Stil tanımları
Stellarator
Wendelstein 7-X
17 Aralık 2015
Sonunda Almanlar, 19 uzun yıl boyunca teknolojik bir kâbus olan bir stellaratorun montajını tamamladılar. Aralık ayının başlarında bu makine ilk plazmasını üretti ve ITER'den onlarca yıl önceden. Elbette, web sitelerimdeki ziyaretçilerin bana bu makine hakkında birçok soru sorması kaçınılmaz oldu.
Bu proje 19 yıl sürdü ve bir milyon saatlik çalışma gerektirdi. 20 düz bobin ve 50 düz olmayan bobin içeriyor. Bu ayrımın nedeni nedir? Bu bobinlerde bir manyetik alan oluşturmak istendiğinde, 12.000 amper kadar yüksek bir akım geçirmek gerekir. Ancak bir bobin içinden yüksek akım geçirildiğinde, bu bobin merkezkaç kuvvetlerine maruz kalır ve bu kuvvetler bobinin dairesel bir şekil almasına neden olur. Bu durumda bobinlerin kırılmasına yol açabilir. Alman stellaratorunun geometrisi oldukça karmaşık olduğu için
dairesel olmayan, hatta eğri şekilli bobinlerin yapılması gerekli oldu:
Neden bu kadar karmaşık bir geometri? YouTube'da yüklediğim 5 videoyu izlerseniz, tokamakların temel prensipleri anlatılır. Bu fikir, Andrey Sakharov ve Artsimovitch tarafından geliştirilen soğuk bir fikirden gelir. Eğer bir toroidal odanın etrafına düzenli olarak dairesel bobinler yerleştirilirse, manyetik alan makinenin ekseninde, bobinler birbirine en yakın olduğu yerde daha güçlü olur. Plazmaların genellikle en düşük manyetik alan bölgelerine doğru hareket etme eğilimi olduğu için bu durum, manyetik alanın odada oluşturulan plazmayı dışa doğru itmesine neden olur. Tokamak, bu soruna ilk çözüm olarak sunulmuştur. Makinenin eksenine yerleştirilmiş bir selenoid, yavaştan artan bir manyetik alan (ITER'de 13 tesla'ya ulaşacak) oluşturur ve bu alan test odasını kaplar. Bu sayede plazmada bir indüklenen akım oluşur ve bu akım plazmada dairesel olarak döner. Bu akım kendi manyetik alanını oluşturur, bu da odanın etrafındaki bobinlerin oluşturduğu manyetik alanla birleşir. Sonuçta manyetik alan çizgileri spiral bir şekil alır.
Yükümlü parçacıkların manyetik alan çizgileri etrafında spiral hareket etme eğilimleri olduğu için, bu çizgileri takip ederler. Bu da plazmayı odanın merkezinde tutmamızı sağlar. Diğer çözüm, 1950'lerde Amerikalı Lyman Spitzer tarafından önerilen ve kendisine "stellarator" dediği yapıdır. Wendelstein X-7 makinesi bir stellaratordur:
Sarı renkli alan makinenin odası, mavi renkli alan ise birçok bobin. Alman stellaratorunun tasarımı sırasında odanın şekli ve bobinlerin dizilimi optimizasyon amaçlı çok sayıda bilgisayar hesaplaması yapıldı. Bu da devasa bir çalışma ve bir milyon saatlik emek gerektirdi.
Neden tokamak yerine stellarator tercih edildi? Tokamak (ve ITER) için en büyük sorun, müdahalelerin (disruptions) meydana gelme ihtimalidir. Odanın içindeki "plazma akımı" (ITER'de 15 milyon amper) bir yılanın kuyruğunu yiyen bir yılan olarak hayal edilebilir. Çok basitçe, bir müdahale, bu akımın nasıl sarmallanmasıyla ilgilidir. Yılan kuyruğunu bırakır ve duvara "vurur". ITER'de bu "vurma" 11 milyon amper olarak tahmin edilir.
Neden? MHD türbülansı. Daha da kötüsü: bu manyetik alan bozulması, yüklenmiş parçacıkları hızlandıran gradientlerle birlikte gelir: temelde elektronlar. Bu elektronlar ışık hızına yakın, neredeyse görelilik hızlarına ulaşır ve büyük enerji kazanır. Belirli bir hızdan sonra, iyonlarla neredeyse etkileşime girmemeye başlarlar. Bu durumda bu elektronlara "bağımsız elektronlar" denir. Ancak "avalanche etkisi" ile diğer elektronları da hızlandırırlar. ITER'de bu etki çarpıcı bir şekilde çoğalır.
