Max Planck Enstitüsü Neden Füzyon Reaktöründe Plazma Pişirmek İstiyordu?

Heyecan uyandıracak bir füzyon reaktörü gibisi yoktur. Dokuz yıllık inşaat ve 1 milyar Euro’nun ardından, Max Planck Plazma Fiziği Enstitüsü'ndeki bilim adamları, 10 Aralık'ta Wendelstein 7-X füzyon cihazının ilk sıcak testini başlattı ve saniyenin onda biri süren bir helyum plazması üretti. ve bir milyon santigrat derece ulaştı. Ama henüz çok fazla sinirli olma. Bu, cihazı gerçek amacına hazırlamak için atılan adımdı: Hidrojen gazı ile nükleer füzyonun incelenmesi.

Tamam, şimdi pompalandın.

Füzyon, uzun süredir nükleer enerji araştırmalarının altın baldırını oluşturuyor ve fizibilite dışındaki tüm kategorilerde nükleer fisyon gösteriyor. Füzyon muazzam miktarda enerji üretir - sonuçta güneşe güç veren aynı işlemdir. Ama onun gücü onunla başa çıkmak için eşek bir acı yapar. Şimdiye kadar üretilen her füzyon reaktörü, ürettiğinden daha fazla güç harcadı. Füzyon gücü için rekor 1997'de belirlendi: 24 megawatt giriş gücüyle üretilen 16 megawatt. Fakat eğer birisi bu denklemi tersine çevirmeyi başarırsa … Ucuz, karbonsuz enerji diyebilir misiniz?

Daha az gelişmiş kuzeninin aksine, füzyon radyoaktif atık üretmez. Hidrojen tedarik döngüsü, uranyum tedarik döngüsünden daha az problemlidir. Adil olmak gerekirse, bugün en yaygın hidrojen kaynakları kömür ve doğal gazdır, ancak hidrojen bunun yerine elektrolizle üretilebilir.

Fisyon ve füzyon iki açıdan aynıdır. Her ikisi de bir elementin atomlarının başka bir elementin atomlarına dönüşümünden yararlanır ve her ikisi de ilk önce silah olarak kullanılır. Şişman Adam ve Küçük Çocuk, 1945'te Hiroşima ve Nagazaki'ye fisyon bombaları attı ve 1952'de Ivy Mike gibi füzyon cihazlarına yol açtı. (Her ne kadar Ivy Mike bir bomba olarak inşa edilmemiş olsa da, kısa bir süre sonra, kıtalararası füzeler tarafından elde edilebilen pek çok megatonun termonükleer savaş başlıkları tarafından takip edildiğini söyledi.)

Füzyon bombası, bir sebepten dolayı H-bombası olarak biliniyordu: Eşi görülmemiş bir enerji salınımı, hidrojen atomlarının kaynaşmasından kaynaklanıyordu. Füzyon araştırmacıları bu etkiyi sivil güç üretimi için kullanmaya çalışmaktadır. Bunun bir meydan okuma olduğu ortaya çıktı. Dünya yüzeyindeki hidrojen füzyonu, bir milyon santigrat derecenin üzerindeki sıcaklıkları gerektirecektir. Bu sıcaklıklarda, hidrojen ve helyum, maddenin dördüncü şekli olan bir plazma haline gelir.

Zaten bir plazma da ne?

Kısacası, bir plazma iyonize bir gazdır. Bir plazmada, bütün moleküler bağlar çözülür ve elektronlar, konakçı atomlarını bırakır. Plazmalar çok iletkendir, çünkü yüksek bir yük taşıyıcı yoğunluğuna sahiptirler, yani elektronlar ve iyonlar elektrik alana yanıt olarak birbirlerinden bağımsız olarak hareket edebilmektedirler.

Bunların hepsi egzotik gibi görünse de, plazmalar yaşamımızda düzenli olarak görünür. Şimşek cıvatalarından ve neon işaretlerinden gelen ışık, iyonlarla yeniden birleşen ve kendiliğinden emisyon olarak bilinen bir işlem olan düşük kuantum hallerine batan elektronlardan gelir. Bazı alevler egzoz gazlarını iyonize edecek kadar sıcaktır ve plazma fenerleri, plazma filtreleri ve ark kaynakçılarının hepsinde plazma kullanılır.

Fakat bunların hepsinde bir füzyon reaktöründe plazma üzerinde hiçbir şey yok. Bir milyon santigrat derece sıcaklıkta, füzyon çorbasındaki atomlar son derece enerjiktir. Eğer bulunmazlarsa, püskürtürler, cihaza zarar verir ve birbirleriyle kaynaşmazlar. Sınırlama olmadan, muhtemelen ilk etapta bir milyon dereceye asla ulaşamazsınız.

Çevreleme füzyon araştırmalarında büyük zorluk. Plazma kapalı bir alanda tutulmalı ve füzyon kabının duvarlarına dokunmamalıdır. Söylemeye gerek yok, gemi yüksek vakumda tutulmalıdır. Wendelstein 7-X, basıncı 0.000000001 milibarlarda tutmak için 65 vakum pompası kullanıyor. (Bu, SI severler için 0.000001 Pascals'dır.) İyonize bir gazı cehennem sıcaklıklarında sınırlamanın tek gerçekçi yolu manyetik bir alanda tutmaktır. Ve burası işlerin gerçekten zorlaştığı yer.

Yıllarca en popüler füzyon reaktörü tasarımı tokamak oldu. Süper bilgisayarlar satranç oynamadan, insanları Jeopardy'ye ve katlanmış proteinlere çarpmalarından yıllar önce, bilim adamları doğru şekilli manyetik alanı üretmenin akıllı yollarını buldular. Bir tokamakta, plazma içinden geçen bir elektrik akımı, gerekli manyetik alanı oluşturmak için dış elektromıknatıslarla eşleşir.

Wendelstein 7-X de öyle değil. Burada, çevreleme alanı tamamen harici süper iletken elektromıknatıslardan gelmektedir. Araştırma ekibi, bu mıknatısların şeklini optimize etmek ve bir plazma akımı ihtiyacını ortadan kaldırmak için bir süper bilgisayar kullandı. Bu füzyon reaktörü tarzı, yıldız şeklinde bilinir.

Şimdiye kadar hiç kimse, tükettiğinden daha fazla enerji üreten bir füzyon reaktörü inşa etmedi. Dünyanın en büyük yıldız tipi reaktörü olan Wendelstein 7-X bile enerji üretmek için değil araştırma amaçlı üretildi. Fakat umutlarınızı bir füzyon projesine yatırmak istiyorsanız, Wendelstein 7-X başlamak için iyi bir yer. Dünyanın en büyük tokamakı olarak ayarlanmış ITER'de de dikkat edin.