Plazma odak makinesi

Plazma Odak Makinesi (DPF) elektromanyetik ivme ve basınç kullanarak, nükleer füzyon yapmaya ve nötron ve röntgenlerin emisyon yaptırmaya yetecek kadar sıcak ve yoğun kısa ömürlü bir plazma üretmekte kullanılır. Plazmanın elektromanyetik basıncına pinch adı verilir. Bu birbirinden bağımsız olarak 1954’te N.V. Filippov ve 1960 başlarında J.W. Mather tarafından icat edilmiştir. Plazmanın odağı pinch yapmadan plazmoid formunda plazma enjekte eden yüksek kuvvetli plazma silahına (HIPGD) (ya da sadece plazma silahı)  benzerlik gösterir.

Dötaryum kullanarak çalıştırıldığında, röntgen ışınlardan ve dolu parçacıklardan gelen yoğun boşalma dışarı yayılır, tıpkı nötronlar dahil nükleer füzyon kullanan yan ürünlerde olduğu gibi. Hala yapılmakta olan, daha yumuşak röntgen ışınlarını gibi potansiyel uygulamaların yeni nesil mikroelektronik taş baskı, yüzey mikromakineleri, röntgen ışınları ve nötron kaynaklı medikal ve güvenlik teftişi uygulamaları ile materyal modifikasyonlarının mümkün olacağını gösteren çalışmalar vardır.

Nükleer silah uygulamalarında, plazma odak makinesi harici bir nötron kaynağı olarak kullanılabilir. Diğer uygulamalar da benzer nükleer patlama simülasyonaları (elektronik ekipmanı test etmek için) ve kısa ve yoğun nötron kaynaklarını, nükleer materyallerin (uranyum, plütonyum) keşfedilmesinde ve denetlenmesini içerir.

Plazma odak makinesinin en önemli karakteristiklerinden biri, odaklanmış plazmanın enerji yoğunluğunun alt-kilojul makinelerden megajule makinelere kadar  tüm makine çeşitlerinde bir sabit olmasıdır ki bu makineler optimal kullanım için ayarlanmıştır. Bu da demektir ki küçük bir masanın üstü miktarında bir plazma odak makinesi temel olarak en büyük plazmalarla aynı karakteristikleri gösterir. (ısı ve yoğunluk). Elbette daha büyük makine, daha yüksek hacimli plazma odağı yaratarak, daha çok radyasyon üretir ve daha uzun ömürlü olur.

Temel olarak en küçük plazma merkezi dahi, daha büyük plazmalarla aynı dinamik karakteristikleri taşdığı için, ürettiği plazma karakteristikleri ve radyasyon ürünleri benzer olacaktır. Bu plazmanın boyutlandırılabilirliği fenomeni ile ilgilidir.

Şarj edilmiş bir elektrikli kondansatör deposunda anot bir düğme görevi görür. Reaksiyon çemberindeki gaz, kırılır ve yalıtkan elektrik duvarında sürekli elektrik akımını yükseltir,asimetrik olarak, izlediği yol 1. figürde tasvir edilmiştir. Plazmanın asimetrik zarı, kendi manyetik alanıyla (Lorentz Kuvveti) akımla etkileşime girerek yalıtkanı yükseltir. Plazma kılıfı yatay olarak hızlanır ve 2. pozisyona daha sonra 3. pozisyona girer ve cihazın yatay fazı böylelikle bitmiş olur.

Tüm bu süreç birçok sefer ambiyans gazında ses hızını aşar. O anki kılıf yatay olarak hareket etmeye devam eder ve kontakt halinde olan kısımdaki anot slaytları anotun yüzeyinde asimetrik olarak kayar. Şok dalgasının yayılan ön kısmı aksis ile yeniden birleşince, yansıyan şok yüzü aksisten akım kılıfına ulaşıncaya kadar yayılmaya devam eder ki daha sonra pinchin asimetrik, merkezi ya da sıcak plazma dikiti olan sınırı oluşturur.

Yoğun plazma dikiti (Z-pinch) sürekli olarak stabil olmayan değişimlere uğrayıp kırılarak pinchleri oluşturmaya devam eder. Bu yoğun elektromanyetik radyasyon ve parçacık patlamaları genel olarak çoklu-radyasyon esnasında yoğun plazmik kırılma fazları olarak anılır. Bu kritik fazlar küçük bir odak makinesi için (kj, 100kA) tipik olarak, bir nanosaniyenin onda biri kadar, büyük bir odak makinesi için ise (MJ, bazen MA) bir mikrosaniye kadar sürer.

