Theoretical and experimental ınvestigation of plasma-wall ınteraction and material reliability ın fusion based tokamak reactor

Füzyon reaksiyonlarında döteryum (D) ve trityum (T) çekirdekler birleşerek Helyum (He) çekirdeklerine dönüşür. Bununla beraber, pozitif yüklü iki çekirdek arasında var olan itme kuvveti, birleşme etkilerini engeller. İki çekirdek arasındaki bir çarpışma, birbirlerine doğru son derece yüksek hızlarda itme kuvveti gerektiğinden birbirlerine yaklaşmaları gerekir. Füzyon süreci, yüksek hız ve sıcaklıklara neden olur. Bu iki atomun yaklaşık 100 milyon santigrat derece sıcaklıkta birleşmesi gerekir. D ve T atomları bu sıcaklıkta iyonize olduğunda, plazma üretilir. Çekirdeklerin birleşebilmesi için plazmanın sıcak kalması gerekir. Tokamak reaktörleri bu amaç için özel olarak tasarlanmıştır. Plazmanın geometrisi, manyetik alan içinde hapsedilmesini sağlayacak şekilde tasarlanmıştır. Böylece, plazma hapsolur. Darbe kaynaklı ısının yayılması engellenir. Reaksiyonu başlatmak ve sürdürmek için plazma yoğunluğunun ve sıcaklığının belirli bir eşiğe ulaşması zorunludur. Yaklaşık 45 milyon santigrat derecelik bir başlangıç sıcaklığına ulaşmak için yaklaşık 4 kiloelektron voltluk (keV) bir enerji gereklidir. Plazmanın bir manyetik alan içinde yüksek hızlarda hareket etmesi bir elektrik akımı oluşturur ve bu da ikincil bir manyetik alan yaratır. Bu manyetik alanın varlığı, plazmada düzensizlik ya da türbülans yaratarak bazı iyonların manyetik alandan kurtulmasına ve reaktör duvarına çarpmasına neden olur. Reaksiyon süreci sırasında, manyetik alan ortamından kaçan pozitif ve negatif iyonlar Tokamak reaktörünün duvarlarıyla etkileşime girerek deformasyona neden olur. Sonuç olarak, plazma kenarı kademeli olarak bozulur ve nötronların çevreye yayılmasına yol açar. Plazma ve duvar arasındaki etkileşim, Tokamak tipi reaktörlerde füzyonun bozulmasına yol açan kritik bir konudur. Bu reaktörlerde Grafit, berilyum, alüminyum ve tungsten kullanılması durumunda plazma duvarında iyon korozyonuna karşı en yüksek dirence sahip olmaktadır. Bu çalışma, teorik analiz ve deneysel incelemenin bir arada kullanarak plazma ve malzemeler arasındaki etkileşimi araştırmaktadır. Çalışmanın teorik aşamasında, füzyon reaktöründe kullanılan farklı duvar malzemelerinin (grafit, alüminyum ve tungsten) fiziksel ve kimyasal erozyonunu araştırmaya odaklanmıştır. Bu bozulma plazma etkileşimlerinin bir sonucudur. Bu erozyonları incelemek için Monte Carlo yaklaşımı kullanılarak teorik simülasyonlar ile incelenmiştir. Ayrıca çalışmada, aşınmaların reaktörün duvar malzemesinin dayanıklılığı ve uzun ömürlülüğü üzerindeki etkileri de incelenmiştir. Deneysel çalışma aşamasında ise vakumda doğru akım (DC) voltajı uygulanarak oluşturulan bir helyum iyonu plazmasının alüminyum yüzeyle temas ettiğinde meydana gelen fiziksel ve kimyasal değişiklikleri incelenmiştir. Numunelerin plazma ile etkileşimi, fiziksel erozyonun neden olduğu çatlaklar ve püskürtmenin neden olduğu deformasyonlar, yapısal karakterizasyon için atomik kuvvet mikroskobu ve elektron mikroskobu altında incelenmiştir. Malzeme numunelerinin güvenilirliği ise deformasyonların bir sonucu olarak malzeme yüzeyinde oluşan çukurların ortalama derinlik miktarları kullanılarak Weibull yöntemi ile incelenmiştir.