Bizim şu anki konumuz yapay nükleer füzyonu yaratıp, Dünya’da ve evrenin
keşfinde nasıl kullanabileceğimiz üzerine olacak.
1920’lerden önce bu muazzam enerjinin nasıl açığa çıktığına, yıldızların nasıl
böyle yaşam verebildiğine dair pek bir fikrimiz yoktu. 1920’de Francis William
Aston, 4 Hidrojen atomuna eşdeğer enerjinin bir Helyum atomunun enerji
eşdeğerinden fazla olduğunu keşfetmişti. Bu demekti ki; Hidrojen atomları
birleşerek Helyum oluştururken net enerji açığa çıkacaktır. Aston’ın
araştırmalarını temel alan Arthur Eddington’ın ise atom çekirdeklerinin
birleşerek enerji ürettiğini ve yıldızların bundan güç aldığını öne sürmesi
ile, ilk kez yıldızlarda ki füzyon reaksiyonlarına dair bir fikrimiz oldu.
FÜZYON NEDİR, NE FARKI VARDIR?
Füzyon reaksiyonları, hafif elementlerin Coulomb gücü denen birbirlerini itme
eğilimini, “güçlü nükleer kuvvet” ile aşarak bir araya gelmelerine ve başka
bir atom çekirdeği oluşturup; bazen nötron ve çok yüksek miktarda enerji açığa
çıkarmasına denir. Doğanın 4 ana gücünden biri olan bu güçlü nükleer kuvvetin,
atom çekirdeklerini birbirinden uzak tutan elektriksel itmeye üstün gelmesi
için, çekirdeklerin ısı ve/veya basınç etkisi ile birbirlerine oldukça
yaklaşması gerekmektedir.
Füzyon santrallerinde gerçekleşen temel füzyon reaksiyonu. Burada Hidrojenin
izotopları olan döteryum ve trityum birleşerek helyum atomu oluşturur. Bu
sırada bir nötron ve büyük miktarda enerji yayınlanır.
Günümüzde kullandığımız fisyon (fizyon) temelli nükleer enerji, uranyum gibi
ağır elementleri parçalayıp farklı elementlere dönüştürürken; füzyon
reaksiyonları hafif elementlerin birleşimi sayesinde gerçekleşir. Reaksiyonun
çeşidine göre artık madde çeşitlilik gösterse de, fisyon gibi uzun süreli
radyoaktif bir atık üretilmez. Örneğin bir Döteryum-Trityum reaksiyonu, Helyum
ve 14.1 MeV enerji değerine sahip bir nötron üretir. Endişelenmemiz gereken
şey bu nötrondur ve bu nötron da yalıtılacağından, ortaya çıkan tek atık madde
oldukça işe yarar olan helyum olacaktır.
Bizlere can veren nükleer füzyon muazzam bir potansiyele sahiptir. Füzyon ile
kıyaslayınca fosil yakıt kullanıyor olmamız bir şakaya benzer malesef. Fosil
yakıtlar verimlilikten uzak, son derece kirli, ilkel ve yetersizdir. Günümüzde
kullanılan fisyon bazlı nükleer enerji bile fosilden milyonlarca kat daha
fazla enerji üretirken, ilk nesil ticari füzyon reaktörleri bunun 3 – 4 katını
üreteceklerdir. Örneğin 1GW’lık bir kömür santrali yılda 1.5 ile 2.5 milyon
ton kömür yakarken, eşdeğer ilk nesil bir füzyon santrali sadece birkaç yüz
kilogram yakıt harcayacaktır. Kömür son derece zehirli gazları atmosfere
salarken füzyon reaksiyonlarının zararlı bir artık maddesi olmayacaktır.
Sonuçta yıldızların kalbindeki bu enerji, gezegenimizdeki bütün enerji
ihtiyacını çözüme kavuşturabilir.
DÜNYA’DA YILDIZ ENERJİSİ YARATMAK
Güneşimizin çekirdeğinde muazzam miktardaki kütleçekimsel kuvvetlerin
etkisiyle; Dünya’dakinin 250 milyar katı basınç ve 15.7 milyon santigrat
derece sıcaklık, füzyon için oldukça uygun bir altyapı oluşturmaktadır.
