Çin’deki tokamak deneyi, manyetik hapsolmalı füzyon araştırmalarında uzun süredir temel bir sınırlayıcı olarak görülen plazma yoğunluğu engelinin aşılabileceğini gösterdi. Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST) üzerinde çalışan araştırmacılar, plazmayı geleneksel operasyon sınırlarının belirgin biçimde ötesine taşımasına rağmen kararlı çalışma koşullarını korumayı başardı.
Huazhong Bilim ve Teknoloji Üniversitesinden Zhu Ping ile Çin Bilimler Akademisi Hefei Fizik Bilimleri Enstitüsünden Yan Ning’in yer aldığı araştırma ekibi, daha önce yalnızca kuramsal çalışmalarla tanımlanan ve “yoğunluktan bağımsız rejim” olarak adlandırılan yeni bir çalışma alanına deneysel olarak erişildiğini ortaya koydu. Bu rejim, plazma yoğunluğunu sınırlayan mekanizmaların yalnızca manyetohidrodinamik kararsızlıklardan değil, plazma ile tokamak duvarları arasındaki karmaşık etkileşimlerden de güçlü biçimde etkilendiğini gösteriyor.
“Greenwald yoğunluk sınırı”na yeni çözüm
Tokamaklarda füzyon reaksiyonları, genellikle döteryum ve trityum yakıtı kullanılarak gerçekleştirilir. Bu tür reaksiyonlarda üretilen füzyon gücü, plazmadaki parçacık yoğunluğunun karesiyle ölçeklenir. Bu nedenle daha yüksek yoğunluk, enerji denge noktasına ulaşmak ve net enerji kazancı elde etmek için temel koşullardan biri. Ancak pratikte tokamaklar, “Greenwald yoğunluk sınırı” olarak bilinen ampirik bir üst sınırla kısıtlanıyordu. Bu sınır aşıldığında, radyatif enerji kayıpları, safsızlık birikimi ve plazma kararsızlıkları hızla artıyor ve deşarjın bozulmasına yol açıyordu.
EAST’te gerçekleştirilen deneylerde söz konusu soruna karşı farklı bir yaklaşım benimsendi. Plazma başlatma aşamasında başlangıç nötr gaz yoğunluğu dikkatle ayarlandı ve ohmik ısıtma süreci, elektron siklotron rezonans ısıtması ile desteklendi. Bu yöntem, plazmanın erken evrelerinden itibaren plazma-duvar etkileşimlerini kontrol altına almayı hedefledi. Özellikle metal duvarlardan kaynaklanan fiziksel saçılma ve buna bağlı safsızlık girişinin bastırılması, yüksek yoğunluklu çalışmanın anahtar unsurlarından biri oldu.
Bu koşullar altında plazma, hat-ortalama elektron yoğunluğu açısından EAST’in önceki tipik operasyon aralığının belirgin biçimde üzerine çıkarıldı. Buna rağmen, beklenen büyük ölçekli kararsızlıklar gözlenmedi ve enerji hapsolma özellikleri korunabildi. Sonuçlar, plazma-duvar kendiliğinden örgütlenmesi kuramının öngördüğü yoğunluktan bağımsız rejimle tutarlı bulundu.
Araştırmacılar, elde edilen bulguların yalnızca EAST için değil, ITER ve sonraki nesil yanar plazma reaktörleri için de önemli fiziksel ipuçları sunduğunu vurguluyor. Yoğunluk sınırının yukarı çekilebilmesi, aynı manyetik alan ve sıcaklık koşullarında daha yüksek füzyon gücü üretilebileceği anlamına geliyor. Bu da daha kompakt, verimli ve ekonomik füzyon santrallerinin önünü açabilecek bir gelişme olarak değerlendiriliyor.
Makale yazarları, bu yaklaşımı bir sonraki aşamada yüksek hapsolma (H-modu) koşullarında uygulamayı ve yüksek performanslı plazmalarda yoğunluktan bağımsız rejime erişmeyi hedefliyor. Bu hedefe ulaşılması durumunda, füzyon enerjisinin sürekli, temiz ve karbon salımı olmayan bir enerji kaynağı olarak enerji sistemlerine entegre edilmesi yönünde önemli bir fiziksel eşik daha aşılmış olacak.
Kaynak: Science Advances