دارسی را بر صفحه افقی در محیطی متخلخل اشباع شده مطالعه کردند. آنها دمای صفحه را در راستای افقی متغیر در نظر گرفتند و از نانوذرات مس، اکسید‌آلومینیم و اکسید‌تیتانیوم با استفاده از مدل ماکسول برای مسئله خود بهره گرفتند[17]. آن‌ها نشان دادند که ضخامت لایه مرزی دمای بی‌بعد با کاهش پارامتر جابه‌جایی مرکب، افزایش پارامتر اینرسی و همچنین افزایش کسر حجمی افزایش می‌یابد و ضخامت لایه مرزی سرعت بی‌بعد با افزایش پارامتر جابه‌جایی مرکب نه تنها افزایش می‌یابد بلکه مقدار سرعت در نواحی مجاورت دیواره نیز افزایش می‌یابد. آنها همچنان نتیجه گرفتند که پروفیل سرعت بی‌بعد در نزدیکی دیوار با افزایش کسر حجمی کاهش می‌یابد ولی در انتهای دیوار تاثیرپذیری کمتر دارد و انتقال حرارت بی‌بعد با افزایش کسر حجمی، کاهش پارامتر اینرسی و افزایش پارامتر جابه‌جایی مرکب افزایش می‌یابد.
در سال 2012 واسو و همکاران اثر مگنتوهیدرودینامیک را بر انتقال جرم و حرارت جابه‌جایی آزاد اطراف کره‌ای واقع شده در محیطی متخلخل و تحت جریان غیر‌دارسی مطالعه کردند[18]. آنها نشان دادند که با افزایش پارامتر مگنتوهیدرودینامیک از عدد صفر تا ده ضخامت لایه مرزی دمای بی‌بعد افزایش جزئی می‌یابد ولی ضخامت لایه مرزی سرعت بی‌بعد با نسبت بیشتری کاهش می‌یابد. همچنین با افزایش عدد پرانتل هم پروفیل دمای بی‌بعد و هم سرعت بی‌بعد کاهش می‌یابد. برای نرخ شار جرمی نیز نشان دادند که با افزایش آن ضخامت لایه‌های مرزی مشابه عدد پرانتل کاهش می‌یابند.
1-3 هدف و موضوع تحقیقشرح مسئله: شماتیک مسئله مورد بررسی در شکل(1-1) نمایش داده شده است. محورهای x و y به ترتیب در جهت موازی و عمود به دیواره می‌باشند. u سرعت سیال در جهت x و v سرعت در جهت y می‌باشد. دیواره در دما و غلظت ثابت Cw و Tw و در مجاورت محیطی متخلخل، محتوی نانوسیال آب- Al2O3 و با دما و غلظت C∞ و T∞ قرار گرفته شده است. دیواره می‌تواند نفوذپذیر vw≠0 یا نفوذناپذیر vw=0 باشد. حالت مکش زمانی رخ می‌دهد که مقداری از سیال از لایه‌ مرزی به داخل دیواره کشیده شود و در حالت دمش سیال از دیواره به لایه مرزی تزریق می‌شود. نیروهای حجمی موثر بر مسئله نیروهای گرانش و مغناطیس می‌باشند. اندازه میدان مغناطیسی موثر، ثابت و جهت آن عمود بر دیواره و به سمت آن است. نیروی گرانش نیز به صورت حجمی و در راستای عمودی بر جریان سیال به سمت پایین موثر است. δv، δC و δT نیز به ترتیب ضخامت لایه‌های مرزی سرعت، دما و غلظت می‌باشند. پس از بیان معادلات حاکم بر مسئله، به کمک پروفیل‌های سرعت، دما و غلظت بی‌بعد، به بررسی تغییرات عدد ناسلت و شروود پرداخته می‌شود.

شکل 1- 1 شماتیک مسئله مورد بررسیفرضیات حاکم بر مسئله: جریان آرام، تراکم ناپذیر، غیردارسی و آب و نانوذرات در تعادل گرمایی و غلظتی فرض شده‌اند و شرط عدم لغزش بین آن‌ها حاکم است. کسر حجمی نانوذرات جهت حفظ رفتار نیوتنی در محدوده‌ی φ=0 تا φ=0.06 انتخاب شده است.
می‌دانیم حضور نانوذرات سبب تغییر در خواص ترموفیزیکی سیال پایه بخصوص هدایت گرمایی و ویسکوزیته آن می‌شود. لذا به منظور تاثیر حضور نانوذرات در هدایت گرمایی سیال پایه از الگوی کوو و کلینستروئر استفاده شده است که در آن ضریب هدایت گرمایی نانوسیال به صورت تابعی از دمای نانوسیال، قطر نانوذرات و سیال‌پایه، کسر حجمی و اثرات حرکت براونی نانوذرات می‌باشد[19].
از طرفی با حضور نانوذرات، لزجت دینامیکی نانوسیال نیز طبق رابطه‌ی برینکمن با کسر حجمی متغیر است[20]. دسترسی به سایر خواص ترموفیزیکی نظیر چگالی، ظرفیت گرمایی ویژه در فشار ثابت، ضریب انبساط گرمایی و. . . . نیز با اعمال کسر حجمی مقدور است[21].
1-4 روش تحقیقپس از یافتن معادلات حاکم بر مسئله به کمک منابع و مقالات مرتبط، بیان شرایط مرزی و اعمال فرضیات، به حل معادلات حاکم بر مسئله به روش تشابهی پرداخته می‌شود. در واقع، به کمک متغیرهای تشابهی معادلات دیفرانسیل جزئی بدست آمده به معادلات دیفرانسیل معمولی تبدیل می‌گردند. سپس دستگاه معادلات حاصل به روش رانگ‌گوتای مرتبه‌ی چهارم و به کمک نرم‌افزار مناسب حل ‌می‌گردند. جهت اطمینان از صحت‌ عملکرد برنامه‌ی کامپیوتری نوشته شده، نتایج حاضر با کار مورثی و همکاران]2[ مقایسه می‌شود. پس از حصول اطمینان از عملکرد برنامه، به ارائه نتایج و بحث و بررسی پیرامون آن پرداخته می‌شود. بخش اولیه نتایج، اختصاص به تغییرات پروفیل‌های سرعت، دما و غلظت تحت تغییرات کسر حجمی φ، پارامتر شار جرمی fw، عدد گراشف Gr، عدد هارتمن Ha و. . . دارد. در بخش‌های بعدی اثرپذیری انتقال جرم و حرارت، تحت تغییر اعداد بی‌بعد و تغییرات شرایط مرزی مورد توجه قرار می‌گیرد.