Bir stellaratorda bu olaylar meydana gelmez. Bu, başka kararsızlıkların ortaya çıkabileceğini anlamına gelmez. Bu soruya sadece deneyimler cevap verecektir. Yarı yüzyıldır plazma makineleri çok sayıda kötü sürpriz hazırladı, bu yüzden ilerlemenin yavaş ve dikkatli olması gerekiyor.
Alman makinesi, manyetik alanın şiddeti 3 tesla ulaşan bir manyetik sistemle donatılmıştır. Mikrodalga ısıtma sistemi 10 ila 50 saniye boyunca çalışacak şekilde planlanmıştır. Nötral enjeksiyon sistemi 8 MW güçte enerji sağlayacaktır. Bu cihazlarla araştırmacılar, odadaki plazmayı, metreküp başına 3x10²⁰ çekirdek yoğunluğunda, 60 ila 120 milyon derece sıcaklıkta tutmayı umuyorlar.
Alman stellaratoru, "otonom" bir füzyon plazması üretmeye yetmeyecek, yani füzyondan elde edilen enerji plazmanın sıcaklığını yeterince korumaya yetmeyecek. Bu farklı makinelerle "nükleer ateş" yakmaya çalışıyoruz. Bu durumu, nemli bir odunun bir kasa parçası ya da bir "ateş yakıcı" makinesiyle yakmaya çalışmak gibi düşünebilirsiniz. Odundan çıkan ısı, süreçte dışarıdan gelen enerjiyle birlikte işlev görür. Kuru odun parçaları ya da ateş yakıcı tüketildiğinde iki durum olabilir: ya nemli odunun yanması yeterli ısıyı sağlayacak ve ateş kendini koruyacak, ya da bu enerji yeterli olmayacak ve ateş sönecek, yeniden başlamak için yeni bir ateş yakıcıya ihtiyacınız olacak.
Dünyadaki hiçbir plazma makinesi bu koşulları şu ana kadar sağlayamadı. En etkili olan JET, Q katsayısını (girilen enerji / üretilen enerji) 0,6'ya kadar çıkarttı. ITER'in amacı bir birimden daha yüksek bir katsayı elde etmekti. Arada bir, aniden kendini koruyan bir füzyon plazmasının nasıl davranacağı konusunda hiçbir fikrimiz yok. Bu tür konularda teorik tahminler yapmak çok zordur.
Alman stellaratoru, karmaşıklığına göre maliyetiyle orantılı bir maliyetle gerçekleşti. Bence harcamalar bir milyar avroya çıktı. Ama bu, olgunlaşmış bir proje. Makine inşa edildi, manyetik sistemleri çalışıyor ve Aralık ayının başlarında araştırmacılar ilk plazmalarını elde ettiler. Sonraki adım, mikrodalga ve nötral enjeksiyonla enerji girişini artırmak olacak. Bu teknikler iyi kontrol ediliyor. İlk soru şu: "Bu makine plazma konfinasyonu açısından beklentileri karşılıyor mu?" Görünüşe göre olumlu bir başlangıç elde edildi.
Stellarator, füzyonla enerji üretimi açısından bir çözüm müdür? Henüz çok erken. Ama maliyeti ITER'in maliyetinin 16 katı kadar düşük. Bu devasa projeden büyük bir farkı var: çalışır ve araştırmacılar, bir müdahale nedeniyle anında hasar görmesinden korkmazlar. ITER'de bu durum söz konusu değildir.
Bu risk, bu projeyi ciddi şekilde zorlar. ITER'in nasıl tasarlandığına bakıldığında, herhangi bir bileşenin değiştirilmesi çözümsüz bir sorun olabilir. Müdahalelere en çok maruz kalan bileşenler "divertor" bileşenleridir.
İlk resimde makinenin genel ölçüsüne göre parçanın boyutu değerlendirilebilir. Tekniklerin bileşenleri yerleştirirken ne tür zorluklarla karşılaştıklarını gösteren bir video mevcut. Bunların değiştirilmesi de aynı derecede zor olacak. İzleyin:
https://www.youtube.com/watch?v=pt70mO2nQac
Ayrıca, plazmadan çıkarılmak istenen güç arttıkça müdahale riski de artar.
