Çin'deki bir füzyon reaktöründe yapılan deneyler, içeride dönen aşırı ısınmış plazmanın yoğunluk sınırlarından birini aşmanın yeni bir yolunu gösterdi. Bu gelişme, temiz ve sınırsız enerji üretimi hedefinde önemli bir kilometre taşı olabilir.
Deneysel Gelişmiş Süperiletken Tokamak (EAST) tesisinde görevli fizikçiler, plazmaların şiddetli bir şekilde dengesizleştiği ve reaktör bileşenlerine zarar verebildiği bir sınır olarak bilinen Greenwald limitini başarıyla aşmayı başardılar. Uzun yıllardır füzyon reaktör mühendisliğinin temel bir parçası olarak kabul edilen Greenwald limiti, artık hassas kontrol yöntemleriyle zorlanabiliyor.
Yapılan yeni çalışmalar, plazmanın nasıl oluşturulduğu ve reaktör duvarlarıyla nasıl etkileşime girdiği üzerindeki hassas kontrolün, plazmayı bu limitin ötesine taşıyarak 'yoğunluktan bağımsız' bir rejime sokabileceğini ortaya koyuyor.
Füzyon reaktörleri, Güneş'in merkezinde gerçekleşen yoğun nükleer füzyonu taklit ederek devasa miktarda enerji üretmek üzere tasarlanmıştır. Ancak bu hedef, aşılması gereken pek çok zorlu engel barındırıyor; bunlardan biri de plazma yoğunluğudur.
Temel mantık şudur: Plazmaya ne kadar çok atom sıkıştırılırsa, o kadar çok etkileşim olur ve dolayısıyla daha fazla füzyon reaksiyonu gerçekleşerek enerji çıkışı artar. Tokamaklardaki (plazmanın manyetik alanlarla hapsedilip yönlendirildiği toroidal 'yarış pistleri') aşırı sıcak plazma sıcaklıklarında, enerji çıkışı genellikle plazma yoğunluğu ile doğru orantılıdır.
İşte Greenwald limiti, bu artışın önünde bir engel oluşturur. Bu, bir fizik yasası olmaktan ziyade, plazma yoğunluğunun bir tokamak içinde ne kadar yükseğe çıkabileceğinden önce dengesizleşip aniden çökebileceğini tahmin etmek için matematiksel olarak tanımlanabilen gözlemsel bir fenomendir.
Bunun nedeni, plazma yoğunluğu arttıkça, plazmanın daha fazla enerji yayması, sınırında daha hızlı soğumasıdır; özellikle reaktör duvarından gelen atomlar plazmaya girdiğinde bu durum şiddetlenir. Yüksek enerjili plazma parçacıkları, duvardan atomları koparır; plazma içine giren bu yabancı atomlar, enerjinin yayılma hızını artırır, bu da plazmayı daha da soğutur ve daha fazla yabancı madde salınımını tetikleyerek bir geri besleme döngüsü oluşturur.
Bu soğuma, plazmayı hapseden manyetik alanı bozarak plazmanın kaçmasına ve hızlı bir şekilde kapanmasına neden olabilir. Bu nedenle, fizikçiler manyetik füzyon reaktörlerini genellikle Greenwald limitinin altında çalıştırırlar; yalnızca onu test etmek için tasarlanmış deneyler hariç.
Ancak yakın zamanda yapılan bir teorik çalışma, plazma-duvar etkileşimlerindeki kendi kendine organizasyonun, tokamakların olağan yoğunluk sınırından kaçmasına ve bunun yerine yazarların tanımladığı 'yoğunluktan bağımsız' bir rejimde çalışmasına olanak tanıyabileceğini öne sürdü.
Huazhong Bilim ve Teknoloji Üniversitesi'nden Ping Zhu ve Çin Bilimler Akademisi'nden Ning Yan liderliğindeki bir ekip, bu teoriyi daha ileriye taşımak için basit bir öncülle bir deney tasarladı: Yoğunluk sınırı, reaktör başladığı andaki ilk plazma-duvar etkileşimlerinden büyük ölçüde etkilenir.
Araştırmacılar, deneylerinde bu etkileşimin sonucunu kasıtlı olarak yönlendirebilip yönetemeyeceklerini görmek istediler. Tokamak başlangıcı sırasında yakıt gazının basıncını dikkatlice kontrol ettiler ve elektron siklotron rezonans ısıtması adı verilen bir ısıtma patlaması eklediler.
Bu değişiklikler, daha soğuk bir plazma sınırı aracılığıyla plazmanın tokamak duvarlarıyla etkileşimini değiştirdi ve duvar yabancı maddelerinin plazmaya giriş derecesini önemli ölçüde azalttı.
Bu rejim altında, araştırmacılar tokamak'ın Greenwald limiti üzerindeki yoğunlukları yaklaşık %65'e kadar ulaşabildiler.
Bu, manyetik olarak hapsedilmiş plazmaların artık hiçbir yoğunluk sınırı olmaksızın çalışabileceği anlamına gelmiyor. Ancak bu, Greenwald limitinin temel bir engel olmadığını ve operasyonel süreçleri ayarlamanın daha etkili füzyon reaktörlerine yol açabileceğini gösteriyor.
Ekip, EAST'in yeni tanımlanan yoğunluktan bağımsız rejimde yüksek performanslı koşullar altında nasıl çalıştığını görmek için bulgularıyla daha fazla deney yapacak.
Zhu, "Bu bulgular, tokamaklarda ve yeni nesil plazma yakan füzyon cihazlarında yoğunluk limitlerini genişletmek için pratik ve ölçeklenebilir bir yol sunuyor" diyor.
Sonuçlar, Science Advances dergisinde yayınlandı.
