TÜRKİYE ATOM ENERJİSİ KURUMU TEKNİK RAPOR ODAK-3K CİHAZIYLA PLASTİK İZ DETEKTÖRLERİ KULLANILARAK YAPILAN PLAZMA ODAK ÖLÇÜMLERİ

TÜRKİYE ATOM ENERJİSİ KURUMU TEKNİK RAPOR ODAK-3K CİHAZIYLA PLASTİK İZ DETEKTÖRLERİ KULLANILARAK YAPILAN PLAZMA ODAK ÖLÇÜMLERİ 2010

TÜRKİYE ATOM ENERJİSİ KURUMU 2690 sayılı kanım ile kurulmuş olan Türkiye Atom Enerjisi Kurumunun ana görevi; atom enerjisinin barışçıl amaçlarla ülke yararma kullanılmasında izlenecek ulusal politikanın esaslarmı ve bu konudaki plan ve programları belirlemek; ülkenin bilimsel, teknik ve ekonomik kalkınmasında atom enerj isinden yararlanılmasını mümkün kılacak her türlü araştırma, geliştirme, inceleme ve çalışmayı yapmak ve yaptırmak, bu alanda yapılacak çalışmaları koordine ve teşvik etmektir. Bu çalışma TAEK personeli tarafından gerçekleştirilmiş araştırma, geliştirme ve inceleme sonuçlarmm paylaşımı amacıyla Teknik Rapor olarak hazırlanmış ve basılmıştır. C ^ \ *^^\$ Teknik Rapor 2010/1 Türkiye Atom Enerjisi Kurumu yayınıdır. İzin alınmaksızın çoğaltılabilir. Referans verilerek kullanılabilir. TÜRKİYE ATOM ENERJİSİ KURUMU Adres : Eskişehir Yolu 9. km 06530 Ankara/Türkiye Tel :+90 (312) 295 87 00 Fax :+90 (312) 287 87 61 Web : www.taek.gov.tr

ÖNSÖZ III-B.06.TAEK.2 kodlu "Hızlı Nötronlarla Radyo-Görüntüleme İçin Plazma-Odak (Plasma-Focus) Cihazı Yapımı" adlı, SANAEMAR-GE Bölümü Füzyon Biriminde yürütülmekte olan proje kapsamında bir plazma odak cihazı tasarımı yapılarak geliştirilmiştir. Bu TAEK teknik raporu, yapılmış olan bu 0DAK-3K isimli cihazın, füzyon çalışmalarında kullanılabilirliğinin gösterilmesi amacıyla test amaçlı gerçekleştirilen bir dizi deneyin sonuçlarını içermektedir. Bu sonuçların ileride TAEK'in farklı birimlerinde yapılabilecek çalışmalara da ışık tutması ve TAEK içinde oluşturmakta olduğumuz bilimsel literatüre katkı sağlaması hedeflenmektedir.

İçindekiler Şekiller Dizini i Yönetici Özeti ii Executive Summary iii Kısaltmalar iv Terimler iv 1. GİRİŞ 1 2. KONU ANA ve ALT BAŞLIKLARI 2 2.1. Literatür. 3 2.2. ODAK-3K'nm Özellikleri 5 2.3. Deneysel İşlem 9 3. SONUÇ ve DEĞERLENDİRME 12 KAYNAKLAR 14 EK A. Odak Sistemi Parçaları Teknik Çizimleri 16

Şekiller Dizini Şekil 1. Mather tip plazma odak cihazı 4 Şekil 2. ODAK-3K cihazının şematik gösterimi 5 Şekil 3.a Cam vakum odacığı 6 Şekil 3.b Anot 6 Şekil 3.c Katot 6 Şekil 3.d Elektrotlar 6 Şekil 4. Plazma odak cihazı, vakum odacığı, elektrotlar, kıvılcım aralığı, Rogowski bobinleri 6 Şekil 5. Güç kaynağı, kapasitör, vakum sistemi 7 Şekil 6.a Anot 8 Şekil 6.bYakıtkan 8 Şekil 7.a CR-39 yerleştirme slaytları 8 Şekil 7.b Radosys banyo ünitesi 8 Şekil 7.c Radosys sistemi 8 Şekil 8. Gerilim, akım karakteristikleri ve pinch oluşumu 9 Şekil 9. Plazma odak cihazı D 2 spektrumu 10 Şekil 10. CR-39 iz detektörlerini içeren deneysel düzenek 10 Şekil ll.a Anot 11 Şekil ll.b Katot 11 Şekil 11.c Katot 11 Şekil ll.d Anot 11 Şekil 12. V=14 kv ve P=11.5 mbar basınçta çalıştırıldıktan sonra elde edilen tipik akım, voltaj ve akım türevi zaman serileri 12 Şekil 13. 15 (xm Al tabaka ile kaplanmış CR-39 plastik detektörlerde elde edilen nötron ve proton izleri 12 Şekil 14. Plazma odak hücresindeki basınca bağlı olarak nötron sayısındaki değişim 13 ı

