Geleceğin Enerjisi İçin Tarihten Gelen Sürpriz: 1938 Füzyon Deneyi
Fizikçiler 1938’de yapılan bir deneyden elde edilen DT füzyon bilgilerini doğruladı. Bulgular, geçmiş teoriyi mevcut füzyon çabalarıyla birleştiriyor.
Los Alamos Ulusal Laboratuvarı’ndaki bir ekip, önemli ancak büyük ölçüde göz ardı edilen bir fizik deneyini başarıyla yeniden yarattı: döteryum-trityum (DT) füzyonunun kaydedilen ilk gözlemi. Physical Review C’de yakın zamanda detaylandırılan 1938 deneyinin güncellenmiş versiyonu, Michigan Üniversitesi fizikçisi Arthur Ruhlig’in çok önemli rolünü yeniden teyit ediyor. Ruhlig’in orijinal çalışması, hem nükleer enerji gelişimini hem de ulusal güvenlik programlarını etkilemeye devam eden bir füzyon sürecinin temelini atmış olabilir.
Los Alamos Bilim, Hesaplama ve Teori Laboratuvarı direktör yardımcısı Mark Chadwick, “Ruhlig’in temel öngörüsü, döteryum ve trityum yakınlaştırıldığında DT füzyonunun çok yüksek bir olasılıkla gerçekleştiğini öne sürmesiydi” dedi. “Deneyini tekrarlayarak, orijinal sonuçlarını tekrar gözden geçirebildik ve ne kadar doğru olduklarını takdir ettik. Sezgilerinin nükleer yakıt araştırmalarının yönü üzerinde kalıcı bir etkisi oldu.”
Arthur Ruhlig’in tez danışmanı Richard Crane, deneyler için kullanılan Michigan Üniversitesi hızlandırıcısı ile birlikte. Kredi: Michigan Üniversitesi / Los Alamos Ulusal Laboratuvarı.
DT füzyon reaksiyonu, hem savunma uygulamaları hem de gelecekteki temiz enerji çözümlerindeki kritik rolü de dahil olmak üzere, füzyon temelli teknolojilerin ilerletilmesi için temel olmaya devam etmektedir. Bu reaksiyon, araştırmacıların kontrollü füzyon elde etmek için çalıştıkları Ulusal Ateşleme Tesisi’ndeki gibi projelerin temelini oluşturmaktadır. Konseptin Ruhlig tarafından ortaya atılmış olabileceği hipotezinden hareket eden Los Alamos bilim insanları, Ruhlig’in ilk çalışmalarının önemini titizlikle test etmek ve doğrulamak için bir deney tasarladı.
DT füzyonunun kökeninin izini sürmek
2023 yılında Mark Chadwick ve aralarında teorik fizikçi Mark Paris’in de bulunduğu meslektaşları, erken dönem füzyon araştırmalarının ayrıntılı bir tarihçesini derliyordu. Bu zaman çizelgesinde dikkat çeken bir nokta, fizikçi Emil Konopinski’nin, daha sonra Manhattan Projesi’ni yönetecek olan J. Robert Oppenheimer’ın liderliğinde Berkeley’de Temmuz 1942’de düzenlenen bir fizik konferansı sırasında yaptığı bir öneriyi içeriyor. Konopinski o toplantıda, birkaç olası füzyon reaksiyonu arasında döteryum-trityum (DT) füzyonunun fisyon temelli silahlarla birlikte kullanım için özellikle umut vaat ettiğini öne sürmüştür.
Konopinski’nin projenin bu kadar erken bir aşamasında – Manhattan Projesi’nin resmen başlamasından sadece aylar sonra – bu sonuca nasıl vardığını merak eden Cadwick ve Los Alamos ekibi araştırmaya başladı. Pek çok potansiyel reaksiyon arasından en uygun seçenek olarak DT füzyonunu seçmenin çok önemli ve aydınlatıcı bir karar olduğu ortaya çıktı.
Chadwick bir akşam Ulusal Güvenlik Araştırma Merkezi’ndeki arşivleri incelerken Konopinski’nin DT füzyonunun peşine düşme gerekçesini tartıştığı 1986 tarihli bir ses kaydı keşfetti. (Kayıt o zamandan beri YouTube’da paylaşılıyor.) Kayıtta Konopinski nükleer araştırmaların ilk günlerini anlatıyor ve DT füzyonuna olan ilgisini “savaş öncesi” çalışmalar olarak adlandırdığı çalışmalara bağlıyor.
