Bir füzyon reaksiyonunu çevreleyen malzemeler, bu reaksiyonun meydana gelme sıklığını önemli ölçüde artırabilir

Yüksek sıcaklıklardaki füzyon güneşe güç verir ve eğer kontrol altına alınırsa Dünya’da potansiyel bir enerji kaynağı sağlayabilir. Ancak füzyon reaksiyonlarını kontrol etmenin başka faydaları da vardır. Süreç aynı zamanda tıp, araştırma ve ulusal güvenliği kapsayan bir dizi uygulamada kullanılan nötron adı verilen atom altı parçacıkları da üretiyor.

Kaliforniya Üniversitesi Davis’ten ve Enerji Bakanlığı’nın Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı’ndan (Berkeley Laboratuvarı) bilim adamları, bir füzyon reaksiyonunu çevreleyen malzemelerin, özellikle füzyonun nadir olduğu düşük enerjilerde, bunun meydana gelme sıklığını önemli ölçüde artırabildiğini buldular. Çalışmaları şu adreste yayınlandı: Doğa İletişimi. Araştırmanın ilk yazarı, Munday’ın UC Davis’teki laboratuvarında doktora adayı olan Micah Karahadian’dır.

Yaklaşımları, katı malzemeler içindeki nükleer reaksiyonları incelemenin ve tasarlamanın bir yolunu oluşturarak yeni bir “malzeme güdümlü füzyon” alanı açıyor. Araştırmacılar, yalnızca sert füzyon koşullarında hayatta kalabilecek malzemeler tasarlamak yerine, katalizörlerin kimyasal süreçleri hızlandırmasına benzer şekilde, belirli koşullar altında reaksiyonu hızlandıran malzemeler tasarlayabilirler.

Berkeley Laboratuvarı Hızlandırıcı Teknolojisi ve Uygulamalı Fizik Bölümü’ndeki (ATAP) Füzyon Bilimi ve İyon Işını Teknolojisi grubunun başkanı olan ortak yazar Arun Persaud, “Size daha önce sahip olmadığınız yeni bir düğme sağlıyor” dedi. “Bu etkiyi daha iyi anlarsak, belirli koşullar altında füzyon hızını etkileyebilecek yeni malzemelerin mühendisliğinin kapısını açar. Bir gün gelecekteki ilerleme, kargo tarama, gezegen bilimi ve tıbbi tedavi ve görüntüleme gibi her türlü uygulamaya sahip daha kompakt ve verimli nötron jeneratörlerine olanak sağlayabilir.”

Deneyde araştırmacılar, hidrojenin ağır bir formu olan döteryumu (füzyonda sıklıkla kullanılan ağır bir form) paladyum ve titanyumdan oluşan ince folyolara paketlemek için iki farklı yöntem kullandılar. Daha sonra folyolara farklı enerjilerde bir döteryum iyonu ışını ateşlediler ve füzyonun ne sıklıkta meydana geldiğini ölçtüler. Farklı malzeme ve yöntemlerden elde edilen oranları “çıplak” füzyon reaksiyonuyla (bir malzemede değil) karşılaştırdılar.

Şaşırtıcı bir füzyon platosu

Ekip, füzyon oranlarının döteryumun metal folyolara nasıl yüklendiğine bağlı olduğunu buldu. En büyük etki, teorinin füzyon oranlarının keskin bir şekilde düşeceğini öngördüğü 2,5 kiloelektronvoltun (keV) altındaki en düşük enerjilerde görüldü. Bunun yerine, araştırmacılar şaşırtıcı bir plato buldu: Bazı örnekler, çıplak füzyon reaksiyonlarından kabaca kentilyon kat daha yüksek füzyon hızları gösterdi. (Bir kentilyon, 1’in ardından 18 sıfır gelir.)

Araştırmacılar bunun neden olduğundan tam olarak emin değiller, ancak bazı fikirleri ve bunları test etme yolları var. Malzemenin içindeki elektronlar ve kusurlar, döteryum çekirdekleri arasındaki itici elektrostatik kuvvetleri kısmen koruyarak onların birbirine yaklaşmasını ve kaynaşmasını kolaylaştırabilir. Malzemelerin elektronik yapısının, kusurlarının ve bileşiminin ayarlanması, nükleer reaksiyonların daha kolay gerçekleşmesine yardımcı olabilir.

Mühendislik Fakültesi’nde UC Davis profesörü olan ilgili yazar Jeremy Munday, “Mekanizmayı daha iyi anlamak ve onu geliştirmeye çalışmak gerekiyor” dedi. “Füzyon oranlarını artırabildiğimizi gördük, ancak sınır nedir? Bunu daha düşük sıcaklıklara veya enerjilere getirebilir miyiz? Füzyona yönelik açıkçası çok fazla ilgi ve heyecan var, dolayısıyla bu daha düşük enerji ölçeklerinde fizik hakkında öğrenebileceğimiz bir şey varsa, belki nükleer bilimin diğer alanlarına da aktarabileceğimiz bir şey vardır.”

Ekip daha geniş bir malzeme yelpazesi keşfetmeyi ve düşük enerjilerdeki beklenmedik füzyon platosunu araştırmaya devam etmeyi planlıyor. Çalışmaları, katı malzemelerin nükleer reaksiyonları nasıl etkilediğini incelemek için tekrarlanabilir bir deneysel platform oluşturarak füzyon bilimini malzeme bilimi ve kimya ile bağlayan yeni bir araştırma alanı yaratıyor.

ATAP direktörü ortak yazar Cameron Geddes, “Çalışma, düşük sıcaklıklarda füzyonun meydana geldiği maddi ortamın pasif bir kaptan ziyade aktif bir katılımcı olduğunu kesin olarak gösteriyor” dedi. “Bu, füzyon araştırmasına yeni bir boyut katıyor.”