Yönetici Özeti Bu çalışmada, yeni geliştirilmiş küçük ölçekli 0DAK-3K plazma odak cihazı ile yapılan test amaçlı füzyon araştırma sonuçları açıklanmaktadır. Cihaz maksimum 3kJ'lük bir enerji girdisine sahiptir ve hem plazma hem de D-D reaksiyonu araştırmaları için kullanılmaktadır. Döteryum ile yapılan deneylerde görülmüştür ki; V=14 kv voltaj için P=11.5 mbar basınçta cihazın elektrotları arasında I eak=39ka'likbir pik akımı akmaktadır. Cihazın her çalışması sonrasında ortalama toplam nötron çıkışının 3.3x10 5 olduğu, plazma odak vakum odacığı içine, anodun tam karşısına yerleştirilmiş olan CR-39 plastik detektörleri ile gözlenmiştir. ıı

Executive Summary In this study, some testing experiments on the fusion researches with a new-constructed plasma focus (PF) device, namely ODAK-3K are reported. The device has a maximal energy input of 3 kj and is used for both plasma and D-D reaction explorations. Experiments with deuterium have shown that peak current of I =39 ka flows between the electrodes at P= 11.5 mbar for the r peak operation voltage of V=14 kv. Average total neutron yield is measured around 3.3x10 5 neutrons per shot using CR-39 plastic detectors located opposite the anode inside the PF chamber. HI

Kısaltmalar ve Terimler Kısaltmalar PF : Plazma Odak Cihazı kj : Kilo Joule, Enerji Birimi ka : Kilo Amper, Akım Birimi kv : Kilo Volt, Gerilim Birimi CR-39 : C 12 H 16 0 7 bileşiğinden oluşan nükleer plastik iz detektörü D-D : Döteryum-Döteryum füzyon reaksiyonu MeV : Milyon elektron volt NaOH : Sodyum hidroksit Terimler Plazma Odak Cihazı: Yüksek gerilim ve akım altında saniyenin milyonda biri gibi kısa zamanda çok yoğun plazma oluşturabilen ve içine konulan gaza bağlı olarak çeşitli nükleer reaksiyonlar oluşturabilen bir füzyon makinesidir. Füzyon Lorentz kuvveti Tokamak Küresel Tokamak Rogowski Bobini Nükleer füzyon olarak da kullanılan bu terim, hafif atom çekirdeklerinin, nükleer reaksiyon sonucunda dışarıya enerji açığa çıkararak daha ağır çekirdekli başka bir element oluşturması olayıdır. : Yüklü ve hareketli atom-altı parçacıklara manyetik alan içerisinde etki eden kuvvet. : İçerisinde plazma oluşturulan ve oluşturulan plazmanın manyetik hapsetme yöntemi ile korunduğu plazma odalarıdır. Küresel biçimli olup merkezinde çok yoğun plazma hapsetme özelliğine sahip cihazlar. : Yüksek akımı ölçmede kullanılan toroidal bobin. iv

1. GİRİŞ Maddenin dördüncü hali olarak da bilinen plazma, en genel tanımla iyonize olmuş gazdır. Gaz fazmdaki maddenin çok yüksek sıcaklıklara ısıtılmasıyla atomlar iyonlaşarak elektron ve pozitif iyonlar oluştururlar ve az sayıda atom ise nötr kalmaya devam eder. Oluşan bu parçacık bulutu plazma olarak adlandırılır. Plazma elektriksel olarak nötr olmasına rağmen çok iyi bir iletkendir; elektrik alan ve manyetik alanla etkileşebilir. Ancak her iyonize gaz plazma değildir. İyonize gazın plazma olarak adlandırılabilmesi için bazı kriterleri sağlaması gerekmektedir ( V' 2 ^ 1,= \«L (1) y Burada; \ D [1], plazmanın elektrostatik özelliklerini belirleyen uzunluk ölçüsü anlamına gelen Debye uzunluğu olarak tanımlanır [2]. İyonlaşmış bir gazın plazma olarak adlandırılabilmesi için plazma boyutunun (L), Debye uzunluğundan çok büyük olması gerekmektedir [3]. b) N D =^mû\ N D >»\ (2) Debye küresi olarak bilinen hacim içerisinde bulunan parçacık sayısı birden çok büyük olmalıdır [3]. c) wt> 1 (3) t yüklü parçacıklar ile nötr atomların çarpışmaları arasında geçen ortalama zaman ve w plazma salınım frekansının çarpımı birden büyük olmalıdır [3]. Plazma için diğer iki önemli parametre ise yoğunluk (n) ve sıcaklıktır (kt). Plazma fiziği uygulamaları, yoğunluk için n = 1-10 18 cm -3 ve sıcaklık için kt = 0,1-10 6 ev değerlerinin geniş aralığında değişim gösterir [3]. Plazma fiziği uygulama alanlarından olan füzyon (nükleer kaynaşma), iki 1

