İsviçre Federal Teknoloji Enstitüsü’ndeki (l’Ecole polytechnique fédérale de Lausanne /EPFL) fizikçiler, otuz yılı aşkın süredir plazma ve füzyon araştırmalarının temelini oluşturan ve ITER gibi mega projelerin tasarımını yöneten temel yasalardan birini revize ettiler. Güncelleme, füzyon reaktörlerinde daha fazla hidrojen yakıtınının güvenle kullanabileceğini ve bu nedenle önceden düşünülenden daha fazla enerji elde edilebileceğini gösteriyor.
İki atom çekirdeğinin birleşerek muazzam miktarda enerji açığa çıkarmasını içeren füzyon, geleceğin en umut verici enerji kaynaklarından da biri. Günümüzde de dünyada enerji yaratmak için güneşin füzyon süreçlerini kopyalamayı hedefleyen Uluslararası Termonükleer Deney Reaktörü (International Thermonuclear Experimental Reactor / ITER) adlı uluslararası füzyon araştırma projesi bulunuyor. Bu bağlamda proje ile füzyonun gerçekleşmesi için doğru ortamı sağlayan ve enerji üreten yüksek sıcaklıkta plazmanın oluşturulması amaçlanıyor. Solunan havadan neredeyse bir milyon kat daha az yoğun olan maddenin gaza benzer iyonize hali olan plazmalar, pozitif yüklü çekirdekler ve negatif yüklü elektronlardan oluşur. Plazmalar, hidrojen atomlarını aşırı yüksek sıcaklıklara maruz bırakarak, elektronları atom çekirdeklerinden ayrılmaya zorlayarak oluşturulur. Bu işlem, “tokamak” adı verilen halka şeklindeki (toroidal) bir yapı içinde gerçekleşir.
Kapsamlı bir Avrupa iş birliği içinde çalışan Paolo Ricci EPFL’de füzyonda dünyanın önde gelen araştırma enstitülerinden biri olan İsviçre Plazma Merkezi’nde ve ekibi ile birlikte plazma üretiminin temel bir ilkesini güncelleyen ve yaklaşmakta olan ITER tokamak’ın aslında iki kat daha fazla hidrojen ile çalışabileceğini ve bu nedenle önceden düşünülenden daha fazla füzyon enerjisi üretebileceğini gösteren bir çalışma yayınladı.
Plazma oluşturmak için dikkate alınması gereken üç şeyin varlığına dikkat çeken Ricci bunları şu şekilde sıraladı: yüksek sıcaklık, yüksek yoğunlukta hidrojen yakıtı ve iyi hapsetme. Ricci şu bilgileri aktardı: “Bir tokamak içinde plazma yapmanın sınırlamalarından biri, içine enjekte edebileceğiniz hidrojen yakıt miktarıdır. 1980’lerde insanlar bir tokamak içine koyabileceğiniz maksimum hidrojen yoğunluğunu tahmin edebilecek bir tür yasa bulmaya çalışıyorlardı.”
1988’de füzyon bilimcisi Martin Greenwald, yakıt yoğunluğunu tokamak’ın küçük yarıçapı ve tokamak içindeki plazmada akan akımla ilişkilendiren bir yasa yayımladı. O zamandan beri, “Greenwald limiti” füzyon araştırmasının temel bir ilkesi oldu. Kaldı ki, ITER’in tokamak oluşturma stratejisi de Greenwald limitine dayanıyor.
Bu bağlamda Greenwald’in yasayı ampirik olarak, tamamen deneysel verilerden türettiğini vurgulayan Ricci şu bilgileri aktarıyor: “test edilmiş bir teori veya bizim ‘ilk ilkeler’ dediğimiz şey değil. Yine de, sınır araştırma için oldukça iyi çalıştı. Ve bazı durumlarda, DEMO (ITER’in halefi) gibi, bu denklem, yakıt yoğunluğunu belirli bir seviyenin üzerine çıkaramayacağınızı söylediği için, operasyonları için büyük bir sınır oluşturur.”
Diğer tokamak ekipleriyle birlikte çalışan İsviçre Plazma Merkezi, bir tokamak içine enjekte edilen yakıt miktarını hassas bir şekilde kontrol etmek için son derece gelişmiş teknolojinin kullanılmasının mümkün olduğu bir deney tasarladı. Deneyler, dünyanın en büyük tokamaklarında, Birleşik Krallık’ta Ortak Avrupa Torusunda (Joint European Torus / JET) ve Almanya’da ASDEX Yükseltmesi (ASDEX Upgrade ) ve EPFL’nin kendi TCV tokamaklarında gerçekleştirildi
Diğer yandan Ricci’nin grubunda yer alan doktora öğrencisi Maurizio Giacomin yakıt yoğunluğunu ve tokamak boyutunu ilişkilendirebilecek bir birinci prensip kanunu türetmek için tokamaklardaki yoğunluğu sınırlayan fizik süreçlerini analiz etmeye başladı. Bunun bir kısmı, bir bilgisayar modeliyle gerçekleştirilen gelişmiş plazma simülasyonunun kullanılmasını içeriyordu.
Ricci, simülasyonların; CSCS, İsviçre Ulusal Süper Bilgi İşlem Merkezi (Swiss National Supercomputing Center) ve EUROfusion tarafından sağlananlar gibi dünyanın en büyük bilgisayarlarından bazılarını kullandığını söyledi. Ricci sözlerini şöyle sürdürdü: “Ve simülasyonlarımız aracılığıyla bulduğumuz şey, plazmaya daha fazla yakıt ekledikçe, parçalarının tokamak’ın dış soğuk katmanından, sınırdan, çekirdeğine doğru hareket etmesiydi çünkü plazma daha çalkantılı hale geldi. Daha sonra, ısıtıldığında daha dayanıklı hale gelen bir elektrik bakır telinden farklı olarak, plazmalar soğuduklarında daha dirençli hale gelir. Bu nedenle, aynı sıcaklıkta içine ne kadar fazla yakıt koyarsanız, o kadar fazla kısmı soğur ve akımın plazmada akması o kadar zorlaşır ve muhtemelen bir bozulmaya yol açar.”
Sonunda, kırmayı başaran Ricci ve meslektaşları deneylerle çok iyi uyum sağlayan bir tokamak’ta yakıt limiti için yeni bir denklem türettiler. Yeni denklem, ITER’de yakıt açısından Greenwald sınırının neredeyse iki katına çıkarılabileceğini öne sürüyor. Bu, ITER gibi tokamakların, kesinti endişesi olmadan plazma üretmek için neredeyse iki kat daha fazla yakıt kullanabileceği anlamına geliyor. Ricci, “Bu önemli çünkü bir tokamak içinde elde edebileceğiniz yoğunluğun, onu çalıştırmak için ihtiyaç duyduğunuz güçle arttığını gösteriyor. Aslında DEMO, mevcut tokamaklardan ve ITER’den çok daha yüksek bir güçte çalışacak. Bu da Greenwald yasasının aksine çıktıyı sınırlamadan füzyon reaktörlerinde daha fazla yakıt yoğunluğu eklenebileceği anlamına geliyor. Ve bu çok iyi bir haber.”