Füzyon reaksiyonları kusurlardan bir noktaya kadar nasıl kurtulabilir?

Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı’ndaki (LLNL) araştırmacılar, eylemsiz füzyon enerjisi (IFE) için tasarlanan patlamaların, performans aniden düşmeden önce önemli kusurları tolere edebildiğini buldu; bu, gelecekteki füzyon enerji santralleri için yakıt hedeflerinin tasarımına bilgi verebilecek bir bulgu.

Bulgular yakın zamanda yayınlanan “Düşük modlu asimetrilere eylemsiz füzyon enerjisiyle ilgili patlamaların sağlamlığı” başlıklı bir makalede ayrıntılı olarak açıklandı. Plazma Fiziği ve derginin kapağına seçildi. Çalışma, araştırmayı ve analizi yöneten LLNL fizikçisi Timothy Johnson’ın yanı sıra ortak yazarlar Daniel Casey, Chris Weber, Omar Hurricane, Ryan Nora ve Seth Davidovits tarafından yönetildi.

Geniş ölçekte sağlamlık neden önemlidir?

Çalışma, asimetriler ve yakıt karışımı da dahil olmak üzere bozulma mekanizmalarının IFE ile ilgili patlamaları nasıl etkilediğine dair araştırmayı destekliyor. Johnson, motivasyonun bilimsel olduğu kadar ekonomik olduğunu da söyledi. Gelecekteki bir füzyon enerji santrali kusurlu patlamalar nedeniyle verimini kaybederse, elektrik üretme maliyeti de buna göre artar.

Bir füzyon enerji santralinin atıştan atışa sabit, öngörülebilir miktarda enerji üretmesi gerekir. Ulusal Ateşleme Tesisi’nde (NIF) gerçekleştirilen dikkatli bir şekilde kontrol edilen tek deneylerin aksine, bir enerji santralinin, her bir hedefin hızlı bir şekilde arka arkaya pozisyona enjekte edilmesiyle her saniye birden fazla yakıt kapsülünü ateşlemesi gerekecektir. Johnson, bu ortamda lazerlerin hızlı hareket eden bir hedefi nasıl vurduğuna ilişkin küçük hataların beklendiğini ve bunun, performans etkilenmeden önce bir patlamanın ne kadar asimetriyi tolere edebileceğini anlamayı önemli hale getirdiğini söyledi.

Yokuş değil uçurum

Araştırmacılar, 2 boyutlu radyasyon hidrodinamiği simülasyonlarını kullanarak, NIF’in ilk ateşleme atışının ardındaki tasarımı, yaklaşık 30 megajul enerji üretebilen bir kapsüle ölçeklendirdiler. Daha sonra, patlamanın performansının nasıl tepki verdiğini incelemek için, kontrollü asimetrileri veya itici radyasyonun kapsüle çarpma biçimindeki eşitsizliği aşamalı olarak tanıttılar.

Ekip, asimetri arttıkça verimin kritik bir eşiğe kadar kademeli bir düşüş yerine esasen sabit kaldığını buldu. Bu noktanın ötesinde performans keskin bir şekilde düştü ve kapsül ateşlenemedi.

Johnson, altta yatan fiziği, patlamanın merkezi sıcak noktası, füzyon reaksiyonlarının başladığı, aşırı ısınmış yakıtın küçük bölgesi açısından tanımladı.

Johnson, “Patlamadaki asimetriler sıcak noktadan enerji çalma eğiliminde” dedi. “Fakat eğer bu iyi bir patlamaysa, enerjinin bir kısmını almak yine de iyi bir patlamayla sonuçlanır ve yine de tutuşmaya devam edersiniz.”

Johnson, bu gidişatın zamana karşı bir yarış anlamına geldiğini söyledi. Asimetri, sıcak noktanın enerjisini tüketir ve kapsülün daha çabuk genişlemesine neden olarak ateşlemeye ulaşmak için daha az zaman bırakır. Tasarım yeterli kenar boşluğuna sahip olduğu sürece, sıcak nokta, kapsül ayrılmadan önce yine de yetişebilir. Ancak bu marj bittiğinde getiri yavaş yavaş azalmıyor. Araştırmacıların “uçurumdan” düşme olarak tanımladığı bir model olan keskin bir düşüş.

Verim ve sağlamlığın dengelenmesi

Johnson, çalışmanın ayrıca, gelecekteki enerji santrallerinin nasıl çevrimiçi hale getirileceğini muhtemelen şekillendirecek olan verim ve sağlamlık arasındaki doğal bir dengeyi ortaya çıkardığını söyledi. Operatörler, maksimum verimi tamamen optimize eden bir tasarımla hemen başlamak yerine, daha sağlam ancak daha az verimli bir patlamayla başlayabilir ve ardından verimi artırmak için sistemde ince ayar yapabilir.

Johnson, “Enerji santralini çalıştırdıkça ve asimetrinin kaynaklarını anladıkça, zamanla toleransları sıkılaştırabilir, sorunları çözebilir ve ardından daha yüksek verimli ancak daha az dayanıklı bir patlamaya geçebilirsiniz” dedi.

Johnson, dönen hedefleri enjekte etmenin ve onlara saniyede 10 defaya kadar lazer ateşlemenin karmaşıklığı göz önüne alındığında, gerçek bir IFE enerji santralinin ne kadar asimetri oluşturacağı açık bir soru olmaya devam ediyor.

İleriye baktığımızda, Johnson ve meslektaşları bu makaledeki sağlamlık çerçevesini, sıkıştırılmış yakıt jetleri içindeki doğrudan füzyon yanması ile tutarlı olan nötron görüntülerindeki parlaklık desenleri de dahil olmak üzere gerçek NIF patlamalarında zaten görülebilen özelliklere bağlamak için çalışıyorlar. Şu anda devam eden ilgili bir çalışma, patlamaların, yakıtın çevredeki kapsül malzemesiyle karışımına benzer bir esneklik gösterip göstermediğini inceliyor; Johnson, gelecekteki enerji santralleri için öngörülen koşullar altında güvenilir bir şekilde performans gösteren patlamaların tasarlanması açısından merkezi bir soru olduğunu söyledi.