hafif çekirdeğin, nükleer reaksiyon sonucunda dışarıya enerji açığa çıkararak daha ağır bir çekirdek oluşturması olayıdır. Ancak çekirdekler füzyon olayını gerçekleştirebilmek için Coulomb engelini aşmak zorundadırlar. Termonükleer füzyonda, ısı enerjisi kullanılarak bu problem aşılmaktadır. Bu nedenle sıcaklık füzyon başlangıcı için önemli bir parametredir. Füzyon için önemli problemlerden bir tanesi de plazmanın sıkıştırılması olayıdır. Günümüzde plazma sıkıştırılması iki yöntemle yapılmaktadır. Birici yöntem olan eylemsizlik hapsedilmesinde yakıt peletleri, lazer ve parçacık demetleri kullanılarak ısıtılmaktadır. İkinci yöntem olan manyetik hapsetmede ise manyetik alanlar kullanılarak plazma sıkıştırması yapılmaktadır. Temel füzyon reaksiyonları denklem (4, 5, 6) ile verilmiştir [3, 4]: D + D^> 3 He (0.82 MeV) + n (2.45 MeV) + 3.2MeV (4) D + D -^T(l.0lMeV) + H(3.02MeV) + 4.0MeV (5) D + T^> 4 He(3.5MeV) + n(\4amev) + n.6mev (6) Füzyon enerjisinden daha verimli olarak yararlamlabilmesi için sıcaklığın yanında plazma yoğunluğu (n) ve hapsetme zamanı (t) için de uygun koşulların sağlanması gerekmektedir. İyon yoğunluğu ile hapsetme zamanın çarpımı Lavvson kriteri olarak adlandırılır. Çarpımının minimum değeri döteryum-döteryum (D-D) reaksiyonu için 10 16 cm~ 3 s ve döteryum-trityum (D-T) reaksiyonu için 10 14 cnrvtür [3]. III-B.06.TAEK.2 kodlu "Hızlı Nötronlarla Radyo-Görüntüleme İçin Plazma- Odak (Plasma-Focus) Cihazı Yapımı" adlı proje kapsamında oluşturulmuş olan küçük ölçekli ODAK-3K cihazında test amaçlı olarak füzyon araştırma sonuçları ele alınmaktadır. Cihaz, 20 kv 15 (xf kapasitedeki kondansatör yardımıyla maksimum 3kJ'lük bir enerji girdisine sahiptir. Bu cihaz plazma ve D-D reaksiyonu araştırmaları için kullanılmaktadır. Yapılan deneylerde görülmüştür ki D-D reaksiyonu için gereken kritik sıcaklığa ulaşılmış, denklem (4) ve (5) ile verilen füzyon reaksiyonları gerçekleştirilmiştir. Bu D-D reaksiyonlarından %50 olasılıkla 2.45 MeV enerjiye sahip nötron ve 3.02 MeV enerjiye sahip proton çıkışı gözlenmiştir. Nötron ve protonların detekte edilebilmesi için anodun tam karşısına yerleştirilmiş olan CR-39 plastik detektörleri kullanılmıştır. Bu detektörler yardımıyla, katı açı başına düşen nötron ve proton sayısının 3.3x10 5 olduğu belirlenmiştir. 2

2. KONU ANA VE ALT BAŞLIKLARI 2.1 Literatür Özeti Dünyada, doğal kaynakların tükenmesinden dolayı 1950'li yıllardan beri kontrollü nükleer füzyon konusu ele alınmış ve bu konuda yapılan çalışmalar hız kazanmıştır. Son yıllarda tokamak ve küresel tokamak (spheromak) gibi geleneksel füzyon cihazlarına ilaveten yeni bir plazma cihazı-plazma odakliteratürde tanıtılmıştır [5-8]. Plazma odak, eksen boyunca kısa süreli, yüksek yoğunluklu plazma bölgesi oluşturan eş-eksenli silindirik elektrotlar arasında bulunan düşük basınçlı gazda pinch oluşturan bir cihazdır. Plazma odak cihazı basit geometriye, darbeli karaktere, yüksek yoğunluklu parçacık verimine ve geleneksel füzyon cihazları ile karşılaştırıldığında düşük maliyete sahiptir. Bu cihaz nötron, elektron ve iyon kaynağı olarak kullanılabildiği gibi çalışma gazına bağlı olarak güçlü ve zayıf X-ışmı kaynağı olarak da kullanılabilir [9-11]. Plazma odak cihazları, elektrot boyut oranları nedeniyle Mather Tip ve Filippov Tip olmak üzere sınıflandırılırlar. Elektrot boyut oranı, elektrot uzunluğunun iç elektrotun çapma bölünmesiyle elde edilir ve bu oran Filippov Tip için l'den küçük (genellikle 0.2 civarında), Mather Tip için l'den büyüktür (genellikle 5-10 civarında) [9]. Her iki tip PF cihazı, çalışmaları sırasında temel olarak üç aşama içerir. Birinci aşama, akım tabakasının (current sheath) oluşumunu sağlayan gaz boşalması aşamasıdır. İkinci aşama, plazmanın oluştuğu ve Lorentz kuvvetiyle elektrotların açıkuçlarmadoğruitildiği "snow-plough" model olaraktanımlanan ivmelendirme fazıdır. Üçüncü aşama ise radyal sıkıştırma olarak adlandırılıp oluşmuş olan plazma tabakalarının anodun hemen ucunda manyetik alan etkisiyle bir noktada yoğunlaşmasıdır. Zayıf ve güçlü X-ışmları bu aşamada yayımlanır ve eğer D-D reaksiyonu yapılırsa ortama nötron ve proton bu aşamada yayılır [9-13]. III-B.06.TAEK.2 kodlu projede Mather tip plazma odak cihazı incelenecektir. Şekil 1 Mather tip plazma odak cihazında eşdeğer elektrik devre ve boşalma evresini göstermektedir. Elektrotlar dik pozisyondadır. İç elektrot (anot) 3