Michigan’daki Nükleer Sempozyum’da bir grup, 1936, Ruhlig de dahil. Dijital Koleksiyonlar, erişim tarihi 30 Eylül 2023, https://digitalcollections.eku.edu/items/show/3347. Kredi: Doğu Kentucky Üniversitesi.
DT füzyonunda kilit bir bileşen olan trityum ilk olarak 1934 yılında deneysel fizikçi Ernest Rutherford liderliğindeki bir araştırma ekibi tarafından keşfedilmiştir. Rutherford, Niels Bohr ile işbirliği yaparak ve nötronun keşfinde James Chadwick’e danışmanlık yaparak erken atom teorisinde merkezi bir figürdü. Paris, trityumun keşfedildiği yıldan başlayarak fizik yayınlarını taradı ve sonunda 1938’de Physical Review dergisinin editörüne Arthur Ruhlig tarafından yazılmış bir mektup buldu. Mektupta bir gama ışını deneyi anlatılıyor ve daha fazlası hakkında ipuçları veriliyordu.
Deneyde Ruhlig, döteryuma bir döteron demeti ateşleyerek ve ortaya çıkan gama ışını emisyonlarını analiz ederek döteryum üzerine döteryum reaksiyonlarını araştırdı. (Bir döteron, bir proton ve bir nötrondan oluşan döteryum atomunun çekirdeğidir). Mektubun son paragrafındaki kısa ama ilgi çekici bir yorumda Ruhlig, ikincil etkileşimlerden kaynaklandığına inandığı yüksek enerjili protonlar tespit ettiğini bildirdi. Bunların trityum-döteryum füzyonundan kaynaklanan nötronların bir bulut odasının içine yerleştirilmiş ince bir selofan filmden proton saçmasından kaynaklandığı sonucuna varmıştır. Ruhlig, gerekçesinin bir parçası olarak fizikçi Hans Bethe ile yaptığı özel bir tartışmaya atıfta bulundu. DT füzyonunun “son derece olası” olduğu sonucuna varmış ve her 1.000 enerjik protondan birinin bu tür reaksiyonlardan kaynaklandığını tahmin etmiştir.
Ve konu burada kapandı; Ruhlig’in makalesine nadiren atıfta bulunuldu, az sayıdaki atıf da çoğunlukla gama ışını konularıyla ilgiliydi. Ancak Konopinski çalışmayı hatırlamış gibi görünüyor.
Paris ve Chadwick parçaları bir araya getirdi: Ruhlig ve Konopinski, 1930’larda doktora çalışmalarında çakışan Michigan Üniversitesi öğrencileriydi. Ruhlig’in tez danışmanı Richard Crane, Bethe’nin bir meslektaşıydı ve Konopinski de Bethe tarafından denetlenen bir araştırma bursunda görev yapıyordu. Ayrıca elektron spinini keşfeden Michigan Üniversitesi fizikçilerinden George Uhlenbeck’in de akıl hocasıydılar. Ruhlig’in makalesine sık sık atıfta bulunulmasa da, bu makalenin bilinmediği anlamına gelmiyor – dergi pek çok fizikçinin düzenli okumalarının bir parçası olurdu.
Paris, “Konopinski’nin Ruhlig’in DT füzyonu olasılığına ilişkin önerisini yorumladığına ve benimsediğine dair kanıtlar ikinci dereceden ama yine de güçlü” dedi. “Ruhlig’in gerçekte ne gözlemlediğini sormak zorunda kalıyoruz. Onun vardığı sonuçlar, hesaplamalı bir yaklaşımla ve modern tesir kesitlerini anlayarak ulaşacağımız sonuçlarla tutarlı mı? Nihayetinde, geriye kalan bu soruları yanıtlamanın yolu deneyi tekrarlamaktır.”
Chadwick, Ruhlig’in makalesinden ve 1938 deneyinin DT füzyonunun gelişimindeki rolüne ilişkin teorilerinden Laboratuvar Müdürü Thom Mason’a bahsetmiş, Mason da ekibin vardığı sonuçları doğrulamak için sadece bir simülasyon değil bir deney yapmasında ısrar etmiştir.
