Plazma teknolojisindeki gelişme, nükleer füzyon reaktörlerinde izotop zenginleştirilmesini hızlandırabilir

Marathon Fusion, nükleer füzyon teknolojisinin önündeki önemli mühendislik engellerinden ikisini aşabilecek yeni bir plazma fiziği yaklaşımını duyurdu. Şirket, özel bir plazma santrifüj sistemi kullanarak hem hidrojen hem de lityum izotoplarını başarıyla ayırdığını bildirdi.

Bu başarı, tek bir elektromanyetik yöntemin hem yakıt geri dönüşümünü hem de gelecekteki füzyon güç santralleri için hammadde zenginleştirmesini sağlayabileceğini kanıtlıyor. Dennis Whyte, MIT Nükleer Bilim ve Mühendisliği Profesörü, “Teknolojileri, seçici trityum pompalama yoluyla füzyon güç santrali performansını artırırken aynı zamanda gerekli trityum miktarını önemli ölçüde azaltabilir” dedi.

Büyük Mühendislik Engelleri

Ticari füzyon santralleri, manyetik bir odada iki ağır hidrojen türünü (döteryum ve trityum) birleştirerek enerji üretmeyi amaçlar. Ancak, yakıt döngüsü hem tedarik hem de mühendislik açısından önemli zorluklarla karşı karşıyadır.

İlk olarak, reaktörler her döngüde yalnızca küçük bir kısmı yakıttan faydalanır ve bu da operatörlerin hızla temizleyip geri kazanması gereken büyük miktarda radyoaktif atık trityum üretir. İkinci olarak, trityum doğal olarak anlamlı miktarlarda bulunmaz, bu nedenle reaktörler lityumlu katmanları nötronlarla bombardıman ederek kendi yakıtlarını üretmelidir.

Geleneksel gaz santrifüjleri, daha ağır atomları dışarı doğru itmek için dönen mekanik rotorlar kullanır. Ancak, hidrojen gibi hafif gazların yüksek termal hızlarda hareket ettiği unutulmamalıdır. Bu nedenle, mekanik rotorların ayrım yapabilmesi için aşırı hızlarda dönmeleri gerekir. Fiziksel sınırlamalar, metal veya karbon fiber rotorların parçalanmadan ne kadar hızlı döndürülebileceğini sınırlar.

Fiziksel Sınırların Aşılması

Plazma santrifüj sistemi bu fiziksel sınırları aşar. Elektrik ve manyetik kuvvetler bir odada kesiştiğinde, yüklenmiş plazma parçacıklarını süper hızlı hızlarda dönmeye zorlar.

Marathon Fusion, yalnızca gazın bir kısmının elektrik yüklü olduğu kısmen iyonize bir durumda çalışır. Bu yüklü parçacıklar, nötr atomlarla çarpışarak tüm gaz karışımını hızlı bir şekilde döndürür. Santrifüj kuvveti daha ağır izotopları dışarı doğru vessel duvarına iterken, daha hafif izotoplar merkezde kalır. Bu tasarım, önceki plazma ayırıcılarında görülen aşırı ısı sorunlarını önler.

Reaktör egzoz hatlarına uygulandığında, sistem “diferansiyel pompalama” olarak bilinen bir işlemi gerçekleştirir. Helayum atığı ve daha hafif protium safsızlıkları gazın downstream işleme tesislerine girmeden önce ağır döteryum ve trityumu ayırır.

Bu doğrudan ayrım, yakıt işleme ekipmanının toplam hacmini %90’dan fazla azaltırken aynı zamanda bir santralin elinde bulundurması gereken tehlikeli radyoaktif trityum miktarını önemli ölçüde azaltır. Aynı mekanizma, reaktör soğutucuları ve üreme katmanları için lityumu işlemek için kullanılır. Örneğin, FLiBe gibi sıvı erimiş tuzlar, taze trityum üretmek için lityum-6’da zenginleştirilmiş veya fisyon sistemlerini soğutmak için lityum-7 içeren lityuma ihtiyaç duyar.

Çevre Dostu Alternatif

Mevcut durumda, dünya çapındaki zenginleştirilmiş lityum arzının çoğu, büyük miktarlarda toksik cıva kullanan eski bir kimyasal işlemle Çin ve Rusya’da üretilmektedir. Plazma santrifüj sistemi, cıvanın kullanımı olmadan kuru, kimyasal olmayan bir alternatif sunar.

Şirketin elektromanyetik bilgisayar modellerinin tahminleriyle eşleşen donanım testlerinden elde edilen deneysel ölçümler, ARPA-E VISION OPEN programı aracılığıyla ABD Enerji Bakanlığı tarafından finanse edilen mühendisler, sistemin çok aşamalı konfigürasyonlarını geliştirmektedir. Ekip, gelecekteki ızgara ölçekli füzyon tesisleri için zenginleştirilmiş izotoplar sağlamak üzere bir ticari pilot tesisi inşa etmeyi planlıyor.