• Cumartesi , 29 Nisan 2017

Magnetik Hapsetme Ve Plazma Sistemleri

Maddenin dördüncü hali olarak da kabul edilen plazmalar, yüklü parçacıklar ve iyonlardan meydana gelen bulutsu yapılardır. Plazma, iyonlaşmış yani elektronları yörüngelerinden kopmuş atomlar ve elektronlar bir gaz bulutu halinde çok güçlü mıknatısların oluşturduğu magnetik bir alana hapsdilerek ısıtılması ve birleşmesi sağlanarak oluşturuluyor.

Plazma iki şekilde hapsedilir:
1. Eylemsiz Hapsetme
2. Magneti k Hapsetme

1.EYLEMSİZ HAPSETME: Işınlarla hapsedilerek oluşturuluyor.
Lazer ya da iyon demetleri, füzyon yakıtından ibaret küçük bir topağı ısıtır ve sıkıştırır.
Plazmayı ışınla hapsetmeye dayanan sistemlerde, çok güçlü lazer ya da iyon demetleri, saniyede 30 kez olmak üzere küçük bir füzyon yakıt kapsülünü ateşler. Bunlarda da manyetik egzozlar kullanılır. Magnetik egzoz ise roketlerde itkiyi sağlar.

2.MAGNETİK HAPSETME:Açık ve kapalı sistemler olm. üz. iki çeşit hapsetme yöntemi vardır:
1.Açık Sistemler: Hapsedici manyetik alan bölgesi plazmanın hapsedildiği bölgenin dışındadır. Örneğin, Manyetik Ayna ve Pinch.
2.Kapalı sistemler: Hapsedici manyetik alan bölgesi plazmanın hapsedildiği bölgenin içindedir. Örneğin, Tokamak ve Stellaratör.

Araştırmacılar, 1997 yılının Kasım ayında manyetik hapsetme yöntemiyle verimi yüksek bir füzyon reaksiyonu oluşturdular. Bu dönüm noktası, İngiltere’de Birleşik Avrupa Torus’unda meydana geldi; burada bir tokamak kullanılmıştı (içinde plazmanın manyetik olarak hapsedildiği simit biçiminde bir kap). Elektrik üretecek füzyon reaktörleri, füzyonu başlatmak ve sürdürmek için gerekli enerjiden çok daha fazla enerji oluşturacaklardı.

Tokamak şimdiye kadar birkaç araştırma enstitüsünün (ITER, JET, Massachusetts Teknoloji Enstitüsü (MIT) Plazma Bilimi ve Füzyon Merkezi, Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı) üzerinde çalışarak gerçekleştirdiği plazma hapsetme makinasıdır. Bu makinelerde çok kısa sürelerle çok güçlü enerji düzeyleri elde edilebiliyor; ama simit biçimindeki tokamakların bir kusuru var: Hemen hepsinde ortaya çıkan bir türbülans nedeniyle plazma, sistem dışına kaçıyor. Bu sızıntıyı önlemek aslında olanaklı, ama bunun için de çok büyük boyutlu makineler gerekiyor. Sorun yalnız plazma kaçağı değil.Tokamaklar ve benzeri türden reaktörler, döteryum ve trityumu birleştirerek helyuma çeviriyorlar. Serbest kalan çok sayıda nötron, reaktör duvarına çarparak ısı bırakıyor. Isıysa elektrik üretiminde kullanılıyor. Ancak nötronlar bir süre sonra reaktör parçalarını radyoaktif hale getiriyor ve bu da, bir biçimde ortadan kaldırılması
gereken tonlarca ağırlıkta tehlikeli madde ortaya çıkartıyor. Nötronlar ayrıca biyolojik bir tehlike olduklarından, tokamak reaktörlerin çok etkin bir biçimde çevreden yalıtılmaları
gerekiyor.
 