1-5 مروری بر فصل‌هاپس از شرح مسئله به همراه بیان شرایط مرزی، اهداف کلی پروژه و مروری بر کارهای انجام شده در این فصل، در فصل دوم به معرفی نانوسیال، ویژگی‌ها و روابط حاکم بر خواص آنها پرداخته می‌شود. از آنجایی که محیط مسئله مورد بررسی، محیطی متخلخل است، لازم است فیزیک انتقال حرارت و جریان عبوری در چنین محیط‌هایی به خوبی درک شود. فعالیت‌های مهمی که در این راستا صورت گرفته است، در فصل سوم مورد بررسی قرار می‌گیرد.
در فصل چهارم تحت عنوان "هیدرودینامیک مغناطیسی MHD" به توصیف مختصری از این مبحث و بیان پارامترهای مهم در این حوزه پرداخته می‌شود. سپس قوانین اصلی الکترودینامیک به طور خلاصه گفته شده و در پایان کاربردهایی از هیدرودینامیک مغناطیسی بیان می‌شود.
در فصل پنجم، معادلات حاکم بر مسئله به همراه شرایط مرزی و فرضیات در نظر گرفته شده، بیان می‌شوند. سپس در فصل ششم، این معادلات، به کمک حل‌های تشابهی و با استفاده از نرم‌افزار مناسب حل ‌می‌گردند. بعد از اطمینان از صحت عملکرد برنامه‌ی کامپیوتری، در فصل هفتم به ارائه نتایج و بحث و بررسی پیرامون آن پرداخته می‌شود.
در نهایت در فصل هشتم، دست‌آوردهای این پژوهش ذکر شده و پیشنهادهایی برای پژوهشهای آینده ارائه می‌گردد.
فصل دوم:
نانو سیالات
2-1 مقدمهپیشرفت در صنایع مختلف مانند الکترونیک، خودرو، هوافضا و مانند آن منجر به تولید تجهیزات با اندازه و حجم کوچک و تولید انرژی زیاد حرارتی بر واحد سطح میگردد. با توجه به حجم بالای تولید انرژی حرارتی در اینگونه تجهیزات، خنککاری مناسب در جهت حفظ دمای کاری آنها در محدوده قابل قبول از اهمیت ویژهای برخوردار است. بهمنظور هماهنگی با پیشرفت در این صنایع لازم است که تجهیزات خنککننده با وزن کم، اندازه کوچک و توانایی انتقال حرارت بالا تولید گردند. درنتیجه، بهینهکردن سیستمهای حرارتی همواره مورد توجه محققین بوده است. با افزایش بازده سیستمهای حرارتی میتوان شار حرارتی بیشتری را در یک ابعاد مشخص منتقل کرد و در نتیجه دمای کاری را پایین آورد و یا می‌توان شار حرارتی مشخصی را با استفاده از یک مبدل حرارتی کوچکتر منتقل کرد. راههای متفاوتی برای افزایش بازدهی یک مبدل حرارتی وجود دارد. به عنوان مثال میتوان افزایش سطح، استفاده از هندسههای پیچیده، تولید اغتشاش در جریان سیال و استفاده از سیال عامل مناسب را نام برد.
تاکنون، راههای متفاوتی برای بهبود خواص سیال عامل درون سیستمهای حرارتی ارائه شده است. یکی از این راهها افزودن ذرات فلزی به سیال عامل میباشد. آزمایشها نشان داده است که ضریب هدایت حرارتی فلزات و اکسید فلزات به ترتیب میتواند 10 تا 100 برابر ضریب هدایت حرارتی سیالات مانند آب و روغن باشد. بنابراین، چنانچه ذرات فلزی به سیالات معمولی اضافه گردند، انتظار میرود که ترکیب حاصله ضریب هدایت حرارتی بسیار بالاتری نسبت به سیال پایه داشته باشد. ماکسول نخستین کسی بود که امکان افزایش هدایت حرارتی یک مخلوط جامد ـ مایع را با افزودن کسر حجمی بیشتر از ذرات جامد، نشان داد. او ذرات در ابعاد میکرو و میلیمتر را مورد بررسی قرار داد. اما آن ذرات نسبتا درشت منشأ مشکلات متعددی از قبیل خوردگی، مسدودکردن، افت فشار زیاد و پایداری کم بودند. لذا همواره نیاز به نوع جدیدی از سیال با ضریب هدایت حرارتی بهینه در حالی که از اثرات نامطلوب ناشی از حضور ذرات جامد در آن اجتناب شود، احساس میشد. این نوع جدید سیال که بتواند این نیازهای مهم را برآورده کند ایدهی نانوسیال را تشکیل داد. نانوسیالات، مایعاتی هستند که ذراتی با سایزی معمولاً کمتر از 100 نانومتر به طور یکنواخت و پایدار در آنها حل شدهاند. در سالهای اخیر گزارشهایی که به افزایش قابل توجه ضریب هدایت حرارتی سیال با استفاده از غلظتهای کم از ذرات نانو در داخل سیال اشاره داشتند، باعث شده است توجه شایانی به نانوسیالات در کاربردهای مختلفی از قبیل مبدلهای حرارتی، نیروگاهها و خنک‌کاری ماشینآلات صورت گیرد. با بهکارگیری نانوسیالات و افزایش راندمان حرارتی ناشی از بهبود خواص ترموفیزیکی سیال، امکان کوچکشدن تجهیزات انتقال حرارت فراهم شده است و این روند همواره رو به پیشرفت میباشد.