Burada, yaklaşık olarak Güneş yarıçapının 24%’lük bölgesi içerisinde füzyon
reaksiyonları sürmektedir. Böylesi aşırı şartlar altında füzyon sıradan bir
olay gibi sürerken biz 50 yıldan uzun süredir bu olayı Dünya’da kendi
teknolojimiz ile sürdürülebilir hale getirmeyi henüz beceremedik. Çeşitli
hidrojen izotoplarından (D-D ve D-T) oluşan yakıt, Güneş’teki basıncı
yaratamayacağımız için, 100 milyon santigrat dereceye ısıtılmalı, atomların
birleşeceği kadar yoğun ve sıkıştırılmış bir ortam yaratılmalı. Böylece
“ignition” (ateşleme) sağlanıp füzyon kendi kendini besleyen bir hale gelmeli.
FÜZYONDAN ELEKTRİK ÜRETİMİ
Şu anda arge çalışmalarının birçoğu teknolojik kolaylık sebebiyle yüklü
parçacıklar ile birlikte, yüksek enerjili nötronlar üreten hidrojen izotopu
reaksiyonları üzerinedir. Elektrik üretimi de bu yüklü parçacıklar ve
nötronlar sayesinde gerçekleşir.
Termal Dönüşüm: Füzyon sırasında muazzam miktarda ısı üretilir, bunu
geleneksel yöntemler ile buhar türbinleri ile elektriğe çevirebiliriz.
Dünya’da ki elektriğin 80%i böyle buhar türbinleri kullanan santrallerde
üretilir. Bu denenmiş ve uzmanlaşılmış bir alandır. Ancak ısıyı elektriğe
dönüştürmenin ancak %33-50 arası bir verimliliği vardır.
Direkt Dönüşüm: Hareket halindeki yüklü parçacıklardan direkt olarak
elektrik üretmek anlamına gelir. Yani soğutucu bir sıvı ya da gazı ısıtarak
buhar türbini yolu ile elektrik üretme aşaması yoktur ve termal dönüşümün
düşük verimliliğine kıyasla 90% ve üstü verimlilik sağlar. Direkt dönüşüm
sistemlerinden en verimli şekilde faydalanmak için nötron üretimi düşük olan
reaksiyonlar gerekmektedir. Çünkü nötronlar yüksüz oldukları için
barındırdıkları enerjiyi direkt dönüşümde kullanamayız. Aşağıda reaksiyon
çeşitlerinde bahsedeceğimiz gibi nötron üretimi düşük olan reaksiyonlar
mevcuttur ancak, enerji ihtiyaçları çok yüksek olduğu için yakın zamanda
geliştirilmeleri oldukça zordur.
Gelecekte “çalışır hale gelecek olan” bir füzyon santralinde elektriğin buhar
yoluyla nasıl üretileceğinin gösterimi.
Net Enerji: Füzyonun kendi kendini beslemesi gerekir. Füzyon ile
üretilen enerji, ateşleme durumuna getirmek için harcanan enerjiden daha fazla
olmak zorundadır. Böylelikle füzyon reaksiyonları hem ateşlemenin yaratıldığı
ortamı besleyen enerjiyi üretir, hem de fisyon reaksiyonlarından 3 – 4 kat
fazla enerji fazlası açığa çıkar.
Deneysel reaktörlerde sayısız defa füzyon reaksiyonları yaratıldı. Hatta zaman
zaman duyduğumuz “Garajında Güneş yarattı” haberleri de doğrudur. Fusor denen
yapımı basit cihazlar ile füzyon reaksiyonları yaratılabilir. Ancak bu
reaksiyonların harcanandan daha fazla enerji üretilmez. Daha fazlasını
üretmenin mümkün olduğunu deneysel sonuçlar ve formüller ile biliyoruz ancak,
bunu işler bir enerji üretim sistemine dönüştürmek, gerekli teknolojiyi zaman
içerisinde geliştirdiğimiz için uzun sürüyor. Bu konuda en olumlu haberi 50
yıldan uzun süren araştırmalar sonucu ancak Eylül 2013’te NIF reaktöründe ilk
kez harcanandan daha fazla enerji üretilmesi ile alabildik.
