Dünyanın her yerinde, füzyon plazmasını verimli bir şekilde sınırlamak ve onun muazzam enerjisini enerji üretimi için kullanmak için araştırmalar ilerlemektedir. Ancak plazma içerisinde çeşitli ölçeklerde meydana gelen türbülansın, plazma enerjisinin ve onu oluşturan parçacıkların salınmasına neden olarak hapsetme performansını düşürdüğü bilinmektedir.
Bu fiziksel olgunun aydınlatılması ve performans düşüşünün bastırılması kritik öneme sahiptir. Özellikle şu anda dünya çapında yürütülen yüksek sıcaklıktaki plazma deneylerinde, plazmanın çeşitli yerlerinde oluşan mikro ölçekli (sadece birkaç santimetre) türbülanslı girdaplar, bu hapsetme performansı bozulmasını önemli ölçüde etkilemektedir.
Mikro ölçekteki bu türbülansın bastırılmasının performansı belirli bir seviyeye kadar artırabileceği bilinirken, daha fazla iyileştirmenin sağlanamamasının nedeni belirsizliğini korudu. Ayrıca teorik simülasyon çalışmaları, gelecekteki füzyon güç reaktörlerinde mikro ölçekten daha küçük türbülansın etkileşime gireceğini ve etki yaratacağını öngörüyor.
Deneysel doğrulama beklenirken, gereken son derece hassas ölçüm teknolojisi nedeniyle bu başarılamadı.
İki farklı türbülans ölçeğinin özelliklerini araştırmak için, Ulusal Füzyon Bilimi Enstitüsü’nden Profesör Tokihiko Tokuzawa ve Proje Profesörü Katsumi Ida, İleri Araştırmalar Yüksek Lisans Üniversitesi’nden yüksek lisans öğrencisi Tatsuhiro Nasu ve Kyoto Üniversitesi’nden Profesör Shigeru Inagaki liderliğindeki bir araştırma grubu, her türbülanslı girdabın boyutuna göre uyarlanmış hassas ölçüm cihazları hazırladı.
Çalışma dergide yayınlandı İletişim Fiziği.
Ekip, her bir türbülansın gücünün nasıl değiştiğini incelemek için Büyük Helisel Cihaz (LHD) plazmasındaki aynı konumu eş zamanlı olarak gözlemledi.
Özellikle daha küçük ölçekli türbülanslı girdaplar için, girdapların deforme edici varyasyonlarındaki değişiklikleri yakalamak amacıyla iki yönden eşzamanlı gözlem yapılmasına olanak sağladılar. Deformasyon derecelerini ölçerek, etkilenen elektrik alanının durumunu belirleyebildiler; bu, o konumdaki arka plan kuvvet akışını tanımlayan önemli bir faktördü.
Sonuç olarak ekip, büyük ölçekli türbülansın gücü aniden azaldığında, daha küçük ölçekli türbülansın gücünün ise tersine arttığını keşfetti.
Dahası, bu küçük ölçekli türbülanslı girdapların daha az deformasyon sergilediğini buldular. Bu deneysel sonuç, daha küçük ölçekli türbülanslı girdapların, daha büyük ölçekli türbülanslı girdapların oluşturduğu elektrik alanı tarafından uzatılabileceğini öne süren teorik bir modelle açıklanabilir. Başka bir deyişle, büyük olan tarafından kuvvetli bir şekilde gerilen ve bastırılan küçük ölçekli türbülanslı girdapların, büyük olanın zayıflamasıyla birlikte büyümeye başladığı düşünülmektedir.
Daha sonra, daha önce gizemli olan mikro ölçekli türbülansta azalma olmasına rağmen, bu küçük ölçekli türbülansın büyümesinin, sınırlama iyileştirmesinin “belirli bir ölçüde” durmasına neden olan faktör olabileceği öne sürüldü.
Uluslararası Termonükleer Deneysel Reaktörde (ITER) gerçekleştirilmesi hedeflenen gelecekteki yanan plazma, öncelikle füzyon reaksiyonlarından üretilen alfa parçacıkları tarafından yönlendirilen plazma ısıtma mekanizmalarına dayanacaktır.
Bu çalışmada ölçülen daha küçük ölçekli türbülanslı girdapların, şu anda gözlemlenenlerden daha güçlü bir şekilde uyarıldığına ve plazma taşınması ve hapsedilmesi üzerinde daha büyük bir etkiye sahip olduğuna inanılmaktadır. Sonuç olarak, bu küçük ölçekli türbülanslı girdapların deneysel olarak doğrulanması şu anda dünya çapında aktif olarak sürdürülmektedir.
Bu zorluğun erken farkına varan araştırma grubu, ölçüm tekniklerinin geliştirilmesine öncülük etti. Türbülans tepkisini açıklamayı başardılar ve girdapların uzamasının boyutunu doğrulamak için bir yöntem geliştirdiler ve bu da dünyada bir ilk olan bu keşfe yol açtı.
Büyük ölçekli süper bilgisayarların kullanıldığı son teorik ve simülasyon çalışmaları, mikro ölçekli ve daha ince ölçekli türbülans arasında yeni keşfedilen çapraz ölçekli etkileşimlerin olasılığını öne sürdü. Bu keşif, bu olgunun ilk deneysel gözlemini temsil ediyor ve teorik modellerin geliştirilmesini hızlandırması bekleniyor.
Ayrıca bu modellerin temel alınarak gelecekteki füzyon reaktörlerinin performansının artırılmasına da katkı sağlanması öngörülüyor. Akademik açıdan bakıldığında, farklı ölçeklerdeki türbülans ile türbülanslı girdaplardaki ani yapısal değişiklikler arasındaki etkileşim, yalnızca laboratuvar füzyon plazmalarında değil aynı zamanda kozmik plazmalarda da bir çalışma konusu olmuştur.
LHD’nin yüksek sıcaklıktaki plazmasında elde edilen ayrıntılı deneysel gözlemlerin, diğer alanlarda da plazma fiziğinin anlaşılmasına katkıda bulunması bekleniyor.