2-2 مواد مورد استفاده در نانوسیالات
با پیشرفت تکنولوژی امکان تهیه مواد در مقیاس نانومتر مهیا شده است. همهی مکانیزمهای فیزیکی دارای یک مقیاس طولی بحرانی هستند که خواص فیزیکی آنها در مقیاس کوچکتر از مقدار بحرانی، تغییر میکند. با گذر از میکروذرات به نانوذرات، با تغییر برخی از خواص فیزیکی روبرو می‌شویم، که دو مورد مهم آنها عبارتند از: 1) افزایش نسبت مساحت سطحی به حجم و 2) ورود اندازه ذره به قلمرو اثرات کوانتومی. افزایش نسبت مساحت سطحی به حجم که به تدریج با کاهش اندازه ذره رخ میدهد، باعث غلبهی رفتار اتمهای واقع در سطح ذره به رفتار اتمهای درونی میشود. این پدیده بر خصوصیات ذره در حالت انزوا و بر تعاملات آن با دیگر مواد اثر میگذارد. خواص حرارتی، مکانیکی، مغناطیسی و الکتریکی مواد در فاز نانو نسبت به مواد مرسوم با ساختار دانه درشت برتری دارد. همین پدیدهها باعث جلب توجه دانشمندان مواد و مهندسین به بررسی نانوذرات شده است.
نانوذرات مورد استفاده در نانوسیالات از مواد متنوعی مانند فلزات، اکسیدهای سرامیکی، نیمه رساناها، نانوتیوبهای کربنی و مواد کامپوزیتی ساخته میشوند. موادی که عمدتا به عنوان نانوذره بکار میروند، عبارتند از:
اکسیدها:اکسید مس، اکسید سیلیسیم، آلومینا، اکسید تیتانیوم
کربیدها:کربید سیلیسیم، کربید تینانیوم
نیتریدها: نیترید سیلیسیم، نیترید آلومینیوم
فلزات: طلا، نقره، مس، آلومینیوم
غیر فلزات:گرافیت، نانولوله و نانو تیوب کربن
لایه دارها:کربن + مس، آلومینیوم + آلومینیوم
مواد کامپوزیتی:A170Cu30
سیالات مورد استفاده به عنوان سیال پایه عبارتند از:
آب
اتیلن گلیکول
روغن
سیالات زیستی
محلولهای پلیمری
2-3 ویژگیهای نانوسیالاتبا در نظر گرفتن این مسئله که بازده حرارتی مبدلهای حرارتی و یا وسایل خنککاری در صنایع مختلف، برای میزان مصرف انرژی بسیار مهم و حیاتی میباشد، استفاده از تکنولوژی نانوسیالات بسیار تأثیرگذار خواهد بود. هنگامیکه نانوذرات به طور مناسب در سیال پراکنده شوند میتوانند محاسن زیادی علاوه بر افزایش قابل توجه هدایت حرارتی مؤثر داشته باشند. از جملهی این مزایا میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
بهبود پایداری و انتقال حرارت: سطح جانبی نسبتاً زیاد نانوذرات در مقایسه با میکروذرات قابلیت انتقال حرارت بسیار بهتری را فراهم میآورد. میدانیم ذرات ریزتر از 20 نانومتر، 20% از اتمهای خود را روی سطح خود حمل میکنند، همین امر باعث میشود که در تعامل حرارتی بسیار سریع عمل کنند. با این ذرات فوق العاده ریز، نانو سیالات میتوانند به نرمی در ریزترین کانالهای میلی و میکرو جریان یابند.
رفع مشکل انسداد: چون نانوذرات کوچک هستند، جاذبه در مورد آنها اهمیت کمتری می‌یابد و لذا با کاهش شانس تهنشینی آنها یک نانوسیال پایدار خواهیم داشت. ترکیب میکروکانالها و نانوسیالات، همزمان سیالات با رسانایی بالا و سطح انتقال حرارت زیاد را فراهم میآورد. این مزیتی است که در استفاده از ذرات ماکرو یا میکرو به دلیل مسدود شدن میکروکانال وجود نخواهد داشت.
سیستمهای مینیاتوری: تکنولوژی نانوسیال با فراهم نمودن قابلیت طراحی مدلهای حرارتی کوچکتر و سبکتر، از گرایش صنایع کنونی به سمت کوچککردن سیستمها حمایت می‌کند. سیستمهای کوچکشده، مخزن سیالات عامل انتقال حرارت را کاهش داده و منجر به صرفهجویی در هزینهها خواهد شد.
کاهش توان پمپ: در حالات عادی با افزایش انتقال حرارت به دو برابر توسط سیالات متداول، توان خروجی پمپ باید ده برابر افزایش یابد. نشان داده شده است که سه برابر کردن هدایت حرارتی در نانوسیالات، انتقال حرارت در همان وسیله به دو برابر افزایش خواهد یافت و تا زمانی که افزایش ناگهانی در ویسکوزیتهی سیال رخ ندهد توان افزایش یافته مصرفی توسط پمپ در حد معقول باقی خواهد ماند. پس با افزودن درصد حجمی کمی از نانوذرات در رابطه با توان مصرفی پمپ صرفه جویی زیادی رخ خواهد داد.
پایداری بهتر نانوذرات مانع از تهنشینی سریع آنها شده و کاهش احتمال انسداد و خوردگی دیوارههای تجهیزات انتقال حرارت را به دنبال خواهد داشت. رسانایی حرارتی زیاد نانوسیالات به بازده حرارتی بالاتر و هزینههای کمتر منجر میشود. تجهیزات کوچک شده نیاز به مخازن کوچکتر سیالهای عامل دارند و نهایتا سیستمهای حرارتی کوچکتر و سبکتری خواهیم داشت. اجزای کوچکتر منجر به صرفهجویی در سوخت و انرژی، آلایندگی کمتر و محیط زیستی تمیزتر خواهد شد.
