Evrende, termonükleer füzyon yaygın bir tepkidir: yıldızlar için enerji kaynağıdır. Yeryüzünde, bu süreci kullanarak enerji üretmek, plazmanın önemli miktarda enerji yayımını kontrol etme sorunları nedeniyle zordur. Burada kritik öneme sahip olan plazmanın mevcut durumu ve nükleer reaksiyonlarda salınan güç bilgisidir. ITER reaktöründe, bu bilgi sofistike bir nötron akısı teşhis sistemi tarafından toplanacaktır.
On yılı aşkın bir süredir yapım aşamasında olan ITER deneysel reaktörü, füzyon enerjisinin gelişiminde bir kilometre taşıdır: nükleer füzyon kullanan ve operasyonu için gerekenden birkaç kat daha fazla güç üretebilen ilk cihaz olmaktır.
Bu reaktördeki plazma teşhis sisteminin kritik olarak önemli bir unsuru – yüksek çözünürlüklü nötron spektrometresi (HRNS) – dergide yeni sunuldu. Füzyon Mühendisliği ve Tasarım. Spektrometre tasarımı, Cracow’daki Polonya Bilimler Akademisi Nükleer Fizik Enstitüsü (IFJ PAN), Uppsala Üniversitesi ve Milan’daki la Scienza e Tecnologia dei Plumu tarafından işbirliği içinde geliştirilen Milan’da işbirliği içinde geliştirilen fizikçiler ve mühendisler tarafından ortak bir çabadır.
“Tasarladığımız spektrometre, plazma tarafından yayılan nötronların sayısını ve enerjilerini, ITER reaktörü için beklenen füzyon gücü aralığında ölçmemize izin veriyor. Bu bize, reaksiyon odasının içinde birbirleriyle birleşen hidrojen izotopları hakkında bilgi verir.
“Plazmadaki iki baskın reaksiyondan hızlı nötron popülasyonunun ölçülmesi, yakıt kompozisyonu, iyon sıcaklığı ve yanma kalitesinin doğrudan bir göstergesidir. Bu, reaktör operasyonunu kontrol etmek ve optimize etmek için önemli bir araç olacaktır. Bu bilginin eksikliği, en önemli plazma teşhis araçlarından birinin kaybını, her ikisinin de güvenli bir şekilde kullanılması anlamına gelecektir.
Termonükleer enerji güvenle “yeşil” olarak tanımlanabilir. Enerji, burada yıldızların içinde üretilme şekline benzer şekilde üretilir, yani nükleer füzyon reaksiyonları yoluyla, en umut verici olanı hidrojen izotoplarının (deuterium ve trityum) helyuma füzyonu gibi görünmektedir.
Daha da önemlisi, Deuterium Dünya Okyanuslarında büyük miktarlarda bulunur ve trityum büyük miktarlarda gerekli değildir ve gelecekte reaktörün kendisinde üretilebilir (nötronlarla daha kolay temin edilebilen lityum bombalanarak). Ayrıca, füzyon reaksiyonu zincir benzeri değildir, bu nedenle bir patlamaya ve büyük miktarda oldukça zararlı radyoaktif maddelerin dağılmasına yol açamaz. Dolayısıyla çevresel kontaminasyon riski minimal kalır ve esas olarak reaktörün yapısal elemanlarıyla sınırlıdır.
Ne yazık ki, muazzam potansiyeline rağmen, füzyon enerjisi araştırma ve geliştirme aşamasında kalıyor. Pratik uygulamanın tamamlanması birkaç yıl sürebilir – Demo Tokamak’ın inşası, deneysel reaktörler ve bir füzyon enerjisi santrali arasında bir köprü.
Hidrojen izotoplarının çekirdekleri, elektriksel olarak yüklü olarak, reaktörün toroidal vakum odası içindeki manyetik bir alan tarafından duvarlardan izole tutulabilen plazma oluşturur (bu tür reaktörlere Tokamaks olarak adlandırılır). Şu anda, bu plazma ayrıca reaksiyonun uygun seyrini garanti eden 150 milyon Kelvin sıcaklığına ulaşmak için ayrıca ısıtılmalıdır. Füzyon sırasında üretilen, elektriksel olarak nötr olan yüksek enerjili nötronlar, Tokamak’ın duvarlarına doğru kaçarak üretilen enerjinin çoğunun geri kazanılmasına izin verir (ve sonuçta lityum ile çarpışmalarda trityum oluşturur).
Helyum çekirdeklerinin oluşumu, gelecekteki termonükleer reaktörlerin verimliliği için temel öneme sahip olacaktır. Yüksek enerji ile donatılmış ve elektriksel olarak yüklü, Tokamak’ın manyetik alanındaki plazmanın içinde kalacaklardı ve daha sonraki deuterium ve trityum ile çarpışmalarda kendi enerjisini azaltarak nihayetinde termonükleer yakıtın enerjisini artıracaktır. Bu işlem harici ısıtma ile ilişkili enerji maliyetlerini azaltacaktır.