tabanından itibaren eş-eksenli yalıtkan ile kaplanmıştır. Boşalma yalıtkan yüzeyinin üzerinde başlar ve plazma tabakası ilk olarak burada oluşur ve akım tarafından oluşturulan manyetik alanla eksenel olarak ivmelenme sağlanır. Akım tabakası anodun açık ucuna ulaştıktan sonra, plazma küçük bir bölgede (odak veya pinch) sıkıştırılır. Plazma odak cihazlarının bir çoğunda bu safhaların hepsi birkaç mikro saniyede tamamlanır. Güç kaynağının enerjisine ve cihazın boyutlarına bağlı olarak, pinch akımı kiloamper mertebesinden mega amperler mertebesine kadar değişir [9]. Cathode Şekil 1. Mather tip plazma odak cihazı Plazma odak cihazlarının çalışma performanslarını artırmak için literatürde birçok çalışma bulunmaktadır. Çalışma performansını artırmak için yalıtkanın cinsi, uzunluğu, anot ve katodun şekilleri, konumları, uzunlukları gibi parametrelerin doğru olarak belirlenmesi gereklidir [14-16]. Lee modeline göre akım kılıfının eksenel ve radyal hızları sürme parametresi (drive parameter) ile orantılıdır. Sürme parametresi I 0 /ap 1/2 ile verilir. Burada I 0 pik akım şiddeti, a anot çapı, p ise çalışma gazı basıncıdır. Aynı zamanda elde edilen pinch uzunluğu (z ) ve pinch çapı (r ), anot çapı z =0.8a ve r =0.12a ile ve şeklinde değişir [9]. 4

2.2 ODAK-3K'mn Özellikleri Bu çalışmada kullanılan plazma odak cihazı, maksimum şarj voltajı 20 kv ve boşalım akımı 62 ka olan 3 kj enerjili Mather tipi ODAK-3K cihazıdır. Şekil 2 plazma ölçümleri için gerekli kısımlarıyla birlikte ODAK-3K plazma odak cihazının şematik gösterimini temsil etmektedir. High Vottage Probe JL Vacuum System Şekil 2. ODAK-3K cihazının şematik gösterimi Öncelikle içinde plazmanın oluşturulacağı 246 mm uzunluğunda ve 120 mm çapında "T" şeklinde cam vakum odacığı olarak kullanılmıştır. Eksen boyunca kısa süreli, yüksek yoğunluklu plazma bölgesi oluşturan eşeksenli silindirik elektrotlar yapılarak cam vakum odacığı içerisine yerleştirilmiştir. İç elektrot olarak 88 mm uzunluğunda ve 37 mm çapında silindirik bakır anot, dış elektrot olarak 102 mm uzunluğunda ve 8 mm çapında 12 adet pirinç (Cu-Zn) çubuk şeklinde katot kullanılmıştır. Bu çubuklar 85 mm yarıçapta anot çevresine yerleştirilmiştir. Anot ve katot 2.5 mm kalınlığında ve 36.3 mm uzunluğunda payreks yalıtkan ile birbirinden ayrılmıştır. Cam vakum odacığı Şekil 3.a'da ve elektrotlar Şekil 3.b,c,d' de gösterilmektedir. Şekil 2' deki şematik gösteriminde toplam indüktans L =1.3 lh, toplam dış direnci R 0 =16mQ ve yükleme direnci R=lMQ'dur. 5

