Nükleer füzyon tokamaklarında plazma kontrolü

Geleceğimizin belkide en çok umut vadeden enerji kaynaklarından birisi olan füzyon enerjisi aslında kulağa çok harika gelse de geliştirilmesi gereken pekçok yönü bulunmakta. Füzyon enerjisi aslında evrenin enerji kaynakları olan yıldızların kendi enerjisini üretme yöntemi olan nükleer füzyon, yıldızın kütle çekimi ile oluşan yüksek basınç ve sıcaklık sayesinde küçük tanecikli atomları nükleer reaksiyonlarla birleştirmesidir. Geleneksel ve daha çok bilinen fisyon (çekirdeklerin ayrışması) enerjisine göre 10 kat daha fazla enerji vermesi geleceğin temiz enerjisini adresliyor.

Peki bu yıldızların basınçları ve sıcaklıkları ile gerçekleştirdiği bu nükleer reaksiyonları biz Dünyada nasıl modelleriz? Tokamak. Rusçada toroidal manyetik hapsedilme anlamına gelen kelimelerin kısaltmasıdır Tokamak. Toroidal ise matematikte halka şeklinde anlamına gelir. Bu Tokamak reaktörleri donut şeklindeki halkasal yapılarının içinde hidrojeni plazma haline getirerek hafif çekirdekleri birleştirmeyi yani füzyonlamayı amaçlarlar.  Dünyada bu aşamaları modelleyerek yüksek sıcaklık ve basınç altında enerji üretmek hiçte kolay değildir. Bu üretim için yüksek teknoloji kullanarak bazı şartların da sağlanmış olması gerekir. Örneğin, nükleer füzyon için verilen ısı enerjisi bir noktadan sonra aldığımız enerjiden fazla olduğu için amaçlanan artı enerjiyi karşıyalamıyor. Ayrıca ısı arttıkça reaktörün materyalleri de eriyerek bozunmaya başlıyor. Aslında dikkat çekilmesi gereken noktalardan bir taneside reaktörün içindeki parlamalar ve boşa giden plazmadır.¹

Peki bu parlama nedir ve etkileri nelerdir. Tokamak sistemi içerisindeki plazmayı manyetik alanla içerisinde stabil ve korunaklı tutmayı amaçlar ve bu nedenle çok güçlü mıknatıslar kullanır. Ama malesef ki plazma, kenarlarda tıpkı güneşte ki gibi biraz kararsızlık ve parlama yapmaya yatkındır. Güneş patlamaları olarak adlandırdığımız olaylar aslında plazmanın süpertermal parçacıklarının parlamasıyla gerçekleşir. Bu parçacıkların bunu yapması bilindiği gibi yüksek enerjili bir olaydır. Güneşte gerçekleşirken bu sorun olmasa da bir nükleer reaktörde gerçekleşmesi istenmez. Çünkü parçacıkların sıcaklıkları reaktör çeperine zarar verebilecek potansiyele sahiptir. Ayrıca boşa giden bir enerji olup verim düşmesine neden olur.

Fransa’da yapılan ve bittiğinde dünyanın en büyük nükleer reaktörü adını alacak olan Uluslararası Termonükleer Deneysel Reaktörü (ITER) için bu gibi olasılıklar düşünülmüştür (Şekil 1). ITER’i en yüksek verimde çalıştırabilmek için Max Planck Plazma Fiziği Enstitüsünün araştırmacıları yoğun gayret içerisindeler. Bunun için birçok simülasyon ve kod yazma aşamalarını denemişlerdir. EUROfusion adı altında yapılan bu çalışmalarından MEGA adında hibrit bir kod ile süpertermal parçacıklarının oluşmasının önüne geçmenin bir yolunu bulmuştur. Bu kod sistemi ile bu parlamalar hakkında yeni bir bakış açısı sağlanmıştır.

Bu sistemi oluşturmak ve reaktörün içini en stabilizi hale getirebilmek için deneysel amaçla kullanılan ASDEX Upgrade tokmağında küçük çaplı deneyler yapılmıştır. Bu deneylerde ilk başta tokmakların genelinde kullanılan H-modunu (High confinement mode) göz önünde bulundurmuşlardır. Bu çalışma prensibi plazmayı basınç altında merkezde tutarak füzyonun gerçekleşmesini sağlar.

sa da plazma kenarlarında yüksek basınca sebep olur. Bundan dolayı bahsettiğimiz parlamalar gerçekleşir. Bu olay literatürde ELM (Edge-Localized Modes) yani kenar yerleşimli modlar olarak geçmektedir. Bu enerji boşalmaları reaktörün NBI (Neutral-Beam Injection) ile ısıtılması sırasında gönderilen yüksek enerjili iyonlarla ve reaktörde meydana gelen alfa parçacıklarıyla rezonansa girerek dalgalanmalara neden olur. Bu momentum ve enerji alışverişi ELM’lerin radyal genişliğini artırabilir ve normalde 50-100 kHz olan frekans 200-300 kHz bandına çıkabilir. En sorunlu kısım ise daha çok patlamasına neden olup enerji kaybını artırır.

Deneylerden önce parlama ve rezonansları tahmin edebilmek üzere bir dizi simülasyon ortaya konulmuştur. Bu simülasyonları üç başlık altında toplayabiliriz: 

1. Tek-n MDH (Magnetic Hydrodynamic) simülasyonları: “n” torodial mod numarası olmak üzere n=0-10 modları olan simülasyonlardır.
2. Tek-n hibrit simülasyonları: Hızlı iyonlar ve Ebirth ile gösterilen NBI ışınlarının kullanıldığı simülasyonlardır.
3. Çoklu-n simülasyonları: Genel olarak 0-10 arası modların hepsini barındırıp doğrusal olmayan parametreleri modelleyen simülasyondur.

Bu simülasyon dizilerinden ilkinde n=9 ve n=10 en kararsız modlar olup ELM gerçekleşme olasılığı en fazladır. İkinci simülasyona geçilip işin içine hızlı iyonlar girdiğinde ise bu kararsızlık n=8’e kadar düşmektedir. Yani hızlı iyonlar modun doğrusal büyüme hızını düşürüp ELM çöküşünü geciktirmektedir (Şekil 2).

Dünyanın en büyük tokmağının uygun şartlarda çalışması için bu simülasyonların ardından deneysel amaçlarla kullanılan ASDEX’de çalışmalar yoğunlaşmıştır. Bu çalışmalar sonucunda simülasyonların gerçekle uyumlu olduğu ve hızlı iyonların bir etkisinin olduğu kanıtlanmıştır.

Reaktör normal seyrinde devam ederken kenar basınçları ile meydana gelen ELM fazla bir dalgalanmaya sebep olmaktadır (Şekil 3). Yapılan bu denemeler sonucunda parlamaların ne kadar etkili olduğu kesinleşmiş ve dikkate alınmaları gerektiği ortaya çıkmıştır.²

Kaynaklar

1. Irani, A. (2025). Problems with the Tokamak—Challenges, Issues, and Solutions in Fusion Research. Journal of High Energy Physics, Gravitation and Cosmology, 11(2), 579-581
2. ASDEX Upgrade Team, & EUROfusion MST1 Team. (2025). Effect of energetic ions on edge-localized modes in tokamak plasmas. Nature Physics.