Kararlı Güç Üretimi (Steady-State Power): Elektrik üretimi için
reaksiyonlar dinamik kararlılık halinde ya da kısa süreli hızlı atımlar
halinde anlık olmalıdır. Füzyon araştırmalarının amacı, dinamik kararlılık
halinde sabit ve sürekli halde enerji üretmektir.
Şu anda işler haldeki JET reaktörü ve yakın gelecekte devreye girecek ITER ve
DEMO reaktörleri ile bu konuyu örneklendirelim:
• JET (1982- günümüz) 20-60 saniyelik atımlı kısa süreli füzyon
mümkündür. Yüksek enerjili reaksiyonlar bir saniyeden kısa sürer.
• ITER (2019) 2019’da tamamlanacak bu deneysel reaktörde, 1.000 saniye
boyunca 500 MW elektrik üretilmesi planlanmaktadır.
• DEMO (2033) Dinamik kararlılık ile füzyon reaksiyonunu sürekli hale
getirmeyi amaçlayan bu projenin güç hatlarına 2040’a kadar bağlanması
bekleniyor.
RİSKLERİ VE EMNİYET
Şu anda ana araştırma konuları olan D-T (Döteryum-Trityum) ve D-D
(Döteryum-Döteryum) reaksiyonları yüksek miktarda nötron açığa
çıkarmaktadırlar, buna nötron akımı denir.
Manyetik alanların içine hapsedilmiş biçimde gerçekleşen füzyon reaksiyonu.
Nötron akımının yalıtılması füzyon reaktörlerindeki önemli mühendislik
çalışmalarından biridir. Yalıtılan nötronlar aynı zamanda ısı üretecek ve
termal dönüşüm elektrik üretiminin ana kaynağı olacaktır. Ancak yalıtan katman
zaman içerisinde radyoaktifleşecek ve değiştirilmesi gerekecektir. Bunun
dışında riskleri yoktur, patlamazlar, sızıntı yapmazlar ve kaza durumunda
basitçe sistem gücü keserek reaksiyonu durdurulabilir. Üretilen madde (füzyon
reaksiyonu sonucu oluşan elementlere atık dememiz yanlış olur çünkü) reaksiyon
çeşidine göre faklılık gösterse de genellikle Helyum ve Trityum (Hidrojenin
bir izotopu) gibi oldukça işe yarar elementlerdir. Trityum radyoaktif bir
madde olsa da, kolaylıkla kalkanlanabilen beta ışıması yayar ve 12 yıllık yarı
ömrü ile kısa süreli bir üründür. Üstelik D-T füzyon yakıtı olması, Trityumu
oldukça değerli kılmaktadır.
FÜZYON REAKSİYONLARI VE YAKIT ÇEŞİTLERİ
A) Öncelikle güneşimizin kalbindeki iki reaksiyon çeşidine bakalım
p-p (Proton-Proton) Çevrimi:
Yıldızları Anlamak yazı dizimizde detaylı olarak bahsettiğimiz gibi,
güneşimizin kalbindeki ana reaksiyonlardan biri olan, ancak Dünya’da
kullanmamıza pek uygun olmayan bir reaksiyon çeşididir. Güneşimizin
çekirdeğindeki sıcaklık dahi, protonların coulomb bariyerini klasik şekilde
aşması için yeterli değildir. Ancak, kuantum mekaniklerini anlamaya başlamamız
ile birlikte bu protonların quantum tünellemesi yolu ile birleştiğini
keşfetmiş olduk.
[Kısa özet: Kuantum Tünellemesi: Parçacıkların aradaki herhangi bir bariyeri
aşıp, klasik fizik ile gidemeyecekleri bir yere gitmeleridir. Eski klasik
fizik kuralları, parçacıkların bariyerleri aşacak enerjisi yoktur der. Ancak
kuantum fiziği bize parçacıkların hem “parçacık” hem de “dalga” özelliklerine
sahip olabildiğini göstermiştir. Böylece zaman zaman bir proton çevresinden
enerji ‘ödünç’ alıp, bu enerji ile aradaki bariyeri aşacak bir olasılığa
sahiptir. Bu hadise 1-3 nm veya daha ince bariyerlerde görülür. Beyinlerimizi
daha fazla yakmadan, anlaması ve anlatması daha kolay olan füzyon konumuza
geri dönelim]
Proton-Proton füzyon reaksiyonu.
p-p döngüsü sadece kuantum tünellemesiyle işlediği için yavaştır. Tek bir
protonun diğer bir proton ile füzyon reaksiyonu geçirmesi için bazen bir
milyar yıl gerekebilir. Tünelleme yolu ile birbirlerine ulaşan protonların
önündeki bir diğer engel de zayıf nükleer kuvvet etkileşimine ihtiyaç
duymalarıdır ki, bunun da olasılığı azdır.
