Yeni araştırmada bilim insanları, füzyon reaktörlerinin performansını olumsuz etkilediği düşünülen plazma kararsızlığının, belirli koşullarda tam tersine reaktörün çalışmasını iyileştirebileceğine dair ilk deneysel kanıtları elde etti.
Nükleer füzyon çalışmaları, Güneş'e ve diğer yıldızlara enerji sağlayan süreci Dünya'da kontrollü biçimde gerçekleştirerek son derece güçlü ve sonsuz bir enerji kaynağı yaratmayı amaçlıyor. Ancak onlarca yıllık araştırmalara rağmen, ticari ölçekte enerji üretmek için gereken atılım hâlâ yapılamadı.
REKLAM
REKLAM
Deneysel füzyon reaktörlerinde en yaygın tasarımlardan biri "tokamak" adı verilen halka biçimli sistemler.
Tokamaklarda çok güçlü manyetik alanlar kullanılarak plazma yaklaşık 150 milyon santigrat dereceye, yani Güneş'in çekirdeğindeki sıcaklığın yaklaşık 10 katına kadar ısıtılıyor.
Bu olağanüstü sıcaklıklarda hidrojenin ağır izotoplarının çekirdekleri birleşerek daha ağır atom çekirdekleri oluşturabiliyor. Füzyon adı verilen bu süreç sırasında büyük miktarda enerji açığa çıkıyor.
Ancak bunu kontrollü ve sürdürülebilir biçimde gerçekleştirmek son derece zor.
En büyük sorunlardan biri: Plazmanın ısı kaybetmesi
Tokamak araştırmalarındaki temel problemlerden biri, aşırı sıcak plazmanın içerisinde meydana gelen türbülans.
Plazmanın içinde oluşan düzensiz hareketler ve dalgalanmalar, enerjinin reaktörün merkezinden dışarıya doğru taşınmasına neden olabiliyor. Başka bir deyişle plazma, füzyon reaksiyonlarının sürdürülebilmesi için gerekli ısıyı kaybediyor.
Bu nedenle bilim insanları uzun süredir plazmadaki kararsızlıkların türbülansı artırdığını ve bunun da plazmanın hapsedilmesini zorlaştırdığını düşünüyor.
Ancak yeni bir araştırma, plazmadaki kararsızlıklarla türbülans arasındaki ilişkinin sanıldığından çok daha karmaşık olabileceğini gösteriyor.
Bulgular, bazı koşullarda plazmadaki belirli kararsızlıkların beklendiği gibi türbülansı ve enerji kaybını artırmak yerine farklı bir etki yaratabileceğine işaret ediyor.
Bu durum doğrulanırsa, füzyon reaktörlerinde plazmanın nasıl kontrol edilmesi gerektiğine ilişkin uzun süredir kabul gören bazı varsayımların yeniden değerlendirilmesi gerekebilir.
Sorun sanılan plazma dalgaları türbülansı azaltabilir
Yeni araştırmada bilim insanları, füzyon reaktörlerinin performansını olumsuz etkilediği düşünülen plazma kararsızlığının, belirli koşullarda tam tersine reaktörün çalışmasını iyileştirebileceğine dair ilk deneysel kanıtları elde etti.
Physical Review Letters adlı hakemli dergide yayımlanan araştırma, ABD'nin Kaliforniya eyaletindeki DIII-D Ulusal Füzyon Tesisi'nde gerçekleştirildi. Kuzey Amerika'da faaliyette olan en büyük tokamak olan DIII-D üzerinde yapılan deneyler, "Alfvén özmodları" (Alfvén eigenmodes - AE) adı verilen plazma dalgalarının türbülansı baskılayan bir tür kendini düzenleme mekanizması oluşturabileceğini gösterdi.
Alfvén özmodları şimdiye kadar füzyon açısından daha çok bir sorun olarak görülüyordu. Bunun nedeni, bu dalgaların yüksek enerjili parçacıkların plazma içerisinde tutulmasını zorlaştırabilmesi ve dolayısıyla reaktörün performansını düşürebilmesiydi.
Ancak yeni deneyler, teorik çalışmaların ve bilgisayar simülasyonlarının daha önce işaret ettiği farklı bir mekanizmaya dair kanıt sundu.
