Theoretical and experimental ınvestigation of plasma-wall ınteraction and material reliability ın fusion based tokamak reactor
Füzyon tabanlı tokamak reaktörlerinde plazma duvar etkileşimi ve malzeme güvenilirliğinin teorik ve deneysel olarak incelenmesi
- Tez No: 846899
- Danışmanlar: PROF. DR. FAHRETTİN GÖKTAŞ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Enerji, Energy
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Ankara Yıldırım Beyazıt Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 167
Özet
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.
Özet (Çeviri)
Fusion reactions involve the nuclei of deuterium (D) and tritium (T), transforming into nuclei of helium (He). However, the repulsion force that exists between two positively charged nuclei obstruct their ability to combine. A collision between two nuclei would require them to be propelled toward each another at exceedingly high velocities resulting in elevated temperatures. The amalgamation of these two atoms at an approximate temperature of 100 million degrees Celsius is required. Plasma is produced when D and T atoms are ionized at this temperature. For the nuclei to merge, the plasma must remain warm. Tokamak reactors are specifically designed for this purpose. The geometry Tokamak is designed to ensure the confinement of the plasma within the magnetic field. The dissipation of impact-induced heat is hindered. To commence and maintain the reaction, it is imperative that the plasma density and temperature must reach a specific threshold. Approximately 4 kiloelectron volts (keV) of energy is necessary to achieve an initial temperature of about 45 million degrees Celsius. The plasma's movement at high speeds within a magnetic field, generates an electric current, which in turn, creates a secondary magnetic field. The presence of this magnetic field induces irregularities or turbulence in the plasma, causing certain ions to break up and become free from the magnetic field. So that the escaped ions collide with the reactor wall. During the reaction process, the positive and negative ions that escape from the magnetic field environment interact with the walls of the Tokamak, resulting in deformation. As a consequence, the plasma wall gradually degrades, leading to the emission of neutrons into the surrounding environment. The interaction between plasma and the wall is a critical issue that causes distribution in the fusion process in Tokamak reactors. Graphite, Beryllium, Aluminum, and Tungsten are the most resilient materials against ion abrasion in the plasma wall as stated in the literature. vi In this thesis we investigate the interaction between plasma and wall materials both theoretically and experimentally. The theoretical part of the thesis is concentrated on investigating the physical and chemical erosion of different wall materials (graphite, aluminum, and tungsten) employed in the fusion reactor due to plasma interaction. This degradation is a result of plasma interactions. The Monte Carlo approach is utilized to examine these erosion effects. In addition, the study examines the effects of these erosion on the durability and longevity of the reactor's wall material. This study also aims to examine the physical and chemical changes that occur when a plasma of helium ions, created by applying a high direct current (DC) voltage in a vacuum, interacts with an aluminum surface. The interaction of the samples with the plasma, the cracks caused by physical erosion, and the deformations caused by sputtering were determined by employing atomic force microscopy and electron microscopy for structural characterization. The reliability of the material samples is assessed by utilizing the Weibull method to calculate the mean depth of the pits formed on the material's surface as a result of deformations.
Benzer Tezler
- Termal bariyer kaplamanın turbo doldurmalı bir dizel motorunun performansına etkileri
Başlık çevirisi yok
HALİT YAŞAR
Doktora
Türkçe
1997
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. VELİ ÇELİK
- Fenilalanin molekülü türevlerine na+ ve k+ katyonları ve konformasyon etkisinin teorik ve deneysel olarak incelenmesi
Theoretical and experimental investigation of the effect of conformation and na+and k+ cations on phenylalanine
MEHMET FATİH KAYA
Doktora
Türkçe
2019
Fizik ve Fizik MühendisliğiEskişehir Teknik ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÖZGÜR ALVER
PROF. DR. ALİMET SEMA ÖZEN
- Vakumlu küresel seramiklerin deneysel ve teorik olarak incelenmesi
Experimental and theoretical investigation of hollow spherical ceramics
ÜMİT KESKİN
Yüksek Lisans
Türkçe
2007
Makine MühendisliğiGazi ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF.DR. ÖMER ERCAN ATAER
- Dielektrik bariyer deşarj plazma aktüatör ile akış kontrolünün deneysel ve teorik incelenmesi
Experimental and theoretical investigation of flow control with dielectric barrier discharge plasma actuator
OSMAN MURAT BAYRAK
Doktora
Türkçe
2021
Makine MühendisliğiOndokuz Mayıs ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AYDIN DURMUŞ
- H-BN ilavesinin zirkonya ile toklaştırılmış alumina seramiklerinin mekanik ve biyouyumluluk özellikleri üzerine etkisinin incelenmesi
Investigation of the effect of h-BN addition on the mechanical and biocompatibility properties of zirconia toughened alumina ceramics
GÖKÇE ATA BÜYÜKER
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. İPEK AKIN KARADAYI