ITER Reaktörü – 2007 yılından bu yana Cadarache, Fransa’da inşaatın altında, şu anda 20 milyar doları aşan ve önümüzdeki on yılın ortasında çalışmaya başlaması planlanan – plazmayı ısıtmak için henüz helyum çekirdeklerini kullanmayacak. Bu sınırlamaya rağmen, tükettiğinden on kat daha fazla enerji üretmesi bekleniyor ve sonuçta 500 megawatt’lık bir güç çıkışına ulaşıyor.
HRNS spektrometresi, plazmanın tam merkezinde üretilen nötronları tespit edebilmek için, birkaç santimetre çapında bir açıklık yakınında, füzyon odasını çevreleyen kalın beton koruyucu bir duvarın arkasına monte edilecektir. Reaktörün gücüne bağlı olarak, akıları dramatik bir şekilde değişecek ve saniyede santimetre kare başına yüz milyonlarca parçacığa ulaşacaktır.
Ölçüm sırasında HRN’ler, nötron spektrumunu deuterium-deuterium reaksiyonundan (2.5 megaelektronvoltlara sahip nötronlar) ve deuterium-trityum reaksiyonundan (14 megaelektronvolt enerjisi olan nötronlar) analiz edebilecektir.
HRNS spektrometresinin ITER reaktöründe öngörülen tüm koşullar altında çalışmasını sağlamak için, dört bağımsız alt montaja ayrılması gerekiyordu. Bunların her biri aslında farklı prensipler üzerinde çalışan ve farklı bir nötron akısı yoğunlukları için tasarlanmış ayrı bir spektrometredir. IFJ Panından fizikçiler, TPR (ince folyo proton geri tepme) adı verilen ilk alt montajın gelişimi üzerinde çalışıyorlar.
Burada, nötronlar protonları ince bir polietilen folyodan çıkarır ve saçılma açıları nötronların enerjilerine bağlıdır. Yaklaşık 100 silikon dedektör sadece protonların tespitinden sorumludur. İkinci alt montaj, nötronların bir düzineden fazla elmas dedektör tarafından kaydedildiği NDD (nötron elmas dedektörü) spektrometresidir.
Son iki alt montaj, FTOF (ileri uçuş süresi) ve BTOF (uçuş süresi) nötronların uçuş sürelerini ölçün ve kinetik enerjilerini bu şekilde belirlenen hızlara dayanarak tahmin edin, FTOF, orijinaline benzer şekilde dağılanlar analiz eden bir hareket yönünü koruyan nötronları analiz eder ve büyük Angles’lerde dağılmıştır.
“HRN’ler nötronları ölçmek için tasarlanmıştır, ancak bu, diğer radyasyon türlerini tespit etmeyeceği anlamına gelmez. Uygulamada, gama-ışını fotonlarından reaktör bileşenlerimizle nötron etkileşimlerinden kaynaklanan parçacıklara kadar diğer birçok partikül, dedektörün aktif kısmında uygun bir spektrumla ilgili olarak, tüm bu faktörlerin sonuçlandırılmasıyla sonuçlanacaktır. Deuterium ve trityumdan, bu zengin gürültünün kökenini iyice anlamalıyız, “diye vurguluyor Prof. Marek Scholz (IFJ PAN).
Tokamak operasyonu sırasında ölçüm sistemine sınırlı erişim nedeniyle, bilim adamlarının gelen verilerin nasıl yorumlanacağını bilmeleri gerekir. Bu özellikle, çalışma aşaması sırasında, alt montajlardan birinin dedektörlerinden bazıları veya hatta tüm alt montajlar hasar görüyorsa önemlidir. Koruma elemanlarının tasarlanması, ne nötron akışının ne de beden tarafından uyarılan ekipmanın parçalarının elektronik alt sistemlerin veya tüm spektrometrenin yakınında çalışan diğer ölçüm cihazlarının çalışmasına müdahale etmeyecek şekilde kritik öneme sahipti.
“Proje, yalnızca nötron ölçümleriyle doğrudan ilişkili olanlar değil, büyük miktarda sayısal hesaplama gerektiriyordu. Örneğin, enstitemizden bir grup, diğerlerinin yanı sıra, tüm sistemin bireysel bileşenlerinde nötron ve gama radyasyonunun taşınmasını göstererek HRNS spektrometresinin radyasyon korumasının optimizasyonunu sağlayan Monte Carlo hesaplamalarından sorumlu idi.
IFJ Pan’taki Radyasyon Taşıma Fiziği Bölümü başkanı Dr. Urszula Wiacek, “Aynı derecede önemli olan HRNS spektrometresinin bireysel bileşenlerinin radyoaktif aktivitesinin hesaplanmasıydı. Bu bilgi, IFJ Panında Radyasyon Taşıma Fiziği Bölümü başkanı Dr.
Bilim adamları, ITER füzyon reaktörü için yüksek çözünürlüklü bir nötron spektrometresinin prototipinin iki yıl içinde geliştirilmesini bekliyorlar.