2-4 روابط حاکم بر خواص نانوسیال
2-4-1 ضریب هدایت حرارتی
مطالعات مختلفی برای توجیه نمودن افزایش مشاهده شده در میزان ضرایب هدایت حرارتی نانوسیال انجام شده و بر آن اساس روابط مختلفی برای محاسبه ضریب هدایت حرارتی مؤثر نانوسیال ارائه شده است. مدلهای اولیه با فرض عدم وجود سرعت نسبی بین ذرات و سیال پایه و عمدتا برای ذرات با اندازه میکرو و میلیمتر ارائه شدهاند ولی بهتدریج مکانیزمهای مختلف مانند حرکت براونیذرات، ترمو فورسیس، لایه بین نانوذرات و سیال پایه (نانولایه)، زنجیرهای شدن نانوذرات، انتقال فوتون و. . . . جهت مدلسازی ضریب هدایت مؤثر نانوسیال درنظر گرفته شدند.
تعدادی از مدلهای ارائه شده برای محاسبه ضریب هدایت مؤثر نانوسیال در جدول (2-1) ارائه شده است.
جدول 2-1 : مدل‌های ارائه شده برای هدایت حرارتی نانوسیالهامیلتون وکراسر ]21[ knf=kp+ n-1kf-(n-1)(kp-kf)φkp+ n-1kf+ (kf- kp)φkfژوان و همکاران ]22[ knf=kp+ 2kf- 2kp-kfφkp+ 2kf+ kp- kfφkb+ ρpφCp2kT3πrclμیو و چوی ]23[ knf=kpe+ 2kf+ 2(kpe-kf)(1+β)3φkpe+ 2kf- (kpe- kf)(1+β)3φkfآوسک ]24[ knf= kfkp+n-1kf-n-1φ(kf-kp)kp+ n-1kf+φ(kf-kp)در رابطه‌ی همیلتون-کراسر و آوسک، n=3ψ و ضریب شکل تجربی است و ψ کرویت ذره می‌باشد و به صورت نسبت مساحت سطح کرههای هم حجم ذره به مساحت سطح ذره تعریف میشود. در رابطه‌ی ژوان و همکاران rcl شعاع ظاهری زنجیره است و به ساختار زنجیره بستگی دارد. در فرمول پیشنهادی توسط یو و چوی نیز β نسبت ضخامت نانولایه به شعاع ذره اصلی وkpe ضریب هدایت حرارتی معادل میباشد و به صورت زیر به دست میآید:
(2-1) kpe=21-γ+ 1+β31+2γ-1-γ+ 1+β31+2γkpو γ نسبت هدایت حرارتی نانولایه به هدایت حرارتی ذره اصلی میباشد.
در سال (2005) کوو و کلینستروئر با در نظرگیری اثر حرکت براونی ذرات، مدل دیگری را ارائه دادند]19[. هنگام بکارگیری هدایت گرمایی نانوسیال در مطالعه‌ی حاضر الگوی فوق مورد استفاده قرار می‌گیرد. در زیر نحوه‌ی دستیابی به این مدل توضیح داده شده است.
مدل کوو و کلینستروئر: از آنجا که ذرات در هنگام حرکت براونی خود مقدار زیادی از سیال را به حرکت درمی آورند، انتظار میرود که بتوان مدل دقیقتری را بر حسب حرکت براونی ذرات ارائه داد. در این مدل تأثیر حرکت براونی که خود تابعی از دما است، مورد بررسی قرار میگیرد. آزمایشها نشان دادهاند که با افزایش دما حرکت براونی ذرات افزایش مییابند و در نتیجه ضریب هدایت حرارتی نانوسیال افزایش مییابد. برای محاسبه اثر حرکت براونی، ضریب هدایت حرارتی نانوسیال شامل دو قسمت در نظر گرفته میشود. یکی با فرض اینکه تمام نانوذرات ساکن هستند (قسمت استاتیکی ضریب هدایت حرارتی kstatic) و دیگری خواصی که از حرکت براونی ناشی میشوند (kBrownian).
ضریب هدایت حرارتی نانوسیال بر اساس خواص استاتیکی و براونی به صورت زیر تعریف میشوند:
(2-2) Knf=Kstatic+KBrownianخواص استاتیکی را میتوان با استفاده از روابط و تئوریهای ارائه شده برای مخلوطها بدست آورد. برای تخمین ضریب هدایت حرارتی استاتیکی از رابطه ماکسول (1873) مطابق رابطه‌ی (2-3) استفاده می‌شود:
(2-3) KstaticKf=1+3KpKf-1φKpKf+2-KpKf-1φدر رابطه فوق kf و kp به ترتیب ضریب هدایت حرارتی سیال پایه و نانوذرات میباشند و φ کسر حجمی نانوذرات میباشد.
با دستیابی به رابطه‌ای برای انتقال حرارت ناشی از حرکت براونی ذرات، می‌توان ضریب گرادیان دما را که در واقع همان ضریب هدایت حرارتی براونی (kBrownian) است، به صورت زیر بدست آورد:
(2-4) kBrownian=18πpφρpCpκTρpDlDبا توجه به مقادیر بسیار کوچک عدد رینولدز حرکت نسبی سیال در اطراف یک نانوذره، از نوع جریان استوکس می‌باشد و حجمی از سیال متحرک به شکل بیضی‌گون همراه یک ذره حرکت می‌کند. بنابراین با اعمال حجم موثر جدید به جای حجم ذرات در رابطه kf، رابطه اصلاح شده به صورت زیر خواهد بود:
(2-5) kBrownian=37.52×75×18πpφρpCpκTρpDlDبه منظور اعمال اثر حجمی از سیال عبوری از مرز، یک ضریب اصلاح β و برای تکمیل اثرات دما بر روی ضریب هدایت حرارتی نانوسیال، تابع مدلسازی f به صورت ضریبی در رابطه‌ی فوق اعمال می‌گردد. بنابراین kBrownian به صورت زیر قابل تعریف است:
(2-6) kBrownian=37.52×75×18πpβφρpCpκTρpDlDf(T,φ,etc)پارامتر f میتواند تابعی از φ، T و خواص سیال باشد. این تابع با استفاده از نتایج آزمایشگاهی به صورت تجربی به دست آورده میشود وبرای نانوسیال مشخص، تابع f تنها تابعی از φ و T می‌باشد.
