Füzyon Gizemi Çözüldü: Yanan Plazmalar Geleneksel Fiziğe Nasıl Meydan Okuyor?
Temiz ve bol enerji kaynağı olarak kontrollü nükleer füzyon arayışı, Eylemsiz hapsetme füzyonundaki (ICF) ilerlemeler sayesinde gerçekleşmeye yaklaşıyor.
Bu yöntem, döteryum-trityum (DT) yakıtının hassas bir şekilde tasarlanmış bir patlama işlemi sırasında aşırı sıcaklık ve basınçlara maruz bırakılarak ateşlenmesini içerir.
DT füzyonunda, açığa çıkan enerjinin çoğu nötronlar tarafından taşınır ve bunlar elektrik üretimi için kullanılabilir. Aynı zamanda, alfa parçacıkları yakıtın içinde hapsolmuş halde kalır ve burada daha ileri füzyon reaksiyonlarını yönlendirirler.
Bu alfa parçacıkları tarafından biriktirilen enerji, patlamadan gelen enerji girdisini aştığında, plazma kendi kendini sürdüren bir “yanma” aşamasına girer. Bu da enerji çıkışını ve yoğunluğunu önemli ölçüde artırır.
Şubat 2021’de Ulusal Ateşleme Tesisi’nde (NIF) bilim insanlarının bir ICF deneyinde başarılı bir şekilde yanan plazma durumuna ulaştıkları bir atılım gerçekleşti.
Bu başarı, füzyon enerjisinin geliştirilmesinde kritik bir adımı temsil etmekte ve evrenin erken dönemlerinde var olan aşırı koşullara ilişkin içgörüler sunmaktadır.
Yanan Plazmada Yeni Fenomenlerin Keşfi
Bununla birlikte, bu uç durum içinde Hartouni ve meslektaşları NIF’de yapılan deneylerde yeni fiziksel fenomenler gözlemlediler: nötron spektrumu verileri hidrodinamik tahminlerden önemli ölçüde saptı ve supra-termal DT iyonlarının ortaya çıktığını gösterdi.
Bu gözlemler Maxwell dağılımlarına dayanan mevcut modellere meydan okumakta ve daha önce göz ardı edilen kinetik etkilerin ve denge dışı mekanizmaların önemini vurgulamaktadır.
Bu kinetik etkilerin, özellikle de önemli enerji değişimlerini içeren geniş açılı çarpışmaların doğru bir şekilde modellenmesi önemli bir zorluk teşkil etmektedir.
Bu çarpışmalar, alfa parçacıklarının birikmesi sırasında ısı üstü iyonlar üreterek denge durumundan sapmalara neden olur ve hidrodinamik tanımlamaların kapsamı dışında kalır.
İyon Kinetiğinin Modellenmesinde Bir Atılım
Bu zorluğun üstesinden gelmek için, Profesör Jie Zhang liderliğindeki ortak bir araştırma ekibi, arka plan iyonlarının perdelenmiş potansiyellerini, iyon kinetiğini kapsamlı bir şekilde yakalayabilen ikili çarpışmalar sırasında iyonların göreceli hareketiyle bütünleştiren yenilikçi bir geniş açılı çarpışma modeli önerdi.
Ekip tarafından yeni geliştirilen hibrit-parçacık-hücre içi LAPINS kodu, bu modelle birleştirilerek ICF yanan plazmaların yüksek hassasiyetli simülasyonunu gerçekleştirmektedir.
Geniş açılı çarpışmaların sonuçlarına ilişkin kapsamlı ve kinetik araştırmalar, ~10 ps’lik bir ateşleme momenti artışı, ~34 keV’lik bir enerji eşiğinin altında supra-termal D iyonlarının varlığı, tepe alfa parçacık yoğunluklarının beklenen birikiminin yaklaşık iki katı ve sıcak nokta merkezindeki alfa parçacık yoğunluklarının ~%24 oranında artması dahil olmak üzere birkaç önemli bulgu ortaya koymuştur.
Bulgularının rasyonelliği, NIF tarafından yürütülen nötron spektral moment analizleri ile kinetik simülasyonları arasındaki uyumla doğrulanmakta ve her ikisi de nötron spektral moment analizleri ile hidrodinamik tahminler arasındaki verim arttıkça daha belirgin hale gelen eşitsizlikleri vurgulamaktadır.
Bu çalışma sadece deneylerin yorumlanması için yeni bilgiler sağlamakla kalmıyor, aynı zamanda ateşleme şemalarının tasarımına ve iyileştirilmesine rehberlik etmek ve olağanüstü yüksek enerji yoğunlukları ile ayırt edilen ve erken evrenin evriminin temelini oluşturan karmaşık fiziği aydınlatmak için muazzam bir potansiyele sahip olan nükleer yanma plazmalarını keşfetmek için yeni araştırma fırsatları sunuyor.
Derleyen: Feyza ÇETİNKOL
Kaynak: Füzyon Gizemi Çözüldü: Yanan Plazmalar Geleneksel Fiziğe Nasıl Meydan Okuyor?