Füzyon Reaksiyonunu Başlatmak İçin Daha Ucuz Bir Yol Bulundu

Füzyon enerjisinde yetmiş yıldır konuşulan temel soru şudur: bir plazmayı kendi kendini ısıtacak hale, yani tutuşmaya (ignition) nasıl getiririz? Princeton Plazma Fiziği Laboratuvarı’ndan (PPPL) üç fizikçi, bu soruya “ne kadar sıcak ve yoğun” kadar “hangi yoldan” sorusunu da ekleyen bir kuramsal çalışmayla yanıt arıyor. Sonuçlarına göre önce plazmayı ısıtıp yoğunluğu sonradan artırmak, çok daha az enerjiyle tutuşmaya götürebilir. Çalışma Physical Review Letters dergisinde yayımlandı.

Lawson ölçütü neyi söylüyor, neyi söylemiyor?

1950’lerde geliştirilen Lawson ölçütü (Lawson criterion), füzyon plazmasının kendini sürdürebilmesi için sıcaklık, yoğunluk ve enerjinin hapsedilme süresinin birlikte ulaşması gereken eşiği tanımlar. Ama ölçüt bir hedefi gösterir; oraya giden yolu göstermez. Dağın zirvesinin yüksekliğini bilmek, hangi patikanın en az yorucu olduğunu söylemez.

Luis Delgado-Aparicio, Masayuki Ono ve Jonathan Menard, ölçütü genişleterek dört gerçekçi etkiyi hesaba kattı: füzyonun artığı olan helyum külünün birikmesi, reaktör duvarlarından sızan hafif ve ağır safsızlıklar, yüklü parçacıkların yaydığı sinkrotron ışıması ve sıcaklıkla artan ısı kaybı. Bunları dahil edince ortaya, tutuşmaya ulaşma koşullarını gösteren daha ayrıntılı bir “arazi haritası” çıktı.

Cordey eyeri: dağ geçidi benzetmesi

Bu haritada Cordey eyeri (Cordey saddle) adı verilen bir nokta var: dışarıdan ısıtma gerektiren plazmalarla kendi kendini yakabilenleri ayıran sırtın en alçak noktası. Saf yakıttan oluşan ideal bir plazmada bu eyer yaklaşık Q = 5 civarında bulunuyor. Burada Q, füzyonla üretilen gücün dışarıdan verilen ısıtma gücüne oranı. Gerçek makinelerde safsızlıklar ve çok güçlü manyetik alanlar eyeri kaydırıyor ve gereken Q’yu yükseltiyor.

Delgado-Aparicio’nun benzetmesi şöyle: tepeye doğrudan tırmanmak yerine geçitten dolaşmak. Önce sıcaklığı yükseltip yoğunluğu sonra artırmak, bu geçide daha az enerjiyle ulaştırabilir. “Tepenin etrafından dolaş. Aynı yere çok daha akıllı varırsın ve çok daha az enerji harcarsın.”

Tungsten duvarların uyarısı

Çalışmanın en dikkat çekici uyarısı duvar malzemesiyle ilgili. Yeni nesil onlarca füzyon makinesi, aşırı ısıya dayanıklılığı nedeniyle tungsten duvar planlıyor. Hesaplara göre plazmadaki her on binde bir oranındaki tungsten safsızlığı, tutuşma için gereken basıncı kabaca ikiye katlayabiliyor. Bu sonuç iki boyutlu modelden geliyor; üç boyutlu analizde gereken basınç, plazmanın kararlı kalabileceği sınırı bile aşabiliyor. Ono’nun ifadesiyle, bu etkiler hesaptan dışarıda bırakıldığında tasarım sorunsuz çalışacakmış gibi görünür.

İlginç bir ters yan etki de var: tutuşmayı zorlaştıran aynı kayıplar, füzyon ısısının daha fazla füzyonu tetiklediği kaçak döngüyü (thermal runaway) da frenleyebiliyor. Bu da yanan bir plazmanın kendiliğinden daha kararlı kalmasına yardım edebilir. Bir füzyon sisteminde yalnızca saniyeler yetecek kadar yakıt bulunduğundan, kontrol kaybı halinde plazma soğur ve reaksiyon durur.

Çıkış yolları ve Fizik köşesi

Ekibin önerdiği iyileştirmeler arasında, tungstenin plazmaya girişini engelleyen ve ısı tutmayı iyileştiren sıvı lityum duvar kaplamaları ile füzyon hızını artıran spin kutuplu yakıt (çekirdek spinleri önceden hizalanmış) var. Sonuçlar hem tokamaklar hem stellaratörler için geçerli.

Q tanımını anımsayalım; basitçe:

$$Q=\frac{P_{\mathrm{füzyon}}}{P_{\mathrm{ısıtma}}}$$

Döteryum–trityum füzyonunda bir tepkime yaklaşık \(17{,}6\ \mathrm{MeV}\) açığa çıkarır; bunun \(3{,}5\ \mathrm{MeV}\)’lik kısmı yüklü alfa parçacığına gider ve plazmada tutulup onu ısıtır, \(14{,}1\ \mathrm{MeV}\) nötron ise kaçar. Alfa payı yaklaşık beşte birdir. Dolayısıyla \(Q=5\) iken alfa parçacıklarının sağladığı kendi kendine ısıtma, dışarıdan verilen ısıtmaya eşit olur; \(Q\)’nun daha büyük değerlerinde plazmanın ısınması ağırlıklı olarak kendi füzyonundan gelir. Bu basit hesap, ideal plazmada eyerin neden \(Q\approx5\) civarında olduğunu sezgisel olarak hatırlatır (bu yorum bana aittir, makalenin hesabı çok daha ayrıntılıdır).

Henüz bilinmeyenler

Bu çalışma tamamen kuramsal. Mevcut deneylerin hiçbiri Cordey eyeriyle ilişkili sıcaklıklara ulaşmış değil, dolayısıyla önerilen yol deneysel olarak sınanmadı. Ekip sıradaki adım olarak sayısal deneyler yapmayı planlıyor. Başka bir deyişle sonuç, füzyon tasarımcıları için bir pusula sunuyor; yol haritasının kendisi değil.

Kaynak: L. Delgado-Aparicio, M. Ono, J. Menard, “Generalized Lawson-Cordey-Mills Accessibility of Fusion Ignition”, Physical Review Letters, DOI: 10.1103/mmc9-nzfx. Kurum duyurusu: PPPL / Newswise; haber özeti: ScienceDaily.