در محاسبه kBrownian جهت تعیین مقدار lD، باید از شبیه سازی عددی استفاده شود، اما برای سادگی مقدار آن یک فرض میشود و از آنجا که محاسبه تابع f به صورت تجربی است، اثر آن در f منظور می‌گردد. در نهایت، ضریب هدایت حرارتی به صورت رابطه‌ی (2-7) خواهد بود. باید توجه کرد که این رابطه کاملا بر اساس تئوری به دست آمده است.
(2-7) kBrownian=37.52×75×18πpβφρbCpκTρpDlDf(T,φ)در حالت کلی β میتواند تابعی از غلظت، دما، خواص سیال و ذرات باشد. اما در اینجا فرض می‌شود که β تنها تابعی از φ است و وابستگی آن به باقی پارامترها بوسیله تابع f پوشش داده می‌شود. کوو و کلینستروئر مقادیر β را برای چند نانوسیال مختلف به صورت جدول (2-2) ارائه کردند.
جدول 2-2: مقدار ضریب β برای نانوسیالهای بر پایه سیال آبجنس نانوذرات βتوضیحات
هر نوع از نانوذرات 0. 0137(100φ)-0.8229φ<1%اکسید مس 0. 0011(100φ)-0.7272φ>1%اکسید آلومینیوم 0. 0017(100φ)-0.0841φ>1%کوو و کلینستروئر با استفاده از نتایج داس و همکاران ]25[ تابع f را برای اکسید مس به صورت زیر بهدست آوردند:
(2-8) fT,φ=-6.04φ+0.4705T+(1722.3φ-134.63)این رابطه در سادهترین حالت خطی فرض شده است. رابطه فوق با توجه به شرایط آزمایشگاهی داده شده در بازه 1<φ<4 و 300K<T<325K قابل قبول میباشد. با استفاده از نتایج ژائو و همکاران ]26[، با متغیر فرض کردن این تابع بر حسب دما و کسر حجمی نانوذرات، توابع f و β به صورت زیر بدست میآیند:


(2-9) β=0.000244×100φ-0.167831(2-10) f1=4469-29.66T-3736×100φ+0.04905T2 f2=24.26×T×100φ+555.4×(100φ)2-0.03902×T2×100φf3=-3.654×T×100φ3-0.3315×(100φ)3 f4=0.005291×T×(100T)3-0.3315×(100φ)3 f=i=14fi در رابطه بهدست آمده، برخلاف مدل ارائه شده توسط کوو و کلینستروئر تغییرات به صورت خطی درنظر گرفته نشد که این امر به شدت بر دقت تخمین ضریب هدایت حرارتی نانوسیال اضافه نمود. با به دست آمدن این توابع میتوان تغییرات ضریب هدایت حرارتی نانوسیال بر حسب کسر حجمی نانوذرات و دما بدست آورد.
2-4-2 ویسکوزیته نانوسیالاتتاریخ مدلسازی ویسکوزیته مخلوط آب و ذرات جامد مانند ضریب هدایت حرارتی به سالها پیش باز میگردد. انیشتین اولین فردی بود که توانست با حل معادلات هیدرودینامیکی نانوسیال، مقدار ویسکوزیته مؤثر را برای مخلوطی از آب و ذرات جامد بهدست آورد. انیشتین ]20[ در پروژه - ریسرچخود توانست ویسکوزیته مؤثر مخلوط μnf را برای یک سیال با ویسکوزیته خطی μf، که به آن ذرات ریزی با غلظت کم اضافه شدهاند، محاسبه کند. با این فرض که اثر یک ذره بر روی سیال پایه تحت تأثیر حضور ذره دیگر قرار نمیگیرد (ذرات از هم بسیار دور هستند)، انیشتین رابطه زیر را برای محاسبه ویسکوزیته مؤثر ارائه داد:
(2-11) μnfμf=1+2.5φ از زمان انیشتین تا به حال محققین بسیاری بر پایه این مدل ارائه شده، مدلهای جدیدتری ارائه دادهاند. در پایان‌نامه حاضر برای تاثیر حضور نانوذرات در ویسکوزیته سیال پایه از رابطه برینکمن ]27 [استفاده شده است. وی مدل ارائه شده توسط انیشتین را برای غلظتهای بیشتر ذرات ریز توسعه داد و مدل دیگری را به صورت رابطه زیر ارائه کرد که تا حدود φ=4% قابل استفاده بود.
(2-12) μnfμf=1(1-φ)2.52-4-3 سایر خواص نانوسیالاتبا توجه به این که نانوسیال‌ها نوعی مخلوط به شمار می‌روند، بسیاری از خواص آنها نظیر چگالی، گرمای ویژه و. . . از روابط مخلوط‌ها تبعیت می‌کند و با استفاده از کسر حجمی قابل محاسبه است]12[:
(2-13) ρ nf= ρ f1-φ+ρsφ(2-14) (ρcp) nf= (ρcp) f1-φ+(ρc)sφبا اندازه‌گیری ضریب هدایت حرارتی و گرمای ویژه نانوسیال، نهایتا پخش حرارتی آن نیز قابل اندازه‌گیری است:
(2-15) αnf=knf(ρcp)nfفصل سوم:
محیط متخلخل
3-1 مقدمه
می‌توان اذعان داشت که بیشتر موضوعاتی که در پیرامون ما اتفاق می‌افتد، به کمک محیط‌های متخلخل قابل تحلیل و بررسی است. برای مثال در اواخر قرنی که گذشت بیشتر کشورها و سیاست مدارانشان برای بهره‌برداری از روش‌های استفاده از منابع انرژی، غیر از سوخت‌های فسیلی و هسته‌ای تصمیمات تازه‌ای گرفتند. مثلا انرژی تولید شده توسط جریانات گرم زیرزمینی که می‌تواند برای بعضی کشورها به عنوان منبع انرژی ثانویه مورد استفاده واقع گردد. یک سیستم بسیار موثر برای استخراج انرژی در اینجا فقط از طریق مطالعه سیستماتیک جریان در محیط متخلخل ممکن و میسر است.