Tüm bu süreç, yatay ve merkezi fazlar da dahil olmak üzere, Mather DPF makinesi için birkaç mikrosaniyeden (küçük bir odak için) büyük bir odak makinesi içinse 10 mikrosaniye kadar zaman alabilir. Bir Flippov odak makinesi, Mather odak makinesine nazaran çok kısa bir yatay faza sahiptir.

Plazmanın enerji yoğunluğunu plazma odak makinelerinin tamamında sabit olduğu gerçeği, küçükten büyüğüe kadar, eğer plazma odağı belirli bir değerde tutulup efektif bir şekilde çalıştırılmak isteniyorsa parametrelerin dizaynı bu değere bağlı olmalıdır. Kritik hız dizaynı parametresi olup, lineer yoğunluk, gazın kütle yoğunluğunun kare köküne bölünerek hesaplanır.

Örneğin, nötron optimizasyonu yapılmış operasyonlarda bu kritik parametrenin döteryum değeri deneysel olarak kilojüllerden yüzlerce kilojüle uzanan bir aralıktaki makinelerde gözlemlernir: 9 kA/(mm•Torr0.5), ya da 780 kA/(m•Pa0.5), %10 gibi oldukça küçük bir deviasyonla, geniş bir aralıktaki makine boylarında incelenebilir.

İşte bu yüzdendir ki, en yüksek sabitimiz olan 180kA ise 10mm çapında anot ve dolma basıncı da 4 Torr (530 Pa) olan dötaryum gerekir. O anki kılıfın ortalama yatay transit hızını hemen hemen 50mm/μs’nin üzerine çıkarabilmeyi mümkün kılmak amacıyla amacıyla anotun uzunluğunun kondansatörün yükselme zamanına eşlenmesi gerekmektedir. Böylelikle kondansitörün yükselme zamanı olan 3 μs’nun anot uzunluğuyla eşitlenmek için 160mm olmasına ihtiyaç olacaktır.

Aşağıdaki örnek akımın en yüksek noktası olan 180 kA 3µs’ye yükselirken, anot yarıçapının ve göreceli uzunluk olarak 10 ve 160mm’nin UNU/ICTP PFF (United Nations University/International Centre for Theoretical Physics Plasma Fusion Facility)’deki dizayn parametrelerine yaklaştığı görülür. Bu küçük masa üstü cihaz düşük bütçeli entegrasyon deneylerinde kullanılan eğitim sistemleri için ve gelişen ülkelerde plazma araştırmalarını başlatmak/güçlendirmek ve transferini sağlamak için tasarlanmıştır.

Birbirine tıpatıp benzeyen on tane DPF makinesinden oluşan bir network dünyada sekiz ülkede çalışmaktadır. Bu network makine optimizasyonu ve tanı koyma (yumuşak röntgen ışınları, nütronlar, elektronlar ve iyonlar)dan, uygulamalara (mikrolitografi, mikromakine, materyal modifikasyonu ve fabrikasyonu, görselleştirme ve medikal, astrofizik simülasyonları) kadar uzanan bir alanda araştırmalar yapmakla birlikte modelleme ve bilgisayaraştırma ile de ilgilenmektedir. Bu network 1986’da Sing Lee tarafından organize edilmiştir ve Asian African Association for Plasma Training, AAAPT tarafından kontrol edilmektedir. Bir simülasyon paketi olan, Lee Modeli, bu network için geliştirilmiş olmakla birlikte bütün plazma cihazları için uygundur. Kod tipik olarak bilgisayara girilmiş ve ölçülmüş sonuçlar arasında harika bir uyumluluk içerisinde hareket eder ve Universal Plasma Focus Laboratory Facility olarak indirilebilir. The Institute for Plasma Focus Studies IPFS 25 Şubat 2008’de Lee Modelinin doğru ve inovatif bir şekilde kullanılmasını teşvik etmek ve plazma odaklı sayısal deneylerin uygulamaya geçmesini desteklemek amacıyla kurulmuştur. IPFS araştırmalarını şimdiden sayısal tabanlı nötron yeniden şekillendirme yasalarını çoklu megajul deneylerine kadar genişletmiştir. Bu araştırmalar onay beklemektedir. Kodla yapılan numerik deneyler ayrıca global skalada bir kompilasyonla sonuçlanmış ve iyi bilinen nütron satürasyonun etkisinin gerileyen boyutlandırmaya göre çok etkilerinin çok daha iyi olduğu ifade edilmiştir. Prensipte, dirençli satürasyon çarpmanın güç sistemin daha yüksek bir voltajda çalıştırarak giderilebilir.

