Füzyon reaktörü EAST: Kararlı plazma için Çin kırılma yoğunluğu sınırı

yakın bildirim

Bu makale İngilizce olarak da mevcuttur. Teknik yardımla tercüme edildi ve yayınlanmadan önce editoryal olarak gözden geçirildi.

Bunu bir daha gösterme.

Çinli bilim insanları, “yapay güneş” olarak da bilinen ve olağan yoğunluk sınırının artık geçerli olmadığı EAST (Deneysel Gelişmiş Süper İletken Tokamak) füzyon reaktörünü (Deneysel Gelişmiş Süper İletken Tokamak) kullanarak ilk kez teorik olarak tahmin edilen bir çalışma rejimine ulaştıklarını söylüyorlar: Plazma kararsız hale gelmeden, Greenwald sınırı olarak adlandırılan sınırın yüzde 30 ila 65 üzerinde bir plazma yoğunluğu elde ettiler. Ekibe göre bu, araştırmacıların Science Advances dergisinde bildirdiği gibi “yoğunluksuz rejimin” ilk deneysel kanıtıydı.

Füzyon için yoğunluk neden önemlidir?

Nükleer füzyon sırasında, hafif atom çekirdekleri (tipik olarak hidrojen varyantları döteryum ve trityum) daha ağır helyum çekirdeklerine kaynaşır. Bu süreç muazzam bir enerji açığa çıkarır ve aynı zamanda güneşimize de güç verir. Reaksiyonun Dünya'daki bir reaktörde çalışabilmesi için plazmanın üç koşulu karşılaması gerekiyor: 100 milyon derecenin üzerinde aşırı yüksek sıcaklıklar, yeterince uzun bir hapsetme süresi ve mümkün olan en yüksek yoğunluk. Küçük bir alanda ne kadar çok parçacık bir araya gelirse, o kadar sık ​​çarpışır ve birleşirler ve o kadar fazla enerji açığa çıkar. Aslında füzyon gücü yakıt yoğunluğunun karesiyle orantılıdır.

Greenwald sınırı engel teşkil ediyor

Plazmayı güçlü manyetik alanlarla çevreleyen halka şeklindeki reaktörler olan tokamaklarda, ulaşılabilir plazma yoğunluğu için ampirik bir üst sınır vardır. Adını ABD'li fizikçi Martin Greenwald'dan alan bu sınır, plazmanın kararsız hale gelip çöktüğü noktayı tanımlıyor. Bu tür “kesintiler” reaktöre zarar verebilir ve bundan kaçınılmalıdır. Araştırmacılara göre EAST'taki olağan çalışma aralığı Greenwald yoğunluğunun 0,8 ila 1,0'ı kadardır.

Greenwald sınırı önceki deneylerde zaten aşılmıştı; örneğin tokamaks ASDEX Yükseltme ve DIII-D'de pelet enjeksiyonu kullanılarak sınırdan yaklaşık 1,5 kat daha yüksek yoğunluklara ulaşıldı. Ancak EAST deneylerinde yeni olan yöntem ve teorik çerçevedir.

Önceki deneylerle karşılaştırma

Mayıs 2024'te ABD DIII-D tokamak üzerinde çalışan bir ekip Greenwald sınırını yüzde 20 oranında aştı – ancak yalnızca 2,2 saniye için. Yayınlanan verilere göre, EAST'taki Çin deneyleri yaklaşık 6 ila 7 saniye süren, yani yaklaşık üç kat daha uzun süren plazma deşarjları elde etti. Ek olarak, elde edilen yoğunluk Greenwald sınırının yüzde 65'e kadar üzerindeydi; bu da ABD deneylerinin değerini önemli ölçüde aştı.

Daha yüksek yoğunluk ve daha uzun sürenin bu kombinasyonu, yöntemin daha kararlı bir çalışma moduna olanak sağladığını öne sürüyor. Bu, gelecekteki füzyon enerji santralleri için çok önemli olacaktır: Yüksek yoğunlukları dakikalarca, hatta saatlerce muhafaza edebilmeleri gerekir.

Mikrodalga ısıtma ve daha yüksek gaz basıncı anahtardır

Hefei'deki EAST ekibi, reaktörün başlatma aşamasında iki önlemi birleştirdi: Bir yandan, araştırmacılar elektron siklotron rezonans ısıtması (ECRH) adı verilen yöntemi kullandılar; bu, özellikle plazmadaki elektronları ısıtan ışınlama mikrodalgalarını içerir. Öte yandan döteryum yakıt gazının başlangıç ​​basıncını arttırdılar.