امروزه در بسیاری از کاربردهای صنعتی، مواد متخلخل نقش بسیار مهمی در طراحی و توسعه فرآیندها بازی می‌کنند. به عنوان مثال در صنایع آلیاژسازی هنگام درست کردن آلیاژ، بین فازهای جامد و مایع ناحیه خمیرشکلی وجود دارد که حاوی ذرات جامد و سیال است و می‌توان آن را توسط محیط متخلخل غیرایزوتروپ همراه با نفوذپذیری متغیر در جهات مختلف مدلسازی کرد. سایر کاربردهای صنعتی، نظیر جریان گذرنده از شبکه‌های یک مبدل حرارتی، اکتشاف نفت از منابع زیرزمینی و. . . را نیز می‌توان به کمک محیط‌های متخلخل بررسی و تحلیل نمود. لازم به ذکر است که در بیشتر کاربردهای صنعتی و طبیعی، تغییرات دما و غلظت موجب تفاوت چگالی میان دو مکان شده که این به نوبه خود باعث ایجاد جریان می‌گردد. مثال آن را می‌توان در صنایع جداسازی و رسوب‌گیری، صنایع غذایی و غیره یافت. پدیده‌ای که به عنوان ترکیبی از انتقال حرارت و جرم باشد معمولا از ان به عنوان پخش دوتایی در محیط متخلخل یاد می‌شود. با توجه به اهمیت این موضوع و از طرفی کمی اطلاعات در این زمینه، در آغاز قرن گذشته برای توصیف محیط متخلخل تنها از رابطه ساده دارسی استفاده می‌شد. کم‌کم دانشمندان به سمت مدل‌های بهتر و جامع‌تری روی آورند. امروزه باب این مسئله برای بحث و تحقیق هنوز باز می‌باشد. هم‌اکنون مدل عمومی محیط‌های متخلخل دارای زمینه‌ای بسیار وسیع و گسترده می‌باشد و می‌توان آن را بسته به نوع کاربرد به زیرمجموعه‌های مختلفی تقسیم کرد که بسیاری از این شاخه‌ها نیازمند تحلیل و بررسی هستند. برای مثال، محیط همراه با تخلخل متغیر، وجود اتلاف حرارتی در محیط، ساختارهای نیمه متخلخل، محیط‌های متخلخل غیرهمگن، محیط‌های متخلخل با قابلیت انعطاف‌پذیری، ساختارهای متخلخل موجود در مباحث زمین‌شناسی و. . . . موارد فوق‌الذکر بخش کوچکی از مبحث محیط‌های متخلخل را تشکیل می‌دهد.
در این فصل با توصیف محیط‌های متخلخل، به بررسی معادلات حاکم بر این محیط‌ها پرداخته می‌شود. مطالب این بخش از مرجع ]28[ آورده شده است.
3-2 توصیف محیط‌های متخلخلبرای حل بسیاری از کاربردهایی که در قسمت قبل بیان شد، لازم است فیزیک انتقال حرارت و جریان عبوری از محیط‌های متخلخل بخوبی درک شود. در برخی از کاربردهای مهم این محیط‌ها، مثل فرآیندهای خشک کردن و غیره، محیط متخلخل در تماس با یک سیال تک فازی است. لذا سطح مشترک بین فاز جامد و سیال بسیار مهم می‌باشد که باید به خوبی و به صورت کامل تخمین زده شود. در این راستا فعالیت‌های مهمی جهت مدلسازی ریاضی جریان عبوری از محیط متخلخل صورت گرفته است که جزئیات این مدل‌ها قابل بحث است.
یک محیط متخلخل معمولا به صورت ترکیبی از یک شبکه ماتریسی جامد و حفره‌هایی که درون این شبکه قرار دارند در نظر گرفته می‌شود. این حفره‌ها میتوانند به یکدیگر راه داشته و یا نسبت به هم منفصل و جدا‌جدا باشند. اگر در محیط متخلخلی این حفره‌ها به هم راه داشته باشد و سیالی که به درون این حفره‌ها می‌رود آن‌ها را کاملا پرکند، اصطلاحا این محیط متخلخل، محیط متخلخل اشباع شده نامیده می‌شود. محیط متخلخل اشباع نشده به محیطی گفته می‌شود که سیال در حالت کلی تنها بخشی از فضای موجود در حفره‌ها را پرکرده باشد و تمام حفره‌ها به هم راه ندارند. لذا سیال نمی‌تواند همه‌جا را پرکند. نوعی از محیط متخلخل در شکل (3-1) نمایش داده شده است. همانطور که ملاحظه می‌شود، محیط متخلخل به صورت طبیعی دارای هندسه‌ی نامنظمی است. محیط‌های متخلخلی که در کاربردهای مهندسی یافت می‌شوند، از ذرات جامد مثل ساچمه‌ها یا کره‌ها تشکیل می‌شوند. شکل (3-2) محیط متخلخلی را نشان می‌دهد که از کره تشکیل یافته است.

شکل 3-1: یک نمونه محیط متخلخل طبیعی]28[
.
محیط‌های متخلخل متشکل از ذرات جامد به طور وسیع در صنایع شیمیایی یافت می‌شوند که یکی از مهمترین آن‌ها بسترهای متشکل‌ از ذرات به هم چسبیده در راکتورها و همچنین مواد فیبری شکل می‌باشند. هنگامیکه هوا در فضای حفره‌ای به دام می‌افتد، هدایت حرارتی کل محیط پایین می‌آید و از این محیط می‌توان به عنوان یک عایق حرارتی استفاده کرد که کاربردهای فراوانی دارند.