Bu zayıf ihtimallere rağmen Güneş’teki ana reaksiyon tipi budur. Çünkü zayıf
ihtimalin rahatlıkla yüksek ihtimale döneşebileceği trilyon x trilyon atom
vardır. Sonucunda 4 proton birleşir, bir helyum çekirdeği (alfa parçacığı),
biraz nötrino ve 26.73 MeV’lik enerji açığa çıkar.
CNO (Karbon-Nitrojen-Oksijen) reaksiyonu.
CNO (Karbon-Nitrojen-Oksijen) çevrimi:
Eğer Güneş 1.5 kat daha büyük olsaydı ana yakıt döngüsü bu olacaktı. Karbon
çevrimi olarak da bilinen bu reaksiyonda ağır bir atom yer yer helyumla
birleşerek karbon, nitrojen ve oksijen izotopları arasında geçiş yapar ve bu
süreç içerisinde 27.8 MeV’lik enerji açığa çıkartır. Güneşte üretilen
enerjinin sadece 1-2%’lik kısmı bu çevrimden gelirken, Sirius A yıldızı, büyük
oranda CNO çevrimi enerjisi ile ışımaktadır. Tahmin edebileceğiniz gibi CNO,
şu anki füzyon teknolojimiz için henüz mümkün olmayan bir çevrimdir.
B) Füzyon araştırmalarının odaklandığı reaksiyonlar
D-T [Döteryum (2H) – Trityum (3H)] Çevrimi:
İşte şimdi dünyada kullanabileceğimiz ve üzerinde birçok araştırma-geliştirme
yapılan bir çevrimden bahsedebiliriz. D-T en düşük enerjiye ihtiyaç duyan, en
kolay reaksiyon tipidir. Yakıtlara bir bakalım;
Döteryum deniz suyunda metreküp başına 30 gram kadar bulunan oldukça yaygın
bir izotoptur. Sadece Dünya’daki döteryum rezervlerini binlerce yıl füzyon
reaksiyonlarında kullanabileceğimiz gibi, uzayda da diğer gezegenlerde,
uydularda ve kuyruklu yıldızlarda da bolca bulunur bu hidrojen izotopu.
Trityum yaklaşık 12 yıl yarı ömrü olan radyoaktif bir hidrojen izotopudur.
Doğada fazla bulunmaz ve kozmik ışınların atmosferimiz ile etkileşimi
sırasında üretilir. Şu anki teknolojimiz ile normal nükleer reaktörlerde de
trityum üretimi yapılmaktadır. Yakın gelecekte ise füzyon esnasında açığa
çıkan nötronların Lityum elementini bombalaması ile Trityum üretimi
yapılacaktır (Dünya’daki bilinen Lityum rezervleri en az bin yıl yetecek
miktardadır). D-D çevrimlerinde de trityum üretimi yapılabilir.
D-T Reaksiyonları şu şekilde gerçekleşir; 2H + 3H = 4He (3.517 MeV) + n
(14.069 MeV)
Trityum – Helyum füzyon çevrimi.
Reaksiyon sonucunda açığa çıkan enerjinin 20%’si 3.5 MeV değerinde Helyum
izotopu (alfa parçacığı) ve 80%’i 14.1 MeV değerinde nötrondur.
D-T, Tokamak tipi reaktörlerde kullanıma en uygun reaksiyon tipidir. Az sonra
anlatacağımız D-D reaksiyonuna kıyasla daha yoğun oranda gerçekleşir ve
reaksiyon oranının tepe noktası olan 13,6 keV enerji ile D-D’den daha
düşüktür. Avantajları arasında diğer füzyon reaksiyonları gibi temiz ve
güvenli olması yanısıra, teknolojik ve mühendislik olarak kolay olan bu
döngünün dezavantajları şunlardır;
Daha öncede yazdığımız gibi Trityum üretimi gerektirmektedir, bu sebeple
“Lityum örtüsü” denen bir tabaka, reaktörde üretilen nötronlar ile
bombalanarak Trityum üretecektir. Bu yöntemin de ayrı zorlukları vardır. Bir
diğer dezavantajı da, nötronlar %80 enerji taşıyacağı için reaksiyonun
enerjisinin beşte biri plazma içerisinde kalacaktır. Bu da “ateşlemenin”
sürekliliğini zorlaştırmaktadır.
D-D [Döteryum (2H) – Döteryum (2H)] Çevrimi:
Sadece döteryum kullanan bu reaksiyon, edinimi zor olan başka bir yakıt
gerektirmemesi ile öne çıkan bir diğer araştırma konusudur.
D-D reaksiyonu, sürdürülebilir “ateşleme” için gereken reaksiyon oranının tepe
noktasına 15 keV değerinde enerji ile ulaşır. Bu D-T’den daha yüksek ve
dolayısıyla daha zorludur. Bu reaksiyon eşit oranlarda iki farklı ürün verir;
50%: 2H + 2H = 3H [Trityum] (1.01 MeV) + 1H [p+] (3.02 MeV)
50%: 2H + 2H = 3He (0.82 MeV) + n (2.45 MeV)
Hydrogen_Deuterium_Tritium
Hidrojen ile, onun izotopları olan (fazladan bir ve iki nötrona sahip)
döteryum ve trityum.
Reaksiyon sonucu üretilen Trityum ve Helyum-3, geri dönüştürülerek yüklü
parçacık miktarı arttırılıp nötron miktarı azaltılacaktır. Şöyle ki; reaksiyon
sonucu oluşan Trityum toplanabilirse, aksi taktirde oluşacak nötron salınımı
oldukça düşük olur ve reaktör D-He3 reksiyonu devam ettirebilir. Bunun yanında
Trityum D-T reaksiyonlarında kullanılır veya bozunup Helyum-3’e dönüşünce
D-He3 reaksiyonlarında da kullanılabilir.
C) Anötronik Reaksiyonlar
Aşağıdaki reaksiyon çeşitleri nötron salınımı içermez ve çok daha
verimlilerdir ancak zorlukları da bununla doğru orantılı artmaktadır. En büyük
avantajları nötron kalkanlaması gerektirmemeleri ve direkt enerji dönüşümünü
mümkün kılmalarıdır.
D-He3 (Döteryum (2H) – Helyum-3 (3He)) Çevrimi:
Bu reaksiyonda döteryum ve Dünya’da nadir bulunan helyum-3 izotopu
birleşmektedir. Helyum-3’ün ne kadar nadir olduğunu anlatmak için, bu izotopu
Ay yüzeyinden ve hatta Jüpiter’den toplanmasına dair fikirler olduğunu
örneklememiz yeterli olur sanırız. Helyum-3 ayrıca Trityumun beta bozunması
geçirmesi sonucu da oluşur. Daha önce de döteryum için yazdığımız gibi, uzayda
hali hazırda asteroidlerde, kuyukluyıldızlarda, gaz devlerinin halkalarında ve
uydularında bolca bulunan buzdan döteryum elde edip, bu döteryumu nötron
bombardımanına tutarak Trityum üretimi yapılabilir.
Bu reaksiyonun bir diğer ve esas zorluğu ise reksiyonun en verimli noktaya
ulaşması için 58 keV enerji girdisi gerekmektedir.
2H + 3He = 4He (3.6 MeV) + 1H [p+] (14.7 MeV)
Bu dönüşüm, D-T reaktörlerinde ikincil reaksiyon olarak gerçekleşebilir. Ancak
sadece D-He3 reaksiyonu gerçekleştirecek bir reaktör, çoğunlukla Dünya
dışından getirilecek stoklara dayanacağı için, en azından gezegenimizdeki
kullanımı pek ekonomik olmayacaktır. Ancak Ay’da yeterli stok bulabilirsek, Ay
üzerinde enerji üretimi ve teknolojimiz geliştikçe ve gaz devleri civarında
enerji üretimi için vazgeçilmez olabilir. Tabi reaksiyonu başlatacak enerji
ihtiyacı sorununun üstesinden gelebilirsek.
Füzyon enerjisini gezegenimiz üzerinde elde etmemizin önündeki en büyük sorun,
bu enerjinin üretileceği reaktörlerin muazzam karmaşıklıktaki sistemler
olması.
D-He3 ayrıca yazımızın bir sonraki bölümünde bahsedeceğimiz füzyon roketleri
için biçilmiş kaftan diye niteleyebileceğimiz bir reaksiyondur. Enerji
ihtiyacının p-11B’ye göre düşük olması ve anötronik olması çok büyük
avantajlardır.
p-11B (Proton – Boron-11) çevirimi:
p-11B uzak gelecek için hedeflenen bir reaksiyondur, şu anda ve yakın
gelecekte mümkün değildir. Anötronik füzyon amaçlanıyor ise ki er ya da geç
füzyon teknolojisinin nihai hedefi olacak, proton/boron reaksiyonu da nihai
hedeftir. Bu arada Boron, bildiğimiz “Bor” madenidir.
1H + 11B = 3x(4He) + (8.7MeV)
Bu reaksiyonda bir proton, Boron-11 ile birleşerek, Karbon-12 oluşturur.
Karbon-12 ise üç helyum-4 olarak bozunur. Bu reaksiyon fisyon gibi gözükse de
Helyum-4 evrendeki en kararlı izotoplardan birisidir. D-He3 reaksiyonundan
dahi çok daha az nötron salınımı ile p-11B neredeyse tamamen temizdir. 0.001%
nötron salınımı ile her bin reaksiyonda sadece 1 nötron üretilir. Anötronik
bir reaksiyon verimliliğine sahip olmasının yanısıra, yakıtı da oldukça yaygın
ve boldur. Tek (ve malesef büyük) dezavantajı, reaksiyon oranının tepe
noktasına 123 keV’de ulaşması. Yani gerekli olan sıcaklık bir D-D veya D-T
reaksiyonunda ihtiyaç duyulandan 10 kat fazlası olan 1 milyar santigrat
dereceye yakındır. Enerji hapsedilmesini sağlayacak manyetik alanlar da doğal
olarak 500 kat daha iyi olmak zorundadır.
Tokamak ve lazer odaklı reaktör modellerinin limitleri dışında olan bu
reaksiyon için daha radikal farklılıklar gösteren Polywell ve Dense Plasma
Focus sıkıştırma yöntemleri düşünülmektedir.
D) Muon katalize Füzyon / Soğuk Füzyon
Önce Muon dan bahsedelim. Muon bir elektrondan 200 kat daha ağır bir
parçacıktır ve 2.2 milisaniye içinde başka parçacıklara bozunur. Bir atom
çekirdeğinin çevresinde elektron yerine muon bulunursa yörüngesi elektronun
1/200’ü kadar olur. Burada bozunan muon, coulomb bariyerini zayıflatarak
füzyonun daha düşük sıcaklıklarda gerçekleşmesini sağlar. Hatta ihtiyaç
duyulan sıcaklığı öylesine düşürür ki oda sıcaklığında dahi reaksiyon
gerçekleşebilir. Öyle ki, bazı araştırmalard yakıt -270 dereceye kadar
soğutulup kullanmaktadırlar. Kulağa güzel gelse de tabiki sorunları vardır,
onlardan da bahsedelim:
Alfa Yapışması (Alpha Sticking): Alfa parçacığı dediğimiz helyum, 2
proton ve 2 nötron içerir, yani yükü +2dir. Protonların yükü, -1 yüklü muonu
kendilerine çeker ve bu şartlar altında proton füzyonu gerçekleşmeyeceği için
Muon 2.2 milisaniye sonra bozunduğunda reaksiyon gerçekleşmez.
Boron-11 kullandığımızda ise muon, boron çevresinde bulunan elektronlar
sebebiyle etkisini büyük ölçüde kaybeder bu sebeple muon katalizasyonu ağır
atomlarda işe yaramaz.