Alman stellaratoru, füzyonla enerji üretimi için bir öncü proje değil, sadece araştırma aracıdır. Bu konuda ilginç bir proje, mantıklı bir yaklaşım sergiler. ITER projesi başından beri devasa bir projeydi. Teknik ve bilimsel zorluklar ciddi şekilde alt değerlenmiş oldu.
Fransa'da, laboratuvar düzeyinde olsa bile, bir stellarator yok. Bireysel olarak, "üç yapraklı düğüm" konfigürasyonunu test etmeyi önerdim. Bu da manyetik alan çizgilerinin spiral bir şekilde sarılmasını temsil eder ve aynı zamanda dairesel bobinlerle bu yapıyı oluşturmayı mümkün kılar.
Ancak bu odanın etrafında, şu denklemle tanımlanan bir "kalp" vardır:
x = Cos t + 2 Cos 2t
y = sin t - 2 sin 2t
z = 2 sin 3t
Düz bir kesitte, dairesel bir noktada, maksimum alan noktası her turda 270° döner, bu da plazmanın homojenliğini sağlayabilecek kadar yeterli olabilir. Bobinlerin dairesel olması, manyetik alanın 10 tesla'ya kadar çıkarılmasını sağlayabilir (ITER odasındaki nominal alan 11,8 tesladır).
Ancak, sadece 50 cm'lik küçük bir modelin, özel bir laboratuvarda yapılması için yapılan tüm çabalar boşuna kaldı. CNRS'nin plazma araştırmalarını yürüten bölümü, bu çalışmaların iki ana hatta indirgendiğini belirtti:
- ITER
- Mégajoule
İşaret olarak, Mégajoule'nun büyük kardeşi olan ABD'deki NIF (National Ignition Facility) sonuçları çok hayal kırıklığı yarattı. Bu yüzden, Mégajoule'da lazerle füzyon çalışması yapma umudunun da bir hayal olduğu ortaya çıktı. ABD makinesi 192 tane neodymiumlu camlı lazer içerirken, Fransız makinesi 176 tane olacaktır. NIF'in başarısızlığına rağmen, Fransız projesi tamamlanacak.
Ayrıca, neden bu başarısızlık oldu?
1970'lerin ortalarından itibaren, çok gizli bir araştırma projesi olan Centurion Halite sayesinde Amerikalılar, deuteryum-trityum bir küre sıkıştırılarak içinde füzyon oluşması için 10 ila 20 megajoule enerji gerekli olduğunu biliyorlardı. Ancak NIF, bu damlada sadece 0,18 megajoule enerji toplayabildi, yani 55 kat daha az enerji. Ancak lazerler 1,8 megajoule enerji üretiyordu. Ancak "hohlraum" (fırın) sisteminde bu enerjinin %80-90'ı, bu küçük fırının yapımında kullanılan altın ısıtma amacıyla harcanıyordu.
Altınla yapılan küçük fırın, hedefi barındırıyor
Hedefe gerçekten yerleşen enerji oranı
50 kat daha fazla lazerin bir araya getirilmesi mümkün değildi. Projenin teorisyenleri, John Nulholls başta olmak üzere, bu damlada değil, küçük bir ampulün iç yüzeyine katılaştırılmış D-T bir tabaka üzerine sıkıştırma yapmayı önerdiler. Risk, Rayleigh-Taylor kararsızlığı nedeniyle sıkıştırmanın kötü olmasındı. Bu kararsızlık, bir akışkanın başka bir akışkana baskı uyguladığı zaman meydana gelir. Bu durumu, daha yoğun bir akışkanın, altındaki akışkana baskı uyguladığında ne olacağını düşünerek kolayca hayal edebiliriz:
Rayleigh-Taylor kararsızlığı
Nulholls, sayısal simülasyonlarından elde ettiği tahminlere güvenerek, bu kararsızlığın deneyimin sonucuna az etki edeceğini iddia etti. Ona göre, ilk denemelerde (2012'de) füzyon sağlanacak ve deneycilerin yapması gereken tek şey, simülasyon parametrelerini deneysel verilerle daha iyi uyumlu hale getirmek olacaktı. Ancak deneme kampanyası tamamen başarısızla sonuçlandı. Ölçümler, Rayleigh-Taylor kararsızlığının tam olarak etkili olduğunu gösterdi.
Bu durum nasıl gözlemlenebilir? Sadece hedefe izleyici atomlar yerleştirerek Doppler etkisiyle sönüm hızını ölçmekle mümkündür. Füzyon için bu sönüm hızı 370 km/s olmalıdır. Gerçek durum ise çok daha uzakta ve bu sönüm hızları oldukça dağılmıştı, düzenlilik eksikliği gösteriyordu.