شکل 3-2: یک نمونه محیط متخلخل استفاده شده در کاربردهای صنعتی]28[3-3 روش‌های میکروسکوپی و ماکروسکوپیتعیین خواص ماکروسکوپی محیط‌های متخلخل موضوع بسیار دشواری است. در نگاه اول به نظر می‌رسد که استفاده از دو استراتژی متفاوت، برای حل مسائل پیچیده محیط‌های متخلخل اشباع شده برای ما میسر باشد. استراتژی اول که ممکن است به ذهن برسد حل دقیق مسئله است. اگرچه استراتژی فوق برای حالات خاص می‌تواند موفقیت‌آمیز باشد ولی جهت توسعه‌ی یک تئوری کلی در محیط‌های متخلخل، کاملا نامناسب است. چرا که هر دو پدیده انتقال حرارت و جریان سیال به شدت وابسته به ساختار ذره‌بینی اجسام متخلخل می‌باشند و از طرفی در حالات کلی، محیط متخلخل دارای ساختار هندسی پیچیده داخلی است. برای نشان دادن این وابستگی به ساختار میکروسوپی، نمونه‌ای از یک جسم متخلخل در شکل (3-3) قابل ملاحظه است.

شکل 3-3: حجم معیار اولیه از محیط متخخل اشباع شده]28[فرض می‌شود این نمونه به اندازه کافی بزرگ باشد تا فرض پیوستگی برای هر دو فاز جامد و مایع معتبر باشد. آنگاه فرموله کردن معادلات بقای انرژی، جرم و مومنتوم در هر دو فاز به فرم دیفرانسیل کاملا معقول به نظر می‌رسد. نتیجه این فرمولاسیون یک سری معادلات دیفرانسیل پاره‌ای کوپل شده به هم می‌باشد. مشکلات هنگام مشخص نمودن شرط مرزی داخلی مابین فاز جامد و مایع آغاز می‌شود. مثلا در مسئله انتقال حرارت هدایتی یک شرط مرزی اساسی، مطابقت شارهای حرارتی و دما در مرز مشترک برای دو فاز است و این شرط مرزی تابعی از شکل هندسی سطح مشترک دوفاز است. در شکل (3-3) پیچیدگی مرز هندسی مابین دوفاز مشخص است. درصورتی که در مواد واقعی، این هندسه بسیار پیچیده‌تر و حتی به صورت سه بعدی است. با این اوصاف می‌توان نتیجه گرفت که آنالیز فرآیندهای انتقالی در محیط‌های متخلخل به طور ذاتی سخت و انجام ناپذیر است. به ناچار باید از دیدگاه ماکروسکوپی بهره گرفت. در این دیدگاه، تمام محیط متخلخل به صورت یک محیط پیوسته که از متوسط‌گیری متغیرهای میکروسکوپی بدست آمده است، در نظر گرفته می‌شود. بنابراین عمل متوسط‌گیری مکانی روی یک حجم معیار که حجم معیار اولیه نامیده می‌شود، انجام می‌گیرد. شکل (3-4) مثالی از یک حجم معیار اولیه است. مفهوم حجم معیار اولیه به طور اساسی برای اولین بار در تکنیک متوسط‌گیری حجمی توسط ویتاکر معرفی شد که هم اکنون پایه‌ای برای کارهای بسیاری است که بر محیط‌های متخلخل صورت می‌گیرد. حجم معیار اولیه باید به گونه‌ای باشد که مقادیر متوسط‌گیری شده مورد نظر مستقل از اندازه حجم اولیه باشد. یعنی اگر مقداری ماده متخلخل به این حجم معیار اولیه اضافه گردد، تغییری در مقدار خواص محلی صورت نگیرد. به عبارتی دیگر طول مشخصه حجم معیار اولیه باید بزرگتر از مقیاس حفره‌ها و کوچکتر از ابعاد منطقه ماکروسکوپی باشد. همانطور که در شکل (3-4) نشان داده شده است.

شکل 3-4: حجم معیار اولیه در محیط متخلخل]28[استفاده از متغیرهای ماکروسکوپی، تعریف خواص موثر را موجب می‌شود که به صورت تجربی جهت اعمال اثرات ساختار ذره‌بینی، تعریف می‌شوند. بسیاری از توسعه‌های تئوری حول این محور دور می‌زند که بتوان فرآیندهای میکروسکوپی را به منظور پیش‌بینی خواص موثر ماکروسکوپی مدلسازی کرد. برای توصیف جریان گذرنده از یک محیط متخلخل در دیدگاه ماکروسکوپی، لازم است متغیرهایی تعریف شوند که توسط آن‌ها بتوان فضایی از محیط متخلخل که برای جریان سیال وجود دارد را محاسبه نمود. یکی از این خواص تخلخل نام دارد و برابر است با نسبت حجم حفره‌ها به حجم کل محیط متخلخل. برای مواد طبیعی تخلخل به صورت معمولی کمتر از 6/0 می‌باشد. برای بستر‌هایی که از ذرات کروی با قطر یکنواخت تشکیل شده‌اند تخلخل می‌تواند در محدوده‌ی 2545/0 تا 4764/0 قرار بگیرد. اگر اندازه این ذرات غیر‌یکنواخت باشد، تخلخل‌های کوچکتر از مقادیر فوق نیز قابل دسترسی است. چرا که ذره‌های کوچکتر حفره‌های بین ذرات بزرگتر را می‌توانند پرکنند. برای موادی ساخته شده توسط بشر، تخلخل می‌تواند به مقدار یک بسیار نزدیک باشد. در جدول (3-1) تخلخل و سایر خواص مواد متخلخل متداول آورده شده است.