Bu kombinasyon, reaktör duvarlarında plazmanın daha soğuk bir kenar bölgesi ile sonuçlandı. Bu çok önemlidir: Daha düşük sıcaklıklarda, duvar malzemesinden (burada tungsten) daha az sayıda atom dışarı atılır. Aksi takdirde bu safsızlıklar plazmaya girecek ve enerji yayarak onu soğutacaktır. Plazma-duvar etkileşimini baştan optimize ederek yabancı maddeler ve enerji kayıpları azaltıldı. Daha temiz plazmayla yoğunluk Greenwald sınırının 1,3 ila 1,65 katına ulaşsa bile deşarj sabit kaldı.

Teori ilk kez Fransız fizikçiler tarafından doğrulandı

Yazarlara göre deneyler, Fransız araştırma merkezi CNRS ve Aix-Marseille Üniversitesi'nden Dominique Escande liderliğindeki fizikçiler tarafından 2022'de ortaya atılan “plazma duvarı kendi kendini organize etme” (PWSO) teorisini doğruluyor. Bu, iki çalışma aralığını birbirinden ayırır: Klasik “yoğunluk sınırı rejiminde”, reaktör duvarlarındaki plazma sıcaklığı nispeten yüksektir, bu da duvar malzemesinin daha fazla uzaklaştırılmasına yol açar – burada iyi bilinen Greenwald sınırı geçerlidir. Ancak “yoğunluksuz rejim” olarak adlandırılan rejimde duvar sıcaklığı o kadar düşüktür ki neredeyse hiçbir malzeme uzaklaştırılmaz ve plazma temiz kalır. “Yoğunluksuz” terimi, plazmanın yoğunluğunun olmadığı anlamına gelmez; bunun yerine artık pratik bir yoğunluk sınırının olmadığı anlamına gelir; teorik üst sınır son derece yüksek değerlere kayar.

Teoriye göre, yoğunluksuz rejime ulaşmanın anahtarı, duvar malzemesi olarak tungsten gibi yüksek sıcaklıktaki metallerin kullanılmasıdır: Ağır metal, örneğin karbonun aksine, düşük sıcaklıklarda plazmaya neredeyse hiç parçacık salmaz. Araştırmacılara göre EAST deneyleri bu kavramı ilk kez deneysel olarak doğruladı.

EAST reaktörü Ocak 2025'te zaten bir rekor kırmıştı: O zamanlar, plazmayı neredeyse 18 dakika boyunca 100 milyon santigrat derecenin üzerinde sabit tutmayı başarmıştı. Yoğunluk sınırına ilişkin şu anda yayınlanan sonuçlar farklı bir dizi deneyden geliyor ve füzyon araştırmasının farklı bir yönünü ele alıyor: Ocak rekoru hapsetme süresini maksimuma çıkarırken, artık amaç mümkün olan en yüksek yoğunluğu elde etmekti; daha önce birbirini sınırlayan iki parametre.

Gelecekteki reaktörler için önemi

Sonuçlar füzyon reaktörlerinin performansını artırmanın bir yolunu gösterebilir. Prensip olarak süreç, şu anda güney Fransa'da inşa edilen ve Çin'in de dahil olduğu uluslararası araştırma reaktörü ITER dahil olmak üzere diğer tesislere de aktarılabilir. Almanya'da Max Planck Plazma Fiziği Enstitüsü iki önemli test tesisini işletiyor: Garching'deki ASDEX Yükseltme tokamak ve Greifswald'daki Wendelstein 7-X yıldızlaştırıcı.

Bir sonraki adım olarak Çinli araştırmacılar, süreci, plazmanın bir kenar bariyeri ile çevrelendiği ve daha az enerji kaybettiği, özellikle verimli bir çalışma modu olan H-modunda test etmek istiyorlar. Doç. Dr. Yan, “Yüksek güçlü plazma koşulları altında yoğunluksuz rejime ulaşmak için EAST'taki yüksek karantina operasyonu sırasında yeni yöntemi yakında uygulamayı planlıyoruz” dedi. Eğer bu başarılı olsaydı, ticari nükleer füzyona giden uzun yolda bir adım daha atılmış olacaktı.

(vza)