Şekil 3.a Cam vakum odacığı Şekil 3.b Anot Şekil 3.d Elektrotlar Elektriksel boşalma ve manyetik etki altındaki akımları (pinch akımı) ölçmek için Rogovvski bobinleri, gerilim değerini ölçmek için yüksek voltaj sondası ve elektrik boşalmasını başlatmak için ateşleyici olarak kıvılcım aralığı (spark gap) kullanılmıştır. Plazma odak cihazının (ODAK-3K) genel görüntüsü Şekil 4'de verilmektedir. Şekil 4. Plazma odak cihazı, vakum odacığı, elektrotlar, kıvılcım aralığı, Rogowski bobinleri 6

Sistemde 15 kv'luk güç kaynağı tarafından beslenen 15 xf kapasiteye sahip kapasitör kullanılmıştır. Vakum seviyesini sağlamak için ise mekanik ve turbo moleküler vakum pompa sistemi kullanılmıştır. Güç kaynağı, kapasitör, vakum sistemi Şekil 5'te gösterilmektedir. Şekil 5. Güç kaynağı, kapasitör, vakum sistemi Cihazın optimum çalışması ve etkili bir pinch oluşumunun sağlanması için empedans uyumu gerekmektedir. Bu nedenle devre elemanları ve sistem basıncı değiştirilerek bir dizi deney yapılmıştır. İç elektrot olan anodun boyutları ve şekli, buna bağlı olarak da payreks yalıtkanın boyutları değiştirilerek ikinci grup elektrot sistemi deneysel çalışmalara eklenmiştir. 95 mm uzunluğunda ve 19.9 mm çapında anot ve dış elektrot olarak 102 mm uzunluğunda ve 8 mm çapında 12 adet pirinç çubuk şeklinde katot kullanılmıştır. Bu çubuklar 85 mm de eşeksenli olarak anot çevresine yerleştirilmiştir. Anot ve katot 2.5 mm kalınlığında, 16 mm çapında ve 47 mm uzunluğunda payreks yalıtkan kullanılarak birbirinden ayrılmıştır. Oluşturulan yeni anot ve payreks yalıtkan Şekil 6.a,b' de gösterilmektedir. İkinci elektrot sistemi ile yapılan deneylerde Şekil 2'deki şematik gösteriminde toplam indüktans L 0 =1.28 juh, toplam dış direncir 0 =121mQ ve şarj direncir=lmq'dur. 7

Şekil 6.a Anot Şekil 6.b Yalıtkan D-D reaksiyonu sonucu çıkacak olan nötronların ölçümü için 1x1 cm 2 boyutlarında ve 980 um kalınlığında CR-39 (C 12 H 16 O y ) plastik iz detektörleri kullanılmıştır. Sistem çalıştırıldıktan sonra 90 + 1 C'de dört saat süre ile NaOH çözeltisi içerisinde CR-39 plastik iz detektörlerinin banyo işlemi yapılarak Radosys sisteminde okuma işlemi gerçekleştirilmiştir. CR-39 yerleştirme slaytları Şekil 7.a, Radosys banyo ünitesi Şekil 7.b ve Radosys sistemi Şekil 7.c'de gösterilmektedir. Şekil 7.a CR-39 yerleştirme slaytları Şekil 7.b Radosys banyo ünitesi Şekil 7.c Radosys sistemi 8

- - - - 2.3 Deneysel İşlem Sistem oluşturulduktan sonra optimizasyon için farklı basınç ve farklı devre elemanları ile çalışmalar yapılmıştır. Birinci grup elektrot sistemi için Rogowski bobiniveyüksekvoltajsondasıkullanılarakelde edilen akım,gerilimkarakteristikleri ve pinch oluşumu Şekil 8'de verilmektedir. Bu eğri plazma odak cihazında kırılma ile başlayıp pinch oluşumuna kadar olan plazma sürecini göstermektedir. Grafikte başlangıçta 1 (os'lik süreç boyunca gerilim eğrisinde görülen dalgalanmaların sebebi anot ve katot arasındaki boşalma sonucu ortaya çıkan ani gerilim artışlarıdır. Boşalma yalıtkan yüzeyinde başlar ve bu safhadan sonra plazma tabakası oluşur ve akım tarafından oluşturulan manyetik alanla eksenel olarak anodun uç noktasına doğru Lorentz kuvveti aracılığıyla ivmelendirilir. Bu süre deneylerimizde 3 (a.s olarak ölçülmüştür. Akım eğrisindeki azalma ise elektrotlar arasında oluşan plazmanın artan indüktansmm sonucudur. Plazma hızı v=1.12 cm/ as olarak bulunmuştur. İvmelendirilen plazma tabakası anodun uç noktasında sıkıştırılarak pinch oluşumu sağlanmıştır. Sıkışma safhasının oluşumu ise akım ve gerilim eğrilerindeki pik değerlerinden gözlenmektedir ve 0.4-0.7 (j.s olarak ölçülmüştür. _.' ' ' " 1 I I I I I I I I I I I I I I I,_ I I I I I I I I I I 1 1 I, 1 I 1 l_ 11T ' İUJL Current...:... J Sili"!!»»*» _... İIP" 1 "*'"' v İ l l i altage İ l l i -,,,, ı,,,!,,,,,,,,-, ı,,,, M 1.0(JS500MS/S A Chl s 1'B.OV 2.0ns^3t,,,,- Şekil 8. Gerilim, akım karakteristikleri ve pinch oluşumu 9