جدول 3-1: تخلخل و نفوذپذیری چند محیط متخلخل]29[تخلخل نفوذپذیری(m2) جنس
0. 54 – 0. 43 2×10-12 - 1.4×10-11خاک
0. 37 – 0. 5 2×10-11 - 1.8×10-10شن
0. 49 – 0. 37 1.3×10-14- 5.1×10-14سیلیکات
کسر حجمی حفره‌های متصل به حجم کل محیط، تخلخل موثر نامیده می‌شود. در محیط‌های خمیری شکل ذرات به صورت کامل نسبت به هم ثابت نیستند. لذا تخلخل با تخلخل موثر برابر می‌گردد. هم چنین برای شبکه‌های ماتریسی صلب، تخلخل در اثر وجود گرادیان فشار دچار هیچ‌گونه تغییری نمی‌شود. همانطور که از شکل (3-4) پیداست عمل متوسط‌گیری بر روی حجم معیار اولیه به دو طریق میسر است. یکی متوسط‌گیری روی کل محیط و دیگری متوسط‌گیری روی حجم حفره‌ها. لذا اگر از سرعت روی حجم حفره‌ها متوسط‌گیری کنیم سرعت متوسط ذاتی، v بدست می‌آید. از طرفی اگر برروی کل محیط متوسط‌گیری کنیم سرعت دارسی، V بدست می‌آید. این دو سرعت نسبت به هم مستقل نبوده بلکه توسط رابطه‌ی زیر به هم مربوط می‌شوند.
(3-1) V=εvهم چنین سرعت متوسط بر روی مستطیلی به مساحت∆y∆z از رابطه زیر به دست می‌آید:
(3-2) u=1∆y∆z0∆z0∆yupdydzدر رابطه (3-2)، up، سرعت حفره‌ای در ماده متخلخل است. به علت اینکه ∆y و ∆zدر مقایسه با اندازه سیستم کوچک هستند لذا u را به عنوان مولفه‌ای از سرعت متوسط‌گیری شده سطحی در یک نقطه از جریان در نظر می‌گیرند. مولفه‌های دیگر را می‌توان مشابه رابطه فوق تعریف کرد:
(3-3) v=1∆x∆z0∆x0∆zvpdzdx(3-4) w=1∆x∆y0∆y0∆xwpdxdyبنابراین تحلیل‌هایی که بر روی جریان سیال در محیط متخلخل انجام می‌شود مولفه‌های همین سرعت متوسط‌گیری شده صفحه‌ای خواهد بود. این مبحث درست مشابه مبحث متوسط‌گیری زمانی از مولفه‌های سرعت در مبحث آشفتگی است. به این صورت که هنگام متوسط‌گیری مکانی ممکن است بخشی از اطلاعات از دست برود. بنابراین جواب معادلات حاکم نمی‌تواند تمام شرایط مرزی را ارضاء کند.
3-4 معادلات حاکم در محیط متخلخلمعادله پیوستگی: در ابتدا فرض می‌شود که محیط متخلخل به صورت یک محیط پیوسته بر پایه حجم معیار اولیه بنا شده است. یک سیستم مختصات ثابت بر این محیط در نظر گرفته می‌شود و احجام کنترل معیار نسبت به مقیاس حجم حفره‌ها به اندازه کافی بزرگ انتخاب می‌شود تا مقادیر متوسط وابسته به حجم المان‌ها نباشد. برای بدست آوردن معادله پیوستگی در حجم کنترل کافی است که از بقای جرم با توجه به مقدار تخلخل در محیط استفاده کرد. ابتدا یک حجم کنترل واحد از محیط در نظر گرفته می‌شود. نرخ افزایش جرم سیال درون این حجم برابر است با ∂ερf∂t. شار جرمی خالص به درون حجم کنترل نیز برابر -∇ρfv می‌باشد. با فرض عدم وابستگی تخلخل به زمان نتیجه می‌شود:
(3-5) ε∂ρf∂t+∇ρfv=0برای جریان غیرقابل تراکم، معادله پیوستگی برای یک محیط متخلخل، درست مشابه معادله پیوستگی برای جریان با سیال آزاد است.
لذا برای جریان غیرقابل تراکم:
(3-6) ∂u∂x+∂v∂y+∂w∂z=0معادله مومنتوم: هنگامیکه جریان سیال از محیط متخلخل عبور می‌کند، ذرات جامد نیرویی بر سیال وارد می‌کنند که طبق قانون سوم نیوتن درست برابر نیروی پسای وارد بر ذرات جامد و در جهت مخالف آن می‌باشد. این نیرو باید با گرادیان فشار به تعادل برسد. بنابراین برای جریان گذرنده از یک حجم کنترل در هر جهتی خواهیم داشت:
نیروی خالص لزج وارد بر حجم کنترل = تفاوت مومنتوم سیال خروجی با ورودی
نیروی فشار خالص وارد بر حجم کنترل + نیروی پسای وارد بر ذرات حجم کنترل - (3-7) نیروی شناوری خالص + در سال 1856 که برای اولین بار مدل مشهور دارسی مطرح شد، این مدل تنها مدل قابل دسترسی برای بیش از پنجاه سال بود. اکنون نیز این مدل را برای حل بسیاری از جریانات داخل محیط‌های متخلخل استفاده می‌کنند. درحقیقت این مدل امروزه به ویژه برای کاربردهای جریانات داخلی زمین به کار می‌رود. آنچه که در مورد مدل دارسی واضح است این است که این مدل برای تمام جریانات موجود در محیط‌های متخلخل جواب مناسب را نمی‌دهد. زیرا در این مدل فرض شده که سرعت جریان پایین است که به تبع آن می‌توان از تغییرات مومنتوم و نیروهای لزجت در برابر نیروی پسای وارد بر ذرات صرفنظر کرد. لذا دانشمندان شروع به دادن پیشنهادات برای اضافه کردن جملاتی به این مدل کردند.

شکل3-5: حجم کنترل در نظر گرفته شده]27[در این مدل اگر جریان گذرنده از یک حجم کنترل مانند شکل (3-5) باشد آنگاه:
نیروی پسای وارد بر ذرات در حجم کنترل در هر جهت = نیروی فشاری خالص بر حجم کنترل
(3-8) نیروی شناوری + همانطور که مشخص است در رابطه‌ی فوق از نیروهای حجمی صرفنظر شده است. در این حالت برای جهت x، از معادله (3-2) می‌توان نوشت:
(3-9) ρdydz-p+∂p∂xdxdydz=DfxDfx در رابطه (3-9) برابر نیروی پسای خالص می‌باشد. بنابراین: