Lazer ile Hızlandırılan Döteronlarla Füzyon-Fisyon Hedef Sisteminin İncelenmesi

Yıl 2018, Cilt: 22 Sayı: Özel, 229 - 235, 05.10.2018

Mehmet Emin Korkmaz , Özgür Culfa

Öz

Yoğunluğu >10²⁰ Wcm^-2 seviyesinde olan yüksek güç ve yoğunluktaki lazerler yüksek enerjili x ışınları, γ-ışınları ve nötronlar üretebilmektedir. Ayrıca yüklü parçacıkları yüksek enerjilere hızlandırabilirler ve her türlü nükleer reaksiyonları tetikleyebilmektedirler. Füzyon-Fisyon reaksiyonu senaryosunun temel konsepti, lazer ile hızlandırılmış parçacıkların veya iyon demetlerinin yoğunluğuna dayanır. Füzyon-Fisyon reaksiyon sistemi üretim hedefi ve reaksiyon hedefinden meydana gelmektedir. Bu çalışmada, katı hedefte hızlandırılmış döteron için 2D EPOCH PIC simülasyonları kullanılarak hesaplamalar yapılmıştır. Üretim hedefinde döteronların hızlandırılması için lazer sisteminin 200TW’lık güç,  5J enerji ve 25fs atma süresine sahip olduğu kabul edildi. Bu tarz lazerler hedef üzerinde 10 µm’ye odaklandığı zaman 10²⁰ W cm^-2 yoğunluğa çıkabilmektedir. Çalışmamızda gösterilmiştir ki bu tarz masaüstü terawatt lazerler Füzyon-Fisyon reaksiyonları için döteronları 10 MeV enerjiye kadar çıkarılabildiğinden kullanılabilmektedir. Füzyon-Fisyon hedef sisteminin simülasyonu için Monte Carlo kodu MCNPX2.7.0 kullanılmıştır. Üretim hedefinden çıkan hızlandırılmış döteryumlar, reaksiyon hedefinin toryum tabakasında nükleer fisyon reaksiyonlarına neden olmaktadır. Reaksiyon hedefindeki toryum tabakası, füzyon tabakası ve CH2 tabakası yaklaşık 5 µm'lik bir kalınlığa sahiptir.