Deneyi tekrarlamak
Ekip, Ruhlig’in çalışmasını orijinal deneyin modern ve titizlikle uygulanmış bir kopyasıyla tekrarlamak için Kuzey Carolina’daki Triangle Üniversiteleri Nükleer Laboratuvarı’nda bulunan Duke Üniversitesi’nden deneysel fizikçilerle işbirliği yaptı. Bu çoğaltmaya teorik ve hesaplamalı analizler eşlik edecekti.
Ekip, laboratuvarın Tandem hızlandırıcısını en düşük çalışma gücünde kullanarak 3,5 mm’lik bir döteron ışını üretti. Bu ışını, Ruhlig’in 500 keV’lik ışınını mümkün olan en iyi şekilde kopyalayan hızlandırıcı vakum ve hedef arasında ince, kobalt alaşımlı bir folyo ile eşleştirdiler. Işın, 1938’de olduğu gibi, ikincil reaksiyonları ölçmek için ilgilenilen nötronları izleyen bir sıvı sintilatör nötron detektörü ile döteryumlu fosforik asit hedefine yönlendirildi.
Duke Üniversitesi Triangle Üniversiteleri Nükleer Laboratuvarı fizikçisi Werner Tornow, “Ulusal Ateşleme Tesisi’ndeki atalet hapsi füzyon çalışmalarında olduğu gibi füzyon deneylerinin aksine, düşük enerjili bir nükleer fizik tesisinde ilk kez, trityumu sağlayan ilk döteryum-döteryum etkileşimini takiben ikincil bir reaksiyon olarak DT füzyon deneyi gerçekleştirebildik” dedi. “Bu çalışma fizik tarihiyle ilgili bazı ilgi çekici soruların yanıtlanmasına yardımcı oluyor, ancak aynı zamanda DT füzyonu ile çok daha zorlu bir ortamda çalışma yeteneğimizi genişletmek açısından da etkili.”
Ruhlig’in temel gözlemlerini doğrulamak
Sonuçlarını analiz ederken, modern deney ikincil DT reaksiyonlarını gözlemledi, ancak Ruhlig’in füzyon ürünleri olan aşırı nötron üretimini gördüğü oranı abarttığını da öne sürüyor; araştırmacılar çok daha küçük bir oran tespit ettiler. Ruhlig’in deneyi anlattığı 1938 tarihli mektubunda bu tespite nasıl ulaştığına dair çok az ayrıntı yer aldığından, Michigan’lı fizikçinin doğruluğunu modern sonuçlarla karşılaştırarak kesin olarak ölçmek oldukça zor. Ekibin modern yöntemler kullanarak hesapladığı değer, tekrarlanan deneyden elde edilen ölçüm değeriyle uyuşmaktadır.
Daha da önemlisi, Ruhlig tarafından kullanılan ve Los Alamos ve Triangle Üniversiteleri Nükleer Laboratuvarı araştırmacıları tarafından yeniden test edilen deneysel tekniklerden elde edilen ölçümler, NIF’deki gibi aktif füzyon çabalarına uygulanabilir.
Chadwick, “Ruhlig’in füzyon oranının modern anlayışımızla tutarsızlığı ne olursa olsun, bizim tekrarımız, DT füzyonunun ‘son derece muhtemel’ olduğunu söylediğinde en azından niteliksel olarak doğru olduğuna dair hiçbir şüphe bırakmıyor” dedi. “Ruhlig’in DT füzyonunu tesadüfen gözlemlemesi, daha sonraki Manhattan Projesi tesir kesiti ölçümleriyle birlikte, DT füzyonunun enerji projelerine odaklanan tokamaklarda ve NIF gibi atalet hapsi füzyon deneylerinde barışçıl bir şekilde uygulanmasına katkıda bulundu. Sanırım hepimiz Arthur Ruhlig’i devam eden hayati araştırmalara önemli bir katkı sağlayan kişi olarak tarihe yeniden kazandırmaktan gurur duyuyoruz.”
Ekip sonuçlarını, Ruhlig’in DT füzyonuna ilişkin ilk gözlemini 1938 yılında yayınlayan Physical Review dergisinde yayınladı.
Kaynak: https://scitechdaily.com
70 Yıllık Füzyon Sırrı Çözüldü: Temiz Enerjiye Bir Adım Daha Yaklaştık