Bunun nedeni, kondansatörün özdirenç deposunun azalarak, depolanan enerjinin (kondansatörde) artarak, yatay fazda dinamik bir resistans oluşturmasından ileri gelir.Polonya’nın Varşova kentindeki The International Centre for Dense Magnetised Plasmas (ICDMP), birkaç plazma odak makinesini uluslararası araştırma ve eğitim programı için çalıştırmaktadır. Bu makineler arasında 1 MJ enerji kapasiteli bir makine vardır ki dünyadaki en büyük plazma odak makinelerinden biridir.

Arjantin’in Buenos Aires kentinde  Inter-institutional Program for Plasma Focus araştırması 1996’dan beri devam etmekte olup, National Laboratory of Dense Magnetized Plasmas (www.pladema.net) tarafından koordine edilmektedir. bu program aynı zamanda Şiledeki Nükleer Enerji Komisyonu ve, Arjantin Ulusal Enerji Komisyonu, Buenos Aires Bilim Konseyi, the University of Cener, Mar del Plata Üniersitesi, Rosario Üniversitesi ve Buenos Aries üniversitesindeki Plazma Plazma Fizik Enstitüsü ile eş zamanlı olarak çalışmaktadır. Bu program altı değişik pazma odak makinesi çalıştırmak, uygulamalar geliştirmek; özellikle ulta-kısa tomografi ve madde tespiti gibi nötron tabanlı araştırmaları içermektedir. Şili şu anda güney yarım kürenin en büyük plazma odak fasilitesi olan SPEED-2 fasilitesini opere etmektedir. Yine PLADEMA geçtiğimiz on yıl boyunca birkaç matematik modeli ile plazma odak araştırmalarına destek vermektedir. Termodinamik model ilk defa harita modellemeyi geometrik ve operasyonel parametrelerle birleştirmeyi başarmış ve böylece nötron emisyonunu maksimize etmek için her zaman belirli bir basınç ve optimal tetik uzunluğu olduğunu göstermiştir. An itirabiyle sonlu elementler yöntemini doğrular nitelikte belirli sayıda deney yapılmış ve plazma odağı için bir dizayn aracı olduğundan emin olunmuştur.

2009’un başından beri, Malezyadaki INTI Plazma Odak Makinesi, Singapur’daki NX3 ve yakın zamanda bir üniversiteye kurulan ilk plazma makinesi olma özelliği taşıyan ve ilk nötron emisyonlu pincini 2009’un yılbaşı günü yaparak kaydeden Kansas Ünversitesideki KSU Plazma Odak Makinesi de dahil olmak üzere bir diziyeni plazma makinesi faaliyete sokulmaktadır.

Bazı gruplar tartışma yaratacak şekilde füzyon DPF’yi baz alan füzyon gücünün ekonomik olarak erişilebilir ve hatta p-B11 gibi düşük nötronlu yakıtlardan daha ucuz olacağını iddia etmişlerdir. p-B11’in DPF içindeki net gücünün fizibilitesi bremsstrahung kaybının quantum mekanikleri etkisiyle güçlü bir manyetik alanın içine çekilmesini gerektirir. Yüksek manyetik alan aynı zamanda siklotron radyasyonunun yüksek emisyon oranına sahip olacaktır, ancak öngörülen yoğunluklar, plazma frekansından daha büyük olursa, bu gücün çoğu plazmadan ayrılmadan önce yeniden absorbe edilecektir. İddia edilen bir diğer avantaj ise, elektrik içindeki füzyon gücünün direkt tekrarlanan enerji kapasitesinin, efektif olması için %70’in üzerinde olması gerekliliğidir.  Deneyler ve bilgisayar simülasyonları füzyon gücü için DPF kapasitesini incelemek için Lawrenceville Plasma Physics (LPP)’de “Füzyon Odaklanması”nı 2007’de Goodle Tech Talk’ta açıklayan Eric Lerner’in altında yürütülen deneylerle açıklanmıştır. 14 Kasım 2008’de, Lerner füzyon odaklanmasının fizibilitesini araştıran çalışmaları devam etmek için yatırım almıştır. 15 Ekim 2009’da, DPF aleti “Plazma Odak -1” ilk pinchi başarmıştır. 28 Ocak 2011’de LPP tarihi DPF trendinden azımsanmayacak bir şekilde daha fazla füzyon açığa çıkaran deneylerinin ilk sonuçlarını açıklamışlardır. 2012 yılının Mart ayında şirket, 1978 yılında 1.1 milyar olan rekoru 1,8 milyar dereceye ulaşarak kırdıklarını duyurmuşlardır.