Türbülansı bastıran akımlar oluşturuyor
Araştırmacılara göre Alfvén dalgaları, plazmanın içerisinde elektrik akımlarını ve belirli plazma akışlarını tetikleyebiliyor. Bunlar da plazmanın farklı katmanlarının farklı hızlarda hareket ettiği "kesme akışı" (shear flow) adı verilen bir yapı meydana getiriyor.
Kesme akışı, plazma içerisindeki türbülanslı girdapların oluşmasını veya büyümesini engelleyebiliyor.
Bunun füzyon açısından önemli bir sonucu var: Türbülans azaldığında plazmanın merkezindeki ısı dışarıya daha yavaş taşınıyor. Böylece elektronlar ve iyonlar daha yüksek sıcaklıklarda tutulabiliyor.
Başka bir deyişle, normalde reaktörün performansına zarar verdiği düşünülen bir plazma kararsızlığı, belirli koşullarda ısı kaybını azaltan bir mekanizmayı harekete geçiriyor olabilir.
Plazmanın sıcaklığını mümkün olduğunca uzun süre korumak, füzyon reaktörlerinin önündeki temel sorunlardan biri. Çünkü atom çekirdeklerinin birleşmesini sağlayacak füzyon reaksiyonlarının sürdürülebilmesi için plazmanın yaklaşık 100 milyon derece veya üzerindeki sıcaklıklarda tutulması gerekiyor.
Manyetik alandaki değişim ölçüldü
Bilim insanları söz konusu mekanizmayı araştırmak için "Motional Stark Effect" (MSE) adı verilen bir ölçüm tekniğinden yararlandı.
DIII-D tokamağında bu sistem, plazmanın içine nötr döteryum atomlarından oluşan bir ışın gönderiyor. Araştırmacılar daha sonra plazmanın manyetik alanının bu atomlardan yayılan ışığın polarizasyonunu nasıl değiştirdiğini ölçerek reaktörün içerisindeki manyetik yapıyı belirleyebiliyor.
Bu ölçümler sonucunda araştırmacılar, plazma fiziğinde "güvenlik faktörü" diye bilinen parametrede değişiklik tespit etti.
Güvenlik faktörü, tokamak içerisindeki manyetik alan çizgilerinin halka biçimli plazmanın çevresinde nasıl sarmallar oluşturduğunu tanımlıyor. Bu yapı, aşırı sıcak plazmanın reaktör duvarlarına temas etmeden manyetik alan içerisinde hapsedilmesinde kritik önem taşıyor.
Araştırmacılar yalnızca 20 milisaniyelik süre içerisinde güvenlik faktöründe yaklaşık yüzde 5'lik bir değişim ölçtü.
Ekibe göre bu değişim, Alfvén özmodlarının oluşturduğu "zonal akımların" varlığına dair deneysel bir kanıt niteliğinde ve teorik tahminlerle de uyum gösteriyor.
Füzyondaki bir sorun kendi kendini sınırlıyor olabilir
Sonuçlar ilk bakışta çelişkili görünüyor. Öte yandan, füzyon reaksiyonlarını bozduğu düşünülen plazma kararsızlıkları, belirli bir enerji seviyesine ulaşıldığında kendilerini sınırlayan bir mekanizmayı harekete geçiriyor olabilir.
Alfvén dalgalarının oluşturduğu elektrik akımları, türbülansı parçalayan kesme akışlarını güçlendiriyor; türbülansın azalması ise plazmanın merkezindeki ısının daha iyi korunmasını sağlıyor.
Bu da füzyon reaksiyonlarının gerçekleşmesi için daha elverişli koşullar yaratabilir.
Ancak araştırma, mevcut tokamakların artık bu mekanizma sayesinde kolaylıkla daha fazla enerji üretebileceği anlamına gelmiyor. Bilim insanlarının söz konusu süreci kontrollü biçimde kullanmanın bir yolunu bulması gerekiyor.
Bununla birlikte çalışma, füzyon araştırmalarında uzun süredir "zararlı" olarak değerlendirilen bazı plazma kararsızlıklarının daha karmaşık bir role sahip olabileceğini ortaya koyuyor.
Eğer mekanizma gelecekteki deneylerde doğrulanır ve kontrol edilebilir hale getirilirse, türbülans nedeniyle meydana gelen ısı kayıplarını azaltmanın yeni bir yolu olarak gelecekteki füzyon reaktörlerinin tasarımında kullanılabilir.