25000 1 20000 15000 10000 5000 0 200 400 600 800 1000 Dalgaboyu(nm) Şekil 9. Plazma odak cihazı D 2 spektrumu Sistemde çalışma gazı olarak döteryum kullanıldığında sıkıştırma fazından sonra alman spektrum Şekil 9'da verilmektedir. İkinci grup elektrot sistemi ile yapılan deneylerde 3 9 kapik akımı oluşturan 14 kv test voltajı ve çalışma gazı olarak döteryum kullanılmıştır. Yaptığımız deneylere göre çalışma basıncı olarak en iyi basınç değeri 8-14 mbar arasında bulunmuştur. D-D reaksiyonu sonucu çıkacak olan nötronların ölçümü için boyutları 1x1 cm 2 ve kalınlığı 980 (xm olan CR-39 iz detektörleri vakum odacığmm içine anottan 34 mm uzağa yerleştirilmiştir. İyon etkilerini yok etmek için detektörler 15 [xm Al tabaka ile kaplanmıştır. D-D füzyon reaksiyonu sonucunda 2.45 MeV enerjiye sahip nötronlar ve 3.02 MeV enerjiye sahip protonlar çıkmaktadır. Bu çıkan parçacıkları belirleyebilmek için termalize etmek gereklidir. Bu işlem için 1 cm kalınlığında küçük parafin blokları kullanılmıştır. Plastik detektörleri içeren detaylı deneysel düzenek Şekil 10'da verilmiştir. Şekil 10. CR-39 iz detektörlerim içeren deneysel düzenek 10

Her atış için voltaj ve akım değerleri görüntülenmiş ve Textronix TD 620A osiloskop ile kaydedilmiştir. Empedans L 0, direnç R 0 ve zaman periyodu x gibi elektriksel parametreleri belirlemek için, uluslararası literatürde de bahsedildiği gibi cihaz, kısa devre modunda çalıştırılmıştır [17]. Elektriksel parametrelerin belirlenmesinden sonra 30 ardıl çalıştırma gerçekleştirilmiştir. Sistem 30 defa çalıştırıldıktan sonra, CR-39 plastik iz detektörlerinin 90+1 C kontrollü sıcaklıktaki NaOH çözeltisi içerisinde dört saat boyunca banyo işlemi gerçekleştirilmiştir. Detektördeki izler optik mikroskopla ve dijital görüntü analiz sistemi ile sayılmıştır. Sayımlarda küçük eksenin büyük eksene oranı 0.9'dan daha büyük olan izler dikkate alınmıştır ve izlerinin çoğunluğunun bu kritere uyduğu tespit edilmiştir. Küçük izler 2-4 (xm, büyük izler ise 4-6 (xm arasında ölçülmüştür. Sistemin çalıştırılması aşamasında iyon ve yüklü parçacıkların bombardımanı nedeniyle Şekil 11.a, b, c, d'de gösterildiği gibi elektrotlarda kirlilikler meydana gelmektedir. Bu nedenle sistemin, belli periyotlarla temizleme işlemi gerçekleştirilmektedir. Şekil ll.a Anot Şekil ll.b Katot Şekil ll.c Katot Şekil ll.d Anot 11

3. SONUÇ VE DEĞERLENDİRME D-Dmzyon reaksiyonu çalışmalarında elde edilen plazma odak çalışma sinyalleri (osilogram) Şekil 12'de gösterilmiştir. Cihazın test çalışması sırasında gerilim, akım ve akımın türevi net olarak gözükmektedir. Akım eğrisindeki geniş pik cihazda plazma odaklamasının iyi bir şekilde oluştuğunu göstermektedir. I I I I I I I I voitage L -.' ' ' ' f 1 ' ' ' 1 ' ' ' ' 1 ' ' ' ' compression curre uf \ : -_ \ \ 1,,,,,,,,,,,,, r _ -,,,,.,, 1, 1,., Dîffci Şekil 12. V=14 kv ve P=l 1.5 mbar basınçta çalıştırıldıktan sonra elde edilen tipik akım, voltaj ve akım türevi zaman serileri Rdd> Racfc Şekil 13. 15 am Al tabaka ile kaplanmış CR-39 plastik detektörlerden elde edilen nötron ve proton izleri 12

Şekil 13 ise anodun karşısına yerleştirilmiş olan CR-39 plastik detektörlerden elde edilen nötron ve proton izlerini göstermektedir. Bu detektörler termalize edilmiş parçacıklarla ışmlanmıştır. Bu çalışmaya benzer çalışmalarda [18] küçük izlerin (2-4 (xm) protonlara, büyük izlerin (4-6 (xm) nötronlara ait olduğu kabul edilmiştir. Dijital görüntü analizi, ortalama iz yoğunluğunun 2583 tracks/mm 2 olduğunu göstermiştir. Toplam katı açı 47ld 2 (d=34mm) olarak alınırsa, hesaplamalar sonucu patlatma başına toplam ortalama nötron sayısının 3.3x10 5 nötron olduğu bulunmuştur. Farklı basınçlar için plazma odak cihazının üretmekte olduğu nötron ve proton sayıları ardışık deneyler sonucu elde edilmiştir. Şekil 14 bu çalışmanın sonucunu özetlemektedir. Grafiğe göre nötron veriminin maksimum ve minimum olduğu basınç değerleri açıkça görülmektedir. Maksimum nötron verimi 11 mbar civarında elde edilirken bu basınç değerinin üstünde ve altındaki değerlerde nötron eldesi azalmaktadır. Dolayısıyla plazma odak cihazının optimum çalışması için hücre basıncının 11 mbar civarında ayarlanması gerekmektedir. Ayrıca plazma odak cihazmdaki plazma akımının 1=39 ka olduğu göz önüne alınırsa; literatürdeki yaklaşık ölçekleme bağıntısı olarak kabul edilen Y a I k (k=3.3-4 olmak üzere) teorik bağıntısına [19,20] göre hesaplanan teorik sonucun I,78xl0 5-23.1xl0 5 nötron olduğu görülür. Bulmuş olduğumuz Şekil 14'te gösterilen optimum şarttaki deneysel değer, yukarıda bahsi geçen teorik değer aralığının içinde kalmaktadır. Elde edilen bu sonuç, yapılan deneysel çalışmanın literatürdeki çalışmalarla [9,19,20] paralel olduğunu göstermektedir. 10 11 12 13 14 Bas ınç (mbar) Şekil 14. Plazma odak hücresindeki basınca bağlı olarak nötron sayısındaki değişim 13

KAYNAKLAR 1. R. Dendy, Plasma Physics: An Introductory Course, Cambridge University Press, 513, New York, 1993. 2. F.F. Chen, Introduction to Plasma Physics, Plenum Press, 329, NewYork, 1974. 3. K. S. Krane, Niikleer Fizik 2, Palme Yaymcilik, 378-839, Ankara, 2002. 4. J. Ongena and G. Van Oost, Prospects for fusion power as a future energy source, Transactions of Fusion Science and Technology, 53, (2008), pp. 3-15. 5. J. W. Mather, Methods of experimental physics, Academic, New York, 1971. 6. N. V. Filippov, T. I. Filippova and V. P. Vinogradov, Dense and high temperature plasma in non-cylindrical z-pinch, in 1. Int. Conf. on Plasma Fusion Physics, Salzburg, Publ. by IAEA as Nucl. Fusion Suppl., part:2,1962. 7. S. Lee, Transverse ionizing shock waves in a planar electromagnetic shock tube,, Ph.D. diss., Australian National University, 1969. 8. W. J. Mather, Investigation of the high-energy acceleration mode in the coaxial gun, Phys. Fluids, 7(11), (1964), pp. 28-34. 9. L. Soto, New trends and future perspectives on plasma focus research, Plasma Phys. Control. Fusion, 47, (2005), pp. 361-381. 10. S. Lee, P. Lee, G. X. Zhang, X. Feng, V A. Gribkov, M. H. Liu, A. Serban and T K. Wong, High rep. rate high performance plasma focus as a powerful radiation source, IEEE Trans. Plasma Sci., 26, (1998), pp. 1119-1126. 11. F Castillo, J. J. E. Herrera, J. Rangel, A. Alfaro, M. A. Maza, V Sakaguchi, G. Espinosa and J. I. Golzarri, Neutron anisotropy and x-ray production of the FN-II dense plasma focus device, Braz. J. Phys., 32(1), (2002), pp. 3-12. 14

12. M. Scholz, I.M. Ivanova-Stanik, Initial phase in plasma focus devicemodel and computer simulation, Vacuum, 58, (2000), pp. 287-293. 13. W. Stepniewski, M. Scholz, B. Bienkowska, I. M. Ivanova-Stanik, M. Paduch and M. J. Sadowski, Theoretical and experimental study of plasma dynamics in PF1000 Facility, Czech. J. Phys., 56(2), (2006), pp. 401-405. 14. IM. Zakaulah, I. Ahmad, M. Shafique, S. Khanam, A. R. Omar, M. Mathuthu, G. Murtaza and M. M. Beg, Plasma focus characteristics using stainless steel anode, Phys. Scrip., 56, (1997), pp. 649-654 15. AH.R. Yousefi, F.M. Aghamir, K. Masugata, Effect of the insulator length on Mather type plasma focus devices, Physics Letters A, 361, (2007), pp. 360-363. 16. S. Lee, P. Lee, S. H. Saw and R. S. Rawat, Numerical experiments on plasma focus pinch current limitation, Plasma Phys. Control. Fusion, 50, 065012, (2008), pp.1-8. 17. D. Wong, P. Lee, T. Zhang, A. Patran, T. L. Tan, R. S. Rawat and S. Lee, An improved radiative plasma focus model calibrated for neon-filled NX2 using a tapered anode, Plasma Sourc. Sci. Tech., 16, (2007), pp. 116-123. 18. F. Castillo, J. J. E. Herrera, I. Gamboa, J. Rangel, J. I. Golzarri and G. Espinosa, Angular distribution of fusion products and x-rays emitted by a small dense plasma focus machine, J. Appl. Phys., 101(1), 013303, (2007), pp. 1-7. 19. S. Lee and S. H. Saw, Neutron scaling laws from numerical experiments, J. Fusion Energy, to be published, (2008). 20. J. M. Koh, R. S. Rawat, A. Patran, T Zhang, D. Wong, S. V. Springhan, T L. Tan, S. Lee and P. Lee, Optimization of the high pressure operation regime for enhance neutron yield in a plasma focus device, Plasma Sourc. Sci. Tech., 14, (2005), pp. 12-18. 15

EKİ ODAK SİSTEMİ PARÇALARI TEKNİK ÇİZİMLERİ 16

38 mm (cama girecek)- AR-GE Füzyon Lab Malzeme : Bakır C3 [B: L5~ I I AR-GE Bölümü Füzyon Biririm Malzeme : Prirıç Ölçüler : mm ADET : 3 -Çap 130 mm 17

puralurninyum Flanş _A Pirinç 12 Adet: Polyamid. 3 Adet Polyamid Somun 3 Adet Malzeme : Prinç 18

Malzeme : Demir profil veya L demir Adet 1, Ölçüler : cm AR-GE Bölümü 19

TAEK YAYIN BİLGİ FORMU Rapor Bilgileri 2. Rapor Başlığı Odak-3K Cihazıyla Plastik İz Dedektörleri Kullanılarak Yapılan Plazma Odak Ölçümleri 4. Yazarlar Yeşim AKGÜN, A. Seda BÖLÜKDEMIR, Erol KURT, ToİPaÖNCÜ, Ali ATACAKTP 6. Çalışmayı Yapan Birim SANAEM - ARGE - Füzyon Birimi 7. Destekleyen veya Ortak Çalışılan Kuruluşlar 8. Özet Bu çalışmada, yeni geliştirilmiş küçük ölçekli ODAK-3K plazma odak cihazı ile yapılan test amaçlı füzyon araştırma sonuçlarını açıklanmaktadır. Cihaz maksimum 3kJ'lük bir enerji girdisine sahiptir ve hem plazma hem de D-D reaksiyonu araştırmaları için kullanılmaktadır. Döteryum ile yapılan deneylerde görülmüştür ki; V=14 kv voltaj için P=11.5 mbar basınçta cihazın elektrotları arasında Ipeak=39 ka'lik bir pik akımı akmaktadır. Cihazın her çalışması sonrasında ortalama toplam nötron çıkışının 3.3x105 olduğu, plazma odak tüpü içine, anodun tam karşısına yerleştirilmiş olan CR-39 plastik 9. Anahtar Kelimeler Füzyon, Plazma odak, Döteryum, Nötron, Ölçekleme kanunu 1.Yayın Yılı/No 2010-1 3.Yayın Kurulu Tarih (Gün/Ay/Yıl)-No 25.03.2009-1-3 5-Yayın Türü Teknik Rapor 10. Gizlilik Derecesi Tasnif Dışı GİZLİLİK DERECELERİ TASNİF DIŞI (UNCLASSIFIED): İçerdiği konu itibarıyla, gizlilik dereceli bilgi taşımayan, ancak devlet hizmetiyle ilgili bilgileri içeren evrak, belge ve mesajlara verilen en düşük gizlilik derecesidir. HIZMETE ÖZEL (RESTRICTED): İçerdiği konu itibarıyla, gizlilik dereceli konular dışında olan, ancak güvenlik işlemine ihtiyaç gösteren ve devlet hizmetine özel bilgileri içeren evrak, belge ve mesajlara verilen gizlilik derecesidir. ÖZEL (CONFIDENTIAL): İçerdiği konu itibanyla, izinsiz olarak açıklandığı takdirde, milli menfaatleri olumsuz yönde etkileyecek evrak, belge ve mesajlara verilen gizlilik derecesidir. GİZLİ (SECRET): İzinsiz açıklandığı takdirde, milli güvenliği, milli prestij ve menfaatleri ciddi ve önemli bir şekilde zedeleyecek olan evrak, belge ve mesajlara verilen gizlilik derecesidir.