Anahtar Kelimeler

Lazer, Parçacık hızlandırma; Monte Carlo Yöntemi; PIC kodu; Füzyon-Fisyon

Kaynakça

• [1] Yasuki, N., Kazuyuki, H., Yuichi, H., Hideya, S., Shoji, M., Nozomi, S., Masako, K., Hideo, H., Tadahiro, K., Kazuaki, T., Tetsuya, K. S., Futoshi, M., Osamu, I., Nobuyuki, I., Yohji, S., Kenji, Y., Takehiko, S., Akio, O., Nobuhiro, T., Yukimasa, K., Norihito, S., Hisamichi, Y., Yoshitsugu, A., Yuji, K., Toshinori, M., ve Takashi, I., 2013. Generation of Radioisotopes with Accelerator Neutrons by Deuterons, Journal of the Physical Society of JAPAN, 82(6), 064201.
• [2] Ledingham, K. W. D., Galster, W., 2010. Laser-driven particle and photon beams and some applications, New J. Phys., 12, 045005.
• [3] Dosanjh, M., Cirilli, M., Myers, S., ve Navin, S.,2016. Medical Applications at CeRN and the eNLiGHT Network, Frontiers in Oncology, 6(9).
• [4] U. Amaldi, (2005). Nuclear physics applications in diagnostics and cancer therapy, Nuclear Physics A, Vol. 751, pp. 409C-428C.
• [5] Jirka, M., Klimo, O., Vranic, M., Weber, S., Korn, G., 2017. QED cascade with 10 PW-class lasers, Scientific Reports, 7(15302).
• [6] Perry, M. D., Pennington, D., Stuart, B. C., Tietbohl, G., Britten, J. A., Brown, C., Herman, S., Golick, B., Kartz, M., Miller, J., Powell, H. T., Vergino, M., Yanovsky, V., 1999. Petawatt laser pulses, Optics Letters Vol. 24, Issue 3, pp. 160-162.
• [7] Rao, B. S., Moorti, A., Chakera, J. A., Naik P. A., ve Gupta, P. D., 2017. Quasi-monoenergetic electron beams from a few-terawatt laser driven plasma acceleration using a nitrogen gas jet, Plasma Physics and Controlled Fusion, 59(6).
• [8] Wang, F., Xie, G., Yuan P. ve Qian, L., 2015. Theoretical design of 100-terawatt-level mid-infrared laser, Laser Physics Letters, 12(7).
• [9] Izawa, Y., Miyanaga, N., Kawanaka, J., ve Yamakawa, K., 2008. High Power Lasers and Their New Applications, Journal of the Optical Society of Korea, 12(3), pp. 178-185.
• [10] Culfa, O., Tallents, G. J., Rossall, A. K., Wagenaars, E., Ridgers, C. P., Murphy, C. D., Dance, R. J., Gray, R. J., McKenna, P., Brown, C. D. R., James, S. F., Hoarty, D. J., Booth, N., Robinson, A. P. L., Lancaster, K. L., Pikuz, S. A., Faenov, A. Ya., Kampfer, T., Schulze, K. S., Uschmann, I., ve Woolsey, N. C., 2016, Plasma Scale Length Effects on Electron Energy Spectra in High Irradiance Laser Plasmas, Physical Review E, 93:043201.
• [11] Culfa, O., 2017, Measurements of Proton Energy Spectra Generated by Ultra Intense Laser Solid Interactions, Süleyman Demirel University Journal of Natural and Applied Sciences Vol. 21(2), pp. 338-344.
• [12] Negoita, F., Roth, M., Thirlof, P. G., Tudisco, S., Mirfayzi, S., Kar, S., Hannachi, F., Moustaizis, S., Pomerantz, I., McKenna, P., Fuchs, J., Sphor, K., Acbas, G., Anzalone, A., Audebert, P., Balascuta, S., 2016. Laser driven nuclear physics at ELI–NP, Romanian Reports in Physics, Vol. 68, Supplement, P. S37–S144.
• [13] Li, R. F., Gao, S. C., Xiao, C. F., Xu Z. Y., Xue X. T., Liu J. B., Zhao, Y. Y., Chen J. E., Lu H. Y., Yan X. Q., 2017. Generation of ultrafast broadband small angle hundreds MeV electron bunches from laser wakefield acceleration, Acta Physica Sinica 66(15), 154101.
• [14] Hyung Taek, K., Pathak, V. B., Ki Hong P., Lifschitz, A., Sylla, F., Jung Hun S., Hojbota, C., Seong Ku L., Jae Hee S., Hwang Woon L., Guillaume, E., Thaury, C., Kazuhisa, N., Vieira, J., Silva, L. O., Malka, V., ve Chang Hee N., 2017. Stable multi-GeV electron accelerator driven by waveform-controlled PW laser pulses, Scientific Reports Vol. 7, 10203.
• [15] Guénot, D., Gustas, D., Vernier, A., Beaurepaire, B., Böhle, F., Bocoum, M., Lozano, M., Jullien, A., Lopez-Martens, R., Lifschitz A., Faure, J., 2017. Relativistic electron beams driven by kHz single-cycle light pulses, Nature Photonics, 11(5) pp. 293-296.
• [16] Kramer, K. J., Latkowski, J. F., Abbott, R. P., Boyd, J. K., Powers, J. J., ve Seifried, J. E., 2009. Neutron transport and nuclear burnup analysis for the laser inertial confinement fusion-fission energy (life) engine, fusion science and technology, 56(2), pp. 625-631.
• [17] Kramer, K. J., Meier, W. R., Latkowski, J. F., Abbott, R. P., 2010. Parameter study of the LIFE engine nuclear design, Energy Conversion and Management, 51(9), pp. 1744-1750.
• [18] Dawson, J. M., 1983. Particle simulation of plasmas, Rev. Mod. Phys. 55(2), 403-447.
• [19] Birdsall, C. K. and Langdon, A. B., 1991. Plasma Physics via Computer Simulation, Institute of Physics Publishing, Bristol, UK.
• [20] Arber, T. D., Bennett, K., Brady, C. S., Douglas, A. L., Ramsay, M. G., Sircombe, N. J., Gillies, P., Evans, R. G., Schmitz, H., Bell A. R., ve Ridgers, C. P., 2015. Contemporary particle-in-cell approach to laser-plasma modelling. Plasma Physics and Controlled Fusion, 1-26, 57(2015).
• [21] Pelowitz, D. B., 2011. MCNPX User’S Manual, Version 2.7.0, April 2011, Los Alamos National Laboratory, LA-CP-11-00438.
• [22] Experimental Nuclear Reaction Data (EXFOR), 2018. www.nndc.bnl.gov/exfor/ (Erişim Tarihi: 04.05.2018).