Muon katalize yönteminden daha etkin faydalanmak için Muon üretiminin daha
verimli bir yolu bulunmalı. Şu anda bir Muon üretimi için 6 GeV enerji
gerekmektedir. Bu enerji, muon katılmış bir füzyon reaksiyonundan açığa çıkan
enerjiden daha fazladır. Muon üretimi için kat kat verimli bir yöntem
bulunmadığı sürece oda sıcaklığında çalışan soğuk füzyon reaktörleri yapmak
şimdilik ekonomik değildir.
Ama muon üretiminin ,ekonomik ve basit bir yöntemi geliştirilirse evlerimizi
ve otomobillerimizi çalıştıracak “Mr.Fusion” gerçek olabilir. (Bkz: Geleceğe
Dönüş 2)
FÜZYON REAKTÖRLERİ VE ARGE ÇALIŞMALARI
“Füzyon enerjisi 20 yıl ötede”, “10 yıl sonra Füzyon” gibi başlıklar neredeyse
50 yıldır gazeteleri, haberleri süslüyor. Kimi çevreler için bu artık bir
espri kaynağı olmuş durumda. Evet füzyon ile henüz verimli şekilde,
harcanandan daha fazla enerji üretemiyoruz ama füzyon reaksiyonları
yaratabiliyoruz
Avrupa Birliği, Amerika, Rusya, Japonya, Çin, Brezilya, Kanada ve Güneş
Kore’deki çok sayıda füzyon reaktöründe araştırma ve geliştirme çalışmaları
yapılıyor. İlk füzyon araştırmaları ABD ve Sovyetler’in nükleer silah
araştırmaları ile beraber yürütüldü ve 1958’de Cenevreki “Atoms for Peace”
konferansına kadar gizli kaldı. Birçok ulus uzun yıllar kendi başlarına füzyon
çalışmalarını yürütmüş olsa da, artan araştırma masrafları ve kullanılan
aygıtların karmaşıklığı uluslararası işbirliğini zorunlu kılmıştır.
Son 50 yıldır, çok sayıda ülkede, binlerce bilim insanı füzyon reaktörleri
üzerinde çalışıyor.
Günümüzde bir çok farklı metot ile deneylerini sürdüren araştırma tessisleri
ve reaktörler mevcuttur, biraz da metotlardan ve önemli arge çalışmalarından
bahsedelim.
Kütleçekimsel Hapislemeli Füzyon (Gravitational Confinement Fusion – GCF)
Yıldızlarda füzyon reaksiyonları oluşmasını sağlayan şeydir kütleçekimsel
hapisleme. Bunu yapay olarak yaratmanın teorik veya pratik bir yolunu henüz
bilmiyoruz. Doğada dahi füzyon reaksiyonlarının oluşması için yıldızlar en az
75 Jüpiter kütlesi alt sınırında olmak zorundadır. 13 Jüpiter kütleli
kahverengi cücelerde de döteryum füzyonu ve 65 jüpiter kütleli olanlarda da
lityum füzyonu gerçekleşebileceğini bildiğimiz için kütleçekimsel hapislemeyi
sadece izlemekle yetinebiliriz.
Not: Kahverengi cücelerde bu reaksiyonlar çok nadir ve çok az miktarda
gerçekleşir. Yani asla bu cisimleri ısıtıp parlatacak kadar değildir.
Manyetik Hapislemeli Füzyon (Magnetic Confinement Fusion – MCF)
Bu yöntem ile yüzlerce metreküp yakıt (birçok araştırmada tercihen D-T)
manyetik alanlar ile, çok daha küçük bir alana sıkıştırılır. Bunun için
manyetik alanlar idealdir çünkü iyonlar ve elektronlar yüklü parçacıklar
olduklarından manyetik alanları takip edeceklerdir. Buradaki esas amaç,
parçacıkların reaktör duvarlarıyla temas edip ısı kaybetmelerini ve
yavaşlamalarını önlemektir. Zaten manyetik alanlar ile korunmayan hiç bir
malzeme füzyon sıcaklıklarına dayanamaz. Toroid denen donut biçimli reaktör
tasarımı manyetik alanlar için en verimli olanıdır, böyle reaktörlerde plazma,
spiral yollar izleyen manyetik alanlar ile hapsedilir.
Aşağıda Toroid biçimli reaktörlerin üç ana modeli olan Tokamak, Stellarator,
Reversed Field Pinch (RFP) ve birkaç diğer MCF modelinden bahsedeceğiz.
