Süperiletkenlerin Yüksek Enerji Fiziğindeki Uygulamaları

Süperiletkenlik geçtiğimiz yüzyıl boyunca insanoğlunun bilgi sınırlarının genişlemesinde önemli bir rol oynamıştır. Günümüzde, bu malzemeler yeni enerji teknolojileri geliştirmek ve hatta dünyanın yapısını anlamamızı artırmak için önemli yeni deneylerde vazgeçilmez araçlar olarak görevlerini yapmaya devam etmektedir.

i- Madde ve Enerjinin Doğasının Keşfi;

Gördüğümüz her şeyin nedeni olan temel parçacıkların etkileşmelerini açıklayan standart model tarihte en çok üzerinde çalışılan fiziksel teorilerden biridir. Parçacık fizikçileri evrenimizin karmaşık yapısını çözmek ve evrenin ilk zamanki fiziksel koşullarını tekrar yaratmak için büyük hızlandırıcılar kullanmaktadırlar. Bu büyük makinelerde evrenin 15 milyar yıl öncesini tekrar yaratabilmek için yalnız bir kaç dakikada parçacıkları çok yüksek enerjilerde birbirleri ile çarpıştırarak bir araya getirip o anda oluşan yeni birleşimleri/parçacıkları incelemek için kullanılmaktadır. Bunun için Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (LHC), Cenevre yakınlarında inşa edilmiş ve kullanılmaktadır. 1980’li yıllardan itibaren süperiletken magnet teknolojisi parçacık hızlandırıcılarının geliştirilmesinde en önemli rolü oynamaktadır. Bakır tellerden yapılan magnetler temelde maksimum 2 T dan daha az bir alan oluşturabildikleri için süperiletken malzemelerden yapılmış olan magnetler olmasaydı yüksek enerji fiziği bugünkü durumunda olamazdı. Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (LHC) çevresi 27 km olan ve 8.33 T alan yaratabilen süperiletken magnetleri ile dünyanın en güçlü ve geniş çarpıştırıcısıdır. 7 TeV enerjili protonlar dev detektörler içerisinde çarpıştırılmakta ve “big bang” olayı canlandırılmak istenmektedir. Bu şekilde evrenin doğuşu ve parçacıklar hakkında temel bilgilere ulaşılmak istenmektedir.


LHC sisteminin bulunduğu bölge ve içi

LHC laboratuarında protonlar 7 trilyon elektron volt civarında bir enerji ile yüzlerce parçacığı içeren karmaşık çarpışmalar yapılmakta ve sonucunda dev detektörlerin yardımı ile yeni oluşumların neler olabileceği gözlenmektedir. Bu laboratuardaki parçacık hızlandırıcı halkalar kolyedeki boncuklar gibi dizilmiş çok sayıda süperiletken magnetlerden oluşmaktadır. İhtiyaç duyulan yüksek manyetik alanları süperiletken magnet olmadan elde etmek hem çok zor hem de ekonomik açıdan uygun değildir. Hem bu magnetler hem de detektörler için 1500 tonun üzerinde LTS süperiletken kablo kullanılmıştır. Önümüzdeki birkaç yıl içerisinde ortaya çıkarılacak sonuçlarda süperiletken teknolojisinin önemi son derece büyüktür ve bu deneysel çalışmanın olmasa olmazlarındandır.

ii- Füzyon Enerjisi

Günümüzde dünyada devam eden en büyük ve en kapsamlı bilimsel projelerden birisi de “Uluslararası Termonükleer Deneysel Reaktörü (ITER)” dir. Bu global proje en büyük ve çok uluslu ortak enerji araştırmalarından birisidir. Füzyon enerjisinin bilimsel, teknolojik ve barışçıl amaçlar için kullanımı amaçlanmıştır. En kısa açıklaması ile ITER güneşten gelen enerjiyi alıp dünya da kullanmayı amaçlamaktadır. Bu bağlamda yüksek sıcaklık plazmaların manyetik ortamda saklanması ve gerektiğinde kullanılması amaçlanmıştır. Süperiletkenler ise bu projede yüksek sıcaklık plazmalarını şekillendirmek ve sınırlamak için gerek duyulan yüksek manyetik alanın üretilmesiyle bu önemli projede önemli bir rol oynamaktadır. Bu proje kapsamında LTS süperiletken sistemlerin kullanılması planlanmaktadır.

Büyük füzyon devreleri içerisinde süperiletken magnetlere olan ihtiyaç 1970’li yılların ortalarından itibaren ortaya çıkmıştır. Bunlar için süperiletken magnetlere olan ihtiyaç, oldukça büyük magnetik alanların yaratılması ile gerekli karalı plazmayı oluşturup buradan da füzyona ulaşılması için önemli görünmektedir. Termonükleer füzyonun insanlık için potansiyel bir enerji kaynağı olup olamayacağını araştıran ITER projesi Avrupa, Rusya, Japonya ve ABD’nin katılımı ile 1991 yılında başlatılmıştır ve bu devletlere 3 ülke daha, Çin, Kore ve Hindistan da katılmıştır. Bu deneylerde de LTS Nb3Sn ve NbTi malzemelerden yapılan süperiletken kablolar kullanılmaktadır ve bobinlerden 70-80 kA mertebesinde akımlar geçirilecektir.


ITER sisteminin genel mantığı ve yapısı