Kavanozda bir yıldız üretmek için, yani Dünya üzerinde Güneş'in ve diğer yıldızların füzyon yolu ile enerji üretmelerini laboratuvar ortamında taklit etmek için öncelikle söz konusu aşırı sıcak plazmayı içinde barındırabilecek bir kap ya da kavanoz gerek. Kavanozun yani füzyon aygıtının dünya çapında inşa edilebilecek kadar düşük maliyetli olması da önemli elbette. Bu tür bir aygıt sayesinde, insanlık neredeyse sınırsız bir enerji kaynağına sahip duruma gelebilir ve elektrik üretimi için fosil yakıtlara duyulan bağımlılık son bulabilir.

Princeton Plazma Fiziği Laboratuvarı'nda (PPPL) çalışan fizikçiler, böyle bir kavanoz modelinin deneysel formda mevcut olduğunu belirtiyor: PPPL'de ve İngiltere Culham'da bulunan kompakt küresel tokamaklar. Bu tokamaklar, yani füzyon reaktörleri, füzyon enerjisi yolunda bir sonraki adımın atılması için gerekecek olası tasarıma bir örnek oluşturabilir.

Geleceğin Enerji Santralleri

Plazma kavanozu için ayrıntılı öneri, Nuclear Fusion dergisinin Ağustos 2016 tarihli sayısında yayımlanan bir makalede yer alıyor. Başyazar Jonathan Menard, ileride kurulacak enerji santralleri için yeni seçenekler sunduklarını ifade ediyor. Menard, PPPL'de bulunan NSTX (İng. National Spherical Torus Experiment ) deneyinin yakın zamanda tamamlanan yükseltme programının (NSTX-U) yöneticiliğini yapmıştı. 94 milyon dolara mal olan yükseltmenin ardından, geçtiğimiz yıl deney işletilmeye başlanmıştı.

Küresel tokamaklar, geleneksel simit biçimli tokamaklara kıyasla daha kompakt cihazlar olup, göbeği çıkarılmış elmalara benzerler. Yükseltilen PPPL makinesinin artan gücü ve yakında tamamlanacak olan MAST Yükseltme cihazı ile bu cihaz türü ticari füzyon santrali olmaya bir adım daha yaklaşıyor. Güvenli, temiz ve neredeyse limitsiz bir enerji üretebilecekleri düşünülen bu santraller, küresel ısınmaya neden olan sera gazı da salmıyor ve ayrıca uzun dönemli radyoaktif atık üretmiyor.

PPPL direktörü Stewart Prager, NSTX-U ve MAST tesislerinin fiziğin sınırlarını zorlayacağını, yüksek sıcaklıklı plazmalar hakkındaki bilgimizi artıracaklarını ve eğer başarılı olurlarsa, füzyon geliştirme yolunda daha kompakt tasarımlara dayanan bilimsel temelleri ortaya koyacaklarını söylüyor.

Aygıtların çok sayıda fiziksel güçlükle karşılaştıkları da bir gerçek. Örneğin aşırı sıcak plazma parçacıkları çok güçlü elektromanyetik alanlara maruz kaldığında oluşan türbülansın kontrol edilmesi gerekiyor. Ayrıca plazma parçacıklarının duvarlarla etkileşimlerini de dikkatle kontrol altına alınmalı ve füzyon tepkimelerini kesebilecek plazma yoğunlaşması ya da plazma saflığının bozulması gibi durumlara karşı tetikte olmak gerekli. PPPL, Culham ve başka yerlerdeki çeşitli araştırmacılar, bu güçlüklerle başa çıkabilmek için araştırmalarını sürdürüyor.

Maddenin 4. Hali

Küresel tasarım, füzyon tepkimelerine yakıt sağlayacak olan ve maddenin dördüncü hali olarak bilinen aşırı sıcak ve elektrik yüklü gaz şeklinde, yüksek basınçlı plazmaları nispeten düşük ve ucuz manyetik alanlar ile üretiyor. Bu benzersiz beceri sayesinde, önümüzdeki yıllarda tamamlanması beklenen ITER adlı simit biçimli tokamakta yapılacak yeni nesil füzyon deneyleri için yararlı olacağı düşünülüyor.

İngiltere Culham'daki Bilim Merkezi'nde yürütülen füzyon araştırma programının lideri Ian Chapman şöyle diyor: "Küresel tokamak araştırmaları üzerinde durmamızın nedeni, geleneksel tokamaklardan daha az maliyetle füzyon üretmenin bir yolunu bulmak." Bu açıdan anahtar mesele, tokamak merkezinde yer alan ve plazmayı tutup biçimlendiren boşluğun büyüklüğü oluyor. Küresel tokamaklarda bu boşluğun büyüklüğü, geleneksel tokamaklardakinin yarısı kadar olabiliyor. Böylece plazma, çok daha düşük bir manyetik alanla kontrol edilebiliyor.

Daha küçük boşluk, FNSF (İng. The Fusion Nuclear Science Facility) için trityum (ender rastlanan bir hidrojen izotopu) çoğaltımı için uygun olabilir. Trityum, bir başka hidrojen izotopu olan döteryum ile birleşerek, füzyon tepkimeleri üretebilir.

Süperiletken Mıknatıslar

Araştırmacılar, örnek santraller için FNSF'de bulunan birincil bakır mıknatısların, süperiletken mıknatıslar ile değiştirmeleri gerektiğini belirtiyor. Süperiletken mıknatıslar çok daha verimli işler, fakat daha kalın koruma kalkanı gerekecektir. Bununla birlikte, yüksek sıcaklıklı süperiletkenler konusundaki ilerlemeler sayesinde daha ince süperiletken mıknatıslar yapılabilir.

Yayımladıkları makalede ekip ayrıca "yüksüz ışın enjektörü" adında bir cihaz tanımlıyor. Bu aygır, tokamakın merkezindeki bir ısıtma ünitesine dayanmadan plazma akımını başlatıp sürdürebiliyor. Isıtma ünitesi, uzun süreli işlemesi düşünülen bir makine için uygun olmaz. Yüksüz ışın enjektörü, hızlı hareket eden nötr atomları plazmaya pompalar ve aşırı sıcak gazı sınırlayıp kontrol eden manyetik alanın optimizasyonuna yardımcı olur.

Tüm bunlar düşünüldüğünde, Dünya üzerinde yaratılacak bir küçük "kavanoz yıldızı" için bu tür küresel tokamak tesislerinin önemli bir adım olabileceği anlaşılıyor. Yükseltilen NSTX ve MAST tesisleri, füzyondan elektrik eldesi için en iyi yöntemlere ilişkin kritik veriyi bize sağlayacak.

---

Kaynak: EurekAlert, "Spherical tokamaks could provide path to limitless fusion energy"
< http://www.eurekalert.org/pub_releases/2016-08/dppl-stc082616.php >

İlgili Makale: "Fusion nuclear science facilities and pilot plants based on the spherical tokamak". J.E. Menard et al. Published 16 August 2016. Nuclear Fusion, Volume 56, Number 10

---