Tokamak
Tokamak, kontrollü termonükleer füzyon araştırmalarında en çok tercih edilen
ve araştırılan modeldir. Bu reaktörlerde manyetik alanlar, reaktör etrafına
eşit aralıklarla yerleştirilmiş toroidal bobinler tarafından üretilir ve
bunları dik açıyla kesen poloidal bobinler tarafından helikal bir hareket yönü
verilir. Bu tasarım 1950’lerde Sovyet bilim insanları Igor Tamm ve Andrei
Sakharov’un ürünüdür.
Bir tokamak reaktörü.
Tokamak reaktörlerindeki en büyük problem, plazmayı ısıtıp füzyon
reaksiyonlarını kendi kendini besleyecek enerjiyi üretecek verimliliğe
getirmektir. Bu yaklaşık 100 milyon santigrat derecede mümkündür. Şu anki
metotlar ile Ohmic ısıtma (elektrik akımları ile ısıtma tekniği) 20-30 milyon
santigrat derece sıcaklık sağlar. Daha yüksek sıcaklıklar için, plazma
halindeki yakıt yüksek enerjili nötr atomlar ile bombalanır, manyetik
sıkıştırma arttırılır ve radyo dalgaları kullanılır.
D-D ve D-T reaksiyonlarında üretilen nötronların sağladığı ısıtma esas enerji
üretim yöntemidir. Bu nötronların sağladığı ısı, reaktörlerin iç
duvarlarındaki seramik kaplamalar ile yalıtılır. Elektro mıknatısları korumak
için ayrı sıvı-helyum veya sıvı-nitrojen katmanları mevcuttur.
Şu anda farklı ülkelerde işler halde 30 kadar deneysel tokamak reaktöründe
araştırmalar sürmektedir. En büyük ve en ünlü olan proje Joint European Torus
(JET), İngiltere’de 1984’ten beri aktif araştırmaların en büyük parçalarından
biridir. Bu reaktörün enerji üretim rekoru, 1997’de 24 MW enerji girdisi ile,
16 MW füzyon enerjisi elde etmesidir. 2014’te Avrupa Komisyonu’nun imzaladığı
5 yıllık uzatma kontratı ve sağladığı 283 milyon Euro’luk ödenek ile bilim
insanları ve mühendisler yeni bir rekor kırmaya hazırlanmaktadırlar.
Tokamak reaktörü içindeki aşırı sıcak plazmanın manyetik alanlar tarafından
kontol edilip belli bir yönde akıtılmasını gösteren şema.
JET projesinden edinilen bilgi birikimi ve deneyim ile 2019’da tamamlanacak
olan “International Thermonuclear Experimental Reactor” ITER, Avrupa Birliği,
Hindistan, Japonya, Rusya, Çin, Amerika ve Güney Kore’nin katılımıyla bir mega
projeye dönüşmüştür. 50MW enerji girdisiyle 500MW füzyon enerjisi üretilmesi
planlanmaktadır. ITER kompleksinin yapımına 2013’te Fransa’da başlanmış ve
inşa ücreti şimdiden planlanan ücretin üç katına çıkarak 16 milyar dolar ile
tavan yapmıştır (Bu ücret Türk silahlı kuvvetlerinin yıllık askeri harcamasına
oldukça yakındır). 2019’da tamamlandıktan sonra ilk plazma deneyleri 2020’de
başlayacak ve 2027’de D-T füzyon deneyleri ile devam edilecektir. Böylece ITER,
“füzyon 10 yıl uzakta” muhabbetlerini sonlandıracaktır (umarız…).
ITER’i takip ederek 2033’te tamamlanacak olan DEMO santrali de tokamak
modelini kullanacaktır. 2-4 GW arası enerji üretimi ile günümüz nükleer
santralleri ile eşdeğer olacaktır.
Bu projeler yanında Güney Kore, K-STAR projesi ile 2008’de ilk plazma
üretimini gerçekleştirdi ve şu anda ITER için bir test yatağı olarak
kullanılıyor. K-STAR’ı takiben 2037’de hayata geçmesi planlanan K-DEMO isimli
proje de, 2033’te tamamlanacak DEMO ile bağlantılı halde geliