Ticari nükleer füzyon reaktörleri geliştirme yarışı hızlanırken, bu sistemlerin güvenilir biçimde tasarlanabilmesi için yüksek doğrulukta bilgisayar modellemelerine ihtiyaç duyuluyor. Ancak mevcut simülasyonlar, plazma içinde kendiliğinden oluşan manyetik alanların etkisini öngörmekte zorlanıyordu. Princeton Plazma Fiziği Laboratuvarı araştırmacıları, bu manyetik alanların genişleyen plazmada nasıl oluştuğunu açıklayan yeni bir matematiksel yaklaşım geliştirdi. Çalışma, doğrudan tahrikli atalet hapsi füzyonu alanında reaktör tasarımlarının daha doğru modellenmesine katkı sağlayabilir.
DOĞRUDAN TAHRİKLİ FÜZYONDA MANYETİK ALAN SORUNU
Doğrudan tahrikli atalet hapsi füzyonunda güçlü lazerler, yakıt kapsülünü sıkıştırarak reaksiyonu başlatıyor. Lazerlerin hedefe çarpmasıyla katı madde çok kısa sürede aşırı sıcak ve hızla genişleyen plazmaya dönüşüyor. Geçmiş deneylerde bu süreç sırasında yoğun manyetik yapılar gözlemlenmişti. Ancak bu alanların hangi koşullarda ve nasıl oluştuğu tam olarak açıklanamıyordu. Bu belirsizlik, füzyon simülasyonlarının doğruluğunu azaltıyor ve reaktör tasarım süreçlerinde öngörülemeyen teknik risklere yol açabiliyordu.
40 TESLA SEVİYESİNDE MANYETİK ALAN OLUŞUYOR
PPPL ekibi, bir alüminyum hedefe lazer çarpmasını simüle ederek plazmada kendiliğinden manyetikleşmeyi tetikleyen lazer yoğunluğu eşiğini belirledi. Araştırmaya göre, lazer yoğunluğu bu eşiğin altında kaldığında plazma büyük ölçüde manyetikleşmeden daha öngörülebilir davranış sergiliyor. Ancak yoğunluk eşiği aşıldığında plazma saniyenin milyarda biri içinde kendiliğinden manyetikleşiyor. Bu süreçte Dünya’nın manyetik alanından yaklaşık bir milyon kat daha güçlü, 40 tesla seviyesinde manyetik alanlar oluşabiliyor.
DÜZGÜN LAZER SÜRÜCÜLERİ TEK BAŞINA YETERLİ DEĞİL
Araştırmanın baş yazarı Kirill Lezhnin’e göre, plazmada bu manyetik alanların oluşmasını engellemek için yalnızca düzgün lazer sürücüleri kullanmak yeterli değil. Çalışma, plazmanın genişleme ivmesinin bile güçlü manyetik alanların ortaya çıkmasına yol açabileceğini gösteriyor. Bu sonuç, füzyon deneylerinde manyetik alanların yalnızca dış etkenlerden değil, plazmanın kendi dinamiklerinden de kaynaklanabileceğini ortaya koyuyor.
WEIBEL KARARSIZLIĞI ISI YÖNETİMİNİ ETKİLİYOR
Kendiliğinden manyetikleşme, plazmanın genişlerken bazı yönlerde hızla soğuması, buna karşılık dik eksenlerde sıcak kalmasıyla ortaya çıkıyor. Bu sıcaklık dengesizliği, literatürde Weibel kararsızlığı olarak bilinen süreci tetikliyor. Lazer yoğunluğu yeterli seviyeye ulaştığında bu kararsızlık devreye giriyor ve manyetik alanlar oluşuyor. Ortaya çıkan manyetik alanlar, elektronları dönen yörüngelere hapsederek ısının lazerin hedefi vurduğu bölgeden uzaklaşmasını zorlaştırıyor. Bu durum, plazmanın sıcaklık dağılımını ve reaktör tasarımlarındaki termal yönetim hesaplarını doğrudan etkiliyor.
SİMÜLASYONLAR İÇİN YENİ MATEMATİKSEL FORMÜL
PPPL ekibi, belirli lazer ve hedef değişkenlerine dayanarak plazmanın ne zaman manyetikleşeceğini öngörebilen temel bir matematiksel formül geliştirdi. Bu formül, füzyon araştırmalarında kullanılan bilgisayar simülasyonlarının daha doğru sonuçlar üretmesine yardımcı olabilir. Araştırmacılara göre belirlenen eşik değerinin günümüzdeki standart ataletli füzyon deneylerinde kullanılan yoğunluk aralığına yakın olması, çalışmanın mevcut deneyler için de uygulanabilir olduğunu gösteriyor.
FÜZYON REAKTÖRÜ TASARIMLARINA KATKI SAĞLAYABİLİR
Yeni yaklaşım, ticari füzyon reaktörleri için yürütülen Ar-Ge çalışmalarında manyetik alan kaynaklı belirsizlikleri azaltmayı hedefliyor. Daha doğru simülasyonlar, reaktör tasarımında hata payının düşürülmesine, deney maliyetlerinin azaltılmasına ve plazma davranışının daha güvenilir biçimde modellenmesine katkı sağlayabilir. PPPL’nin geliştirdiği matematiksel formül, füzyon enerjisinin ticari ölçekte uygulanabilmesi için gereken tasarım araçlarından biri olarak değerlendiriliyor.
