Tokamak nedir ve nasıl çalışır

Question

Tokamak, füzyon enerjisi elde etmek için kullanılan deneysel bir manyetik hapsetme cihazıdır. Plazmayı yüksek sıcaklıklarda tutmak için güçlü manyetik alanlar kullanır ama bu süreçte enerji dengesini sağlamak ve plazmayı kararlı halde tutmak çok zor oluyor. Temel amacı, Güneş'teki füzyon reaksiyonlarını kontrol altında taklit ederek temiz enerji üretmektir.

Answer 1

Tokamak Nedir?

Tokamak, kontrollü termonükleer füzyon enerjisi elde etmek için tasarlanmış deneysel bir manyetik hapsetme cihazıdır. İsmi, Rusça "tok" (akım), "kam" (oda) ve "ak" (bobin) kelimelerinin kısaltmasından gelir. Temel amacı, Güneş'te ve diğer yıldızlarda gerçekleşen füzyon reaksiyonlarını Dünya üzerinde taklit ederek temiz ve neredeyse sınırsız bir enerji kaynağı yaratmaktır.

Tokamak Nasıl Çalışır?

Bir tokamak, temel olarak Güneş'teki koşulları laboratuvar ortamında oluşturmaya çalışır. Süreç şu adımlardan oluşur:

1. Yakıtın Sağlanması ve İyonlaştırılması

Tokamak'ın yakıtı, hidrojen izotopları olan döteryum ve trityum'dur. Bu gazlar, vakumlanmış büyük bir halka şeklindeki hazne olan plazma odasına enjekte edilir. Daha sonra yüksek enerjili elektrik akımları uygulanarak gaz, elektronlarından ayrılır ve dördüncü madde hali olan plazmaya dönüştürülür.

2. Plazmanın Manyetik Hapsedilmesi

Oluşturulan plazma, inanılmaz derecede sıcaktır (yüz milyonlarca derece). Hiçbir fiziksel malzeme bu sıcaklığa dayanamaz. Bu nedenle tokamak, plazmayı temas etmeden kontrol etmek ve hapsetmek için güçlü manyetik alanlar kullanır. Bu manyetik alanlar iki kaynaktan gelir:

• Toroidal Alan (Ana Alan): Plazma odasının etrafına sarılı büyük manyetik bobinler tarafından oluşturulur. Bu alan, plazma parçacıklarını halka şeklinde dönmeye zorlar ve odanın duvarlarına çarpmasını engeller.
• Polidal Alan (Akım Alanı): Plazmanın merkezinden geçen büyük bir transformatörün sekonder sargısı gibi davranan plazmanın kendi içindeki bir elektrik akımı tarafından oluşturulur. Bu alan, plazmayı sıkıştırarak kararlı kalmasını sağlar ve aynı zamanda onu ısıtır.

Bu iki manyetik alanın birleşimi, plazma parçacıklarını sarmal (helis) bir yol izlemeye zorlayan bileşke bir alan yaratır. Bu, plazmanın merkezde kalmasını ve duvarlara temas etmemesini sağlar.

3. Plazmanın Isıtılması

Füzyon reaksiyonlarının başlayabilmesi için plazmanın yüz milyonlarca derece sıcaklığa ulaşması gerekir. Bu sıcaklığa ulaşmak için birkaç ısıtma yöntemi birlikte kullanılır:

• Ohmik Isıtma: Plazma içindeki elektrik akımının direnci nedeniyle doğal olarak ısınır. Ancak bu tek başına yeterli değildir.
• Nötral Işın Enjeksiyonu: Yüksek enerjili nötr atomlar (döteryum) plazmaya enjekte edilir. Manyetik alandan etkilenmeden plazmanın içine girip iyonize olduklarında enerjilerini plazmaya aktararak onu ısıtırlar.
• Radyo Frekansı Isıtması: Plazmanın belirli frekanslarda titreşim yapmasını sağlayan, mikrodalga fırınlara benzer yüksek güçlü radyo dalgaları kullanılır. Bu titreşimler enerjiye dönüşerek ısı üretir.

4. Füzyon Reaksiyonu ve Enerji Üretimi

Plazma yeterince sıcak ve yoğun hale geldiğinde, döteryum ve trityum çekirdekleri birleşmek için yeterli enerjiye sahip olur. Bu birleşme sonucu:

• Bir Helyum çekirdeği (alfa parçacığı),
• Bir nötron,
• Ve çok büyük miktarda enerji açığa çıkar.

Reaksiyon şu şekilde ifade edilir: \( D + T \rightarrow He^{4} (3.5 MeV) + n (14.1 MeV) \)

Açığa çıkan yüklü helyum çekirdeği (alfa parçacığı) manyetik alan tarafından hapsedilir ve enerjisini plazmaya vererek reaksiyonun kendi kendine devam etmesine yardımcı olur. Yüksüz nötronlar ise manyetik alandan etkilenmez ve plazma duvarından kaçar. Bu nötronların kinetik enerjisi, tokamağın dışındaki "örtü" adı verilen malzeme tarafından emilir ve �sıya dönüştürülür. Bu ısı, geleneksel bir buhar türbini ve jeneratör sistemi kullanılarak elektriğe dönüştürülür.

Özetle:

Bir tokamak, Güneş'teki füzyon sürecini taklit eder. Hidrojen yakıtını, manyetik alanlarla hapsedilmiş ve çeşitli yöntemlerle ısıtılmış bir plazma haline getirir. Bu plazma içinde atom çekirdekleri birleşerek (füzyon) büyük miktarda enerji açığa çıkarır. Bu enerjinin kontrollü bir şekilde elektriğe dönüştürülmesi, tokamakların nihai hedefidir.