Bu yüzden, güçlü bir deney (6 milyar dolarlık) tamamen bilgisayar simülasyonlarına dayalı bir başarısızlıkla karşı karşıyayız. Diğer yön ise Nulholls ve ekibinin kafasını doldurmasıydı. Diğer araştırmacıların hesaplama kodlarını incelemesini yasakladılar, çünkü bu kod "gizli savunma" olarak sınıflandırılmıştı.
Fransızlar ne yaptı? 1970'lerin ortalarından 1980'lerin başlarına kadar, Mégajoule projesi geliştirilirken, bu füzyon için gerekli olan 10-20 megajoule hedef enerjisi biliniyor muydu? Gerçekten biliniyordu. Mantıken bu proje durdurulmalıydı. Fransızlar, Amerikalılarla aynı yolda ilerledi. Diğer tüm ülkelerde (Rusya, Japonya), araştırmacılar "güçlü lazer hattına" (lazer başına bir terawatt) sahipti. Ama diğer yerlerde "Amerikalılar ve Fransızlar ne sonuçlar elde ettiğini görelim, sonra karar verelim" deniyordu. Rusya'da özellikle, askeri mühendislerin kendi "Centurion-Halite" projesi olabilir.
NIF ve Mégajoule projeleri başından beri, lazerle füzyonla enerji üretimi üzerine değil, çünkü bu lazerlerin verimi sadece %1,5'ti. Bu temele dayalı füzyon santrallerinin ortaya çıkması, sadece halkı aldatmakla sınırlıydı. Aslında bu projeler %100 askeri amaçlıydı. Hedefin sıkıştırılması, plutonyum-239'lu bir füzyon silahının X-ışınları ile ısınması sonucu meydana gelen sıkıştırma, çok küçük ölçekte yeniden oluşturuluyordu.
Fransa'da, ITER ve Mégajoule gibi bu iki devasa proje dışında, mini-stellarator veya Z-makineleri üzerine bir çalışma yok. Gramat, Lot'ta, askeri tarafından yönetilen ve kurulmuş olan Sphinx makinesi, MHD ile sıkıştırma ile füzyonu mümkün kılmıyor. Makine çok yavaş (yükselme süresi 800 nanosaniye). Akımın boşaltma süresini kısaltmak mümkün değil. Bu yüzden... başka bir tesis gerekiyor.
Neden 100-150 nanosaniye civarında kısa bir yükseltme süresi bu kadar önemli? Çünkü bu yükseltme süresi, yaklaşık yüz megahertz'lik değişken bir akım anlamına gelir. Yüksek frekanslı akımlar iletkenin iç kısmında değil, dış kısmında akar. Buna "cilt etkisi" denir. Z-makinelerinde, saç tellerinin kalınlığındaki tellerde 70.000 amper akım geçirilir. Eğer yükseltme süresi çok uzunsa, akım telin derinliklerine kadar iner ve teli buharlaştırır. Kısa bir yükseltme süresiyle, sadece telin "cildi" plazmaya dönüşür.
Diğer yapılar da var, örneğin MagLif. Fransa için bu tür yolların seçilmesi çok faydalı olurdu. Ama bu "devler" olan ITER ve Mégajoule, bu tür araştırmaları engelliyor.
Bu iki büyük kaybı daha fazla anlatmayacağım ve sadece bir anekdotu paylaşacağım. Son zamanlarda bir arkadaşım ile Vinon'da planörle uçarken çok güldüm. Daha önce, merkezin karşısında düzenli bir manzara vardı, şimdi ise ITER'ı barındırması planlanan devasa metal bir iskelet yükseliyor. Bu süreçte bir İspanyol pilot merkeze iniyor ve uçakla birlikte. Yerel insanlarla birlikte bir içki içtikten sonra geri dönmeye karar veriyor. Ancak kalktıktan sonra sola dönüyor ve doğrudan ITER'e doğru ilerliyor.
Hava kontrolü (eski bir kamyon içinde, kontrol kulesi olarak kullanılıyor) hemen mikrofona bağlanıp, bu bölgenin uçuş yasak olduğunu bildiriyor. Diğer pilot, alındığını kabul ediyor, sola dönüyor ve şöyle cevap veriyor:
-
- Evet evet, anladım. Dönerim ve o oyun alanı bölgesinden kaçarım...*