Füzyon, gelecekteki enerjinin en umut verici kaynaklarından biridir. İki atom çekirdeğinin birleşmesi ve böylece büyük miktarda enerjinin serbest bırakılması ile oluşmaktadır. Aslında, her gün füzyon yaşıyoruz: Güneşin sıcaklığı, daha ağır helyum atomlarına dönüşen hidrojen çekirdeklerinden gelmektedir. Şu anda, Dünya’da enerji yaratmak için Güneş’in füzyon süreçlerini çoğaltmayı amaçlayan ITER adlı uluslararası bir füzyon araştırma projesi yürütülmektedir.
Amacı, füzyonun gerçekleşmesi için doğru ortamı sağlayan ve enerji üreten yüksek sıcaklıklı plazmanın oluşturulmasıdır. Plazmalar bir gaza benzer iyonize bir madde halidir.
Pozitif yüklü çekirdeklerden ve negatif yüklü elektronlardan oluşur. Soluduğumuz havadan neredeyse bir milyon kat daha az yoğundur.
Plazmalar, “füzyon yakıtı” – hidrojen atomları – aşırı yüksek sıcaklıklara (Güneş çekirdeğinin 10 katı) maruz bırakılarak elektronları atom çekirdeklerinden ayrılmaya zorlayarak oluşturulur. İşlem, “tokamak” adı verilen (“toroidal”) bir yapının içinde gerçekleşir.
Epfl’de bulunan füzyon alanında dünyanın önde gelen araştırma enstitülerinden biri olan İsviçre Plazma Merkezi’nden Paolo Ricci, ”Füzyon için plazma oluşturmak için üç şeyi göz önünde bulundurmanız gerekir: yüksek sıcaklık, yüksek hidrojen yakıtı yoğunluğu ve iyi hapsetme” diyor.
Ricci’nin ekibi şimdi plazma üretiminin temel ilkesini güncelleyen bir çalışma yayınladı. Çalışmada daha önce düşünülenden daha fazla füzyon enerjisi üretebileceğini gösteriyor.
Ricci, ”Bir tokamak içinde plazma üretmedeki sınırlamalardan biri, içine enjekte edebileceğiniz hidrojen yakıtı miktarıdır” diyor.
“Füzyonun ilk günlerinden beri, yakıt yoğunluğunu arttırmaya çalışırsanız, bir noktada ‘bozulma’ dediğimiz şeyin olacağını biliyorduk. Oluşan plazmanın dağılır. Seksenli yıllarda insanlar, bir tokamak içine koyabileceğiniz maksimum hidrojen yoğunluğunu tahmin edebilecek bir tür yasa çıkarmaya çalışıyorlardı.”
1988’de füzyon bilimcisi Martin Greenwald’ın yakıt yoğunluğu ile ilgili bir teori oluşturmuştu. Tokamak’ın küçük yarıçapı ve tokamak’ın içindeki plazmada akan akım ile ilişkilendiren bir teori idi. O zamandan beri, “Greenwald sınırı” füzyon araştırmasının temel ilkesi olmuştur.
Aslında, ITER’in tokamak oluşturma stratejisi buna dayanmaktadır. Ricci, ”Greenwald yasayı ampirik olarak, yani tamamen deneysel verilerden türetmiştir. Test edilmiş bir teori değil, ya da ‘ilk ilkeler’ dediğimiz şey” diye açıklıyor Ricci.
“Yine de, sınır araştırması için oldukça başarılı idi. Ve bazı durumlarda, bu denklem operasyonlar için büyük bir sınır oluşturur çünkü yakıt yoğunluğunu belirli bir seviyenin üzerine çıkaramayacağınızı söyler.”
Diğer tokamak ekipleriyle birlikte çalışan İsviçre Plazma Merkezi, bir tokamak içine enjekte edilen yakıt miktarını hassas bir şekilde kontrol etmek için son derece gelişmiş teknolojiyi kullanmanın mümkün olduğu bir deney tasarladı.
Büyük deneyler, dünyanın en büyük tokamaklarında, Birleşik Krallık’taki Ortak Avrupa Torus’unda (JET) ve Almanya’daki ASDEX Yükseltmesinde (Max Plank Enstitüsü) ve EPFL’nin kendi TCV tokamak’ında gerçekleştirildi.
Bu büyük deneysel çaba, Avrupa’daki füzyon araştırmalarını koordine eden ve EPFL’nin şu anda Almanya’daki Max Planck Plazma Fiziği Enstitüsü aracılığıyla katıldığı Avrupa organizasyonu EUROfusion Konsorsiyumu tarafından mümkün kılındı.
Aynı zamanda, Ricci’nin grubundaki doktora öğrencisi Maurizio Giacomin, yakıt yoğunluğunu ve tokamak boyutunu ilişkilendirebilecek bir birinci ilkeler yasası çıkarmak için tokamaklardaki yoğunluğu sınırlayan fizik süreçlerini analiz etmeye başladı.
Bununla birlikte, bunun bir kısmı, bir bilgisayar modeli ile gerçekleştirilen plazmanın gelişmiş simülasyonunu kullanmayı içeriyordu.
Ricci, ”Simülasyonlar, CSCS, İsviçre Ulusal Süper Hesaplama Merkezi ve EUROfusion tarafından sağlananlar gibi dünyanın en büyük bilgisayarlarından bazılarını kullanıyor” diyor.
“Ve simülasyonlarımızla bulduğumuz şey, plazmaya daha fazla yakıt ekledikçe, parçalarının tokamak’ın dış soğuk tabakasından, sınırdan çekirdeğine geri dönmesiydi, çünkü plazma daha türbülanslı hale geliyor.
Daha sonra, ısıtıldığında daha dirençli hale gelen bir elektrik bakır telinin aksine, plazmalar soğuduklarında daha dirençli hale gelir. Yani, aynı sıcaklıkta içine ne kadar fazla yakıt koyarsanız, o kadar fazla kısmı soğur – ve akımın plazmada akması o kadar zor olur, bu da muhtemelen bir bozulmaya yol açar.”
Bunu taklit etmek zordu. Ricci, ”Bir akışkandaki türbülans aslında klasik fizikteki en önemli açık konudur” diyor. “Fakat bir plazmadaki türbülans daha da karmaşıktır çünkü elektromanyetik alanlarınız da vardır.”
Sonunda, Ricci ve meslektaşları kodu kırmayı başardılar. Deneylerle çok iyi uyum sağlayan bir tokamak’ta yakıt limiti için yeni bir denklem türetmek için bir çaba içine girdiler.
Çalışmaları Physical Review Letters’de yayınladı. Çalışmalarında öne sürdükleri değerler Greenwald’ın sınırına yakın olmakla hakkını veriyor, ancak önemli ölçüde güncelliyor.
Yeni denklem, Greenwald sınırının ITER’de yakıt açısından neredeyse iki kat artırılabileceğini öne sürüyor.
Bu, ITER gibi tokamakların, kesinti endişesi olmadan plazmalar üretmek için neredeyse iki kat daha fazla yakıt kullanabileceği anlamına geliyor.
Ricci, ”Bu önemlidir, çünkü bir tokamak içinde elde edebileceğiniz yoğunluğun, onu çalıştırmak için ihtiyacınız olan güçle arttığını gösteriyor” diyor.
“Aslında DEMO (ITER’in halefi) mevcut Tokamaklardan ve ITER’den çok daha yüksek bir güçte çalışacak, bu da Greenwald yasasının aksine çıkışı sınırlamadan daha fazla yakıt yoğunluğu ekleyebileceğiniz anlamına geliyor. Ve bu çok iyi bir haber.”
Kaynak: EPFL
