Güneşe güç veren prensiple çalışan nükleer füzyonun gelecekte sürdürülebilir bir enerji kaynağı olması bekleniyor. Füzyon güç üretimi elde etmek için, plazmayı manyetik alan kullanarak yüz milyon dereceyi aşan sıcaklıklarda hapsetmek ve bu yüksek enerji durumunu istikrarlı bir şekilde korumak esastır.
Bunu başarmadaki anahtar faktör, plazmanın içindeki elektrik potansiyelidir. Bu potansiyel, plazma içindeki parçacıkların ve enerjinin taşınmasını yönetir ve enerjinin etkili bir şekilde sınırlandığı ve kaçmasının engellendiği bir durumun oluşturulmasında önemli bir rol oynar. Bu nedenle, gelecekteki füzyon reaktörlerinin performansını artırmak için dahili plazma potansiyelinin doğru bir şekilde ölçülmesi esastır.
Plazma potansiyelini doğrudan ölçmek için ağır iyon ışın probu (HIBP) adı verilen temassız bir teşhis tekniği kullanılır. Bu yöntemde negatif yüklü altın iyonları (Au⁻) hızlandırılarak plazmaya enjekte edilir.
Yük durumlarının plazma ile etkileşimler yoluyla nasıl değiştiğini tespit ederek, plazma içindeki elektrik potansiyeli yüksek hassasiyetle çıkarılabilir. Bununla birlikte, yüksek hassasiyetli sinyallerin elde edilmesi, güçlü ve kararlı bir iyon ışınını gerektirir.
Negatif iyon kaynaklarındaki gelişmeler mevcut ışın akımını arttırmış olsa da, yüksek akımlı ışınların verimli bir şekilde taşınması ve hızlandırıcıya enjekte edilmesi zor olmaya devam etti ve bu da ulaşılabilir teşhis hassasiyetini sınırladı.
HIBP sistemi plazmayı nasıl ölçer?
Büyük Helisel Cihazda (LHD), plazmalardaki elektrik potansiyelini ölçmek için HIBP sistemi geliştirilmiştir.
Bu sistemde, bir altın negatif iyon (Au⁻) ışını tandem hızlandırıcıya enjekte edilir, altın pozitif iyon (Au⁺) ışınına dönüştürülür ve plazmaya enjekte edilmeden önce hızlandırıcının çıkışında 6 mega-elektron volta (MeV) kadar hızlandırılır.
Plazma ile çarpışarak Au²⁺ haline gelen ışın, mıknatıslanmış plazmadan geçer ve gelen Au⁺ ışın ile Au²⁺ ışının plazmayı geçtikten sonra arasındaki enerji farkı ölçülerek Au²⁺’nin üretildiği konumdaki elektrik potansiyeli belirlenebilir.
Net ve kesin bir potansiyel sinyali elde etmek için plazmaya daha yüksek bir enjeksiyon akımı gerekir.
Au⁻ iyon kaynağının çıkış akımı başarılı bir şekilde artırılmış olsa da tandem hızlandırıcıya enjeksiyon ışın akımı doğrudan orantılı olarak artırılamadı ve bu da önemli bir zorluk olmaya devam etti.
Işın taşıma darboğazını çözme
Bu sınırlamanın nedenini belirlemek için bir araştırma ekibi, iyon ışını taşıma simülasyon kodunu IGUN kullanarak, negatif iyon kaynağından tandem hızlandırıcının girişine kadar düşük enerji tarafındaki ağır iyon ışın taşıma verimliliğini analiz etti. Çalışma dergide yayınlandı Nükleer Füzyon.
Simülasyonlar, Au⁻ ışın akımı 10 mikroamperin (μA) altında olduğunda ışının hızlanma sırasında giriş yarığından geçebileceğini ortaya çıkardı. Bununla birlikte, daha yüksek ışın akımlarında ışın, uzay yükü etkisinden dolayı genişler ve tandem hızlandırıcıya girmeden önce önemli ışın kaybına neden olur.
Altın gibi ağır iyon ışınları için, uzay yükünün neden olduğu bu sınırlama, negatif iyon kaynağından gelen çıkış akımı arttırılsa bile özellikle belirgin hale gelir.
Işın taşıma verimliliğini artırmak için ekip, iyon kaynağı ile tandem hızlandırıcı arasında bulunan çok kademeli hızlandırıcının yalnızca hızlanma için değil aynı zamanda voltaj dağılımını optimize ederek elektrostatik bir mercek olarak kullanılmasını önerdi.
Sayısal simülasyonlar, çok kademeli elektrotların voltaj tahsisinin optimize edilmesiyle %95’i aşan bir yüksek iletim bölgesinin elde edilebileceğini ve geleneksel voltaj konfigürasyonuyla karşılaştırıldığında ışın taşıma verimliliğini önemli ölçüde artırabileceğini gösterdi.
Daha sonraki plazma deneyleri, hızlandırıcıya enjekte edilen Au⁻ ışın akımının iki ila üç kat arttığını göstererek bu yaklaşımın geçerliliğini doğruladı.
Plazma teşhisinin genişletilmesi ve geleceğe yönelik etki
Au⁻ ışın akımı arttıkça, plazmaya enjekte edilen karşılık gelen Au⁺ ışını da arttı, böylece LHD’deki ölçülebilir plazma potansiyeli aralığını 1,75 × 10¹⁹ m⁻³’lük çizgi ortalamalı elektron yoğunluğuna kadar genişletti.
Geliştirilmiş sinyal netliği, plazma sınırlama durumundaki değişikliklerle ilişkili dahili plazma potansiyeli dağılımındaki zamansal geçişlerin tespit edilmesini mümkün kıldı. t = 4.0 s’de plazma, elektron siklotron ısıtmasıyla sürdürüldü; t = 6,1 s’de, ısıtma kapatıldıktan 0,1 s sonra; ve t = 7,0 s’de, 180 keV nötr ışın enjeksiyonu ile.
Sonuçlar, elektron ısıtmasının sona ermesinden hemen sonra plazma potansiyelinde hızlı bir genel düşüş olduğunu ve ardından potansiyel profilinin kademeli olarak düzleştiğini ortaya çıkardı. Plazma potansiyelindeki değişiklikler, plazma sınırlama performansını güçlü bir şekilde etkilediğinden, bu deneysel veriler, plazma davranışının tahmin modellerini geliştirmek ve füzyon araştırmalarında yeni sınırlama çerçeveleri oluşturmak için vazgeçilmezdir.
Bu çalışmada geliştirilen yöntem, ağır iyon ışın taşınmasını optimize etmek için pratik ve kompakt bir çözüm sağlar ve yüksek yoğunluklu ışınlar gerektiren diğer teşhis sistemlerine ve hızlandırıcı uygulamalarına genişletilebilir.
Ayrıca, reaktör düzeyindeki füzyon plazmalarındaki iç potansiyel yapısının yüksek hassasiyetli ve tekrarlanabilir ölçümlerinin elde edilmesi, plazma kontrolü ve reaktör tasarımı konusunda gelecekteki araştırmalar için temel bir veri tabanı olarak son derece önemlidir.