MIT araştırmacılarından Jay Kesner’in tasarladığı bir füzyon makinası bu eksikliği ortadan kaldırmaya aday. Üç metre yüksekliğinde ve beş metre çapında balkabağı görünümündeki makinanın en ilginç yanı, odanın ortasında havada asılı kalan simit şeklindeki bir halka.
Halka plazma odasının tepesindeki mıknatıs tarafından yerinde tutuluyor. Karmaşık teknolojiye dayanan pahalı tokamaklara karşılık, Asılı Dipol Deneyi (Levitated Dipole Experiment –
LDX) adı verilen füzyon reaktörü, son derece basit bir tasarıma sahip.
Akım taşıyan halkalar (LDX’in merkezindeki çember gibi) ve sıradan çubuk mıknatıslar, manyetik alan biçimlerinin en basiti olan dipol alanlaryaratıyor. Gezegenlerin manyetik alanları da bu türden. Aslında makineye ilham veren, Güneş Sistemi’nin en büyük gezegeni olan Jüpiter. 1980’li yılların sonlarında Voyager II uzay aracı, Jüpiter’in manyetosferindeki  alanlara hapsolmuş plazma saptayınca araştırmacılar harekete geçmiş.LDX tasarımının tokamaklara göre bir avantajı, türbülansı önlemesi. Tokamak türü rektörlerde plazmayı reaktör duvarlarına değmeden (dolayısıyla soğumadan) simit biçimli odada tutabilmek için duvar boyunca dizilmiş çok güçlü mıknatıslar kullanılıyor. Buysa, bazı fizikçilere göre "bir jöleyi lastik bantlarla bağlamaya çalışmakla aynı şey". Oysa LDX’in havada duran mıknatısı, plazmayı içeriden kendi üstüne doğru çekiyor ve böylece kontrolü kolaylaştırıyor.

Kesner’in geliştirdiği tasarım şöyle işliyor. Termal olarak yalıtılmış bir niobyum-kalay telinden oluşan halka, önce vakum odasının tabanında, araştırmacının "yükleme istasyonu" diye adlandırdığı bir yere konuyor. -258°C sıcaklıkta süperiletken hale gelen tel, -268°C’ye kadar soğutuluyor ve bir akım uygulanıyor. Makinenin yapımı tamamlandığında araştırmacılar teli bir vinçle tabandan 1.5 m kadar yükseğe kaldıracaklar, daha sonra da tepede bulunan bir mıknatısı devreye sokacaklar. Teldeki akımı etkileyecek kadar güçlü olmayan mıknatıs, halkayı kaldırıp sekiz saat süreyle reaktör odasının ortasında havada asılı tutacak. Plazma, mıknatıstan yayılan manyetik kuvvet çizgilerine hapsolarak simit biçiminde sıcak bir bulut halinde halkanın ortasından geçen bir akışla dönüp duracak. Sekiz saatin sonunda, ısınan halka indirilerek yeniden soğutulacak.

Bu şekilde doğal esaslı reaktörler ışınımdan doğan tehdidi en alt düzeye indirgiyor. Çünkü yüksek plazma tutma yetenekleri sayesinde daha nitelikli yakıt kullanabiliyorlar. Bu yakıtların tepkime ürünleri, nötron yerine foton ve yüklü parçacıklar. Fotonlar, reaktör duvarını ısıtarak enerji üretimi sağlarlar, yüklü parçacıklarsa, manyetik alan içinde hapis kalırlar. Dipol reaktörleri için bu gelişkin yakıtları kullanmak bir yeğleme sorunu değil, bir zorunluluk. Çünkü (yüksüz oldukları için) mıknatıslarca tutulamayan nötronlar, mıknatısı delecek, ısıtacak ve sonunda süperiletkenliğini yitirmesine yol açacaktır. Gelişkin yakıtların bir üstünlüğü de reaktör parçalarını radyoaktif yapma ve reaktör personeli için tehdit oluşturma olasılıklarının düşük bulunması.
Şimdilik füzyon aşamasına  geçilmeyecek. Zaten bu makinelerden enerji üretiminde yararlanmak için bir süre beklememiz gerekecek. Nedeni, makine için en uygun yakıtın döteryum ve He3 karışımı olduğunun düşünülmesi. Buysa, iki proton ve bir nötron içeren bir helyum izotopu. Üstelik Dünya’da da kıt. Sıradan atom reaktörleri (atom çekirdeğini parçalayarak enerji elde edenler) bir miktar He3 üretebiliyorlar, ama bu da bilimsel deneyler için kullanılıyor.

LDX’in dışında tokamaklara alternatif olarak tasarım ya da yapım aşamasında olan füzyon
makinesi modelleri şunlar:
Stellaratörler: Tokamakların en ciddi rakibi olarak tanınan bu makinelerin en belirgin özelliği, bir plazma odasını çevreleyen sarmal biçimde dizilmiş mıknatıs halkaları. Bunların ürettiği bükülmüş manyetik alanların, tokamak türlerinde kullanılan düzgün alanlara göre türbülansı daha iyi denetim altına alacağına inanılıyor. Bu tasarımdaki deney aygıtlarından biri Japonya’da (Large Helical Device – Büyük Sarmal Aygıt), biri de ABD’nin Wisconsin Üniversitesi’nde (Helically Symmetrical Experiment – Sarmal Simetrik Deney) bulunuyor.
Küresel toroidler: Aslında tokamakların bir türü, ancak simitin ortasındaki boşluk alabildiğince küçültülmüş. Bu tasarımdaki füzyon deney reaktörleri, çekirdekli
birer elmaya benziyorlar.Plazmayı tutacak manyetik alan yaratmak için, tokamaklar gibi birbiri içine geçmiş mıknatıs halkalardan yararlanıyorlar. Ancak kararlı manyetik
alan çizgilerinin uzunluklarını  arttırılması yoluyla plazmayı çok daha etkin biçimde hapsedebiliyorlar. Bu aygıtlardan biri İngiltere’nin Cullham Bilim Merkezi’nde, biri de ABD’deki Princeton Üniversitesi’nde bulunuyor.
Spheromaklar: Simidin ortasındaki deliği tümüyle ortadan kaldırarak bir "küremak" elde ediliyor. Ters-alan sıkıştırıcıları gibi bunlar da plazma tutucu manyetik alanlar yaratmak için kısmen plazma içindeki akıma dayanıyorlar. ABD’nin Pennsylvania eyaletindeki Swarthmore College’de ve California’da Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı’nda spheromak programları üzerinde çalışılıyor.

Manyetik hapsetme araştırmalarının temeli olan tokamağın küçültülerek roket itkisinde kullanılması düşünülüyor. 1996 yılında ABD Enerji Bakanlığı Füzyon Enerji Bilimleri Danışma Komitesi umut verici manyetik hapsetme yöntemleri (örneğin ters alanlı tokamak, küresel tokamak vb.) üzerindeki araştırmalara yeşil ışık yaktı. Öte yandan NASA, Ohio Eyalet Üniversitesi ve Los Alamo Ulusal Laboratuvarı, manyetik egzozlar üzerinde çalışıyor. Bu üç kuruluşta son derece güçlü elektrik akımlarıyla plazma oluşturuluyor ve bu plazmanın manyetik alanlarla etkileşimi inceleniyor. Füzyon yakıtı olarak Ay’daki ve Jüpiter atmosferindeki helyum 3’ten yararlanmak planlanıyor. Ayrıca Dünya’da bulunan bor gibi elementlerin füzyon tepkimelerinde kullanılması düşünülüyor.
       
 Gelelim maddeyle antimaddenin, birbirini yokederken verdiği büyük enerjiye. Bu tepkime, tepkimeye giren maddelerin kütle birimi başına çok yüksek bir enerji verir. Roket itkisi için proton ve antiprotonların birbirini yoketmesi kullanılacaktır. Bu yoketme, bir dizi tepkimeye yol açar. Bunlardan ilki pionların oluşmasıdır. Bu kısa ömürlü parçacıklar, ışık hızına yakın bir hızla giderler ve manyetik alanlarla yönlendirilerek itki sağlayabilirler.

Yorum:
Geçmişten geleceğe doğru nükleer enerji gelişim süreçlerine bakılacak olursa teknolojinin maksimum seviyesine ulaşabilme metotları aranmıştır. Görüyoruz ki, eskiden aya çıkma hayalleriyle insanoğlu büyük bir azimle çalışarak bunu başarmıştır. Ve şimdi yıldızlar arası gezegenlerde dolaşmak için yine bu şartlar zorlanmaktadır. Ayrıca bu teknoloji insanların havada asılı kalabilmeleri ve hareket edebilmeleri için geliştirilecek mekanizmaları da beraberinde getirmektedir. Bunu, geliştirilen nükleer enerjinin ne şekilde meydana getirilip kullanıldığından ve bu seyahatleri gerçekleştirmek için magnetik egzozlu roketlerin yapılmaya çalışılmasından anlıyoruz… Bu konudan da anlaşılacağı gibi tüm bu hayalleri gerçekleştirmedeki ana kaynak, çok yüksek enerjili plazmanın magnetik hapsedilmesidir.
 

Kaynaklar:

  1. Bilim-Teknik Mayıs1999 Stephanie D. Leifer, Scientific American, Şubat 1999 Çeviri: Selçuk Alsan- Antmadde itkili roketler- syf.48
  2. Bilim-Teknik Eylül1999 -Glanz, J., Common Ground for Fusion, Science, 6 Ağustos 1999 Riordon, J., Fusion Power From a Floating Magnet?, Science, 6 Ağustos, 1999 Çeviri: Raşit Gürdilek –Füzyon enerjisinde arayışlar-syf.62
  3. http://www.taek.gov.tr/sanaem/html/fuzyon_birimi_tt.htm

Reyhan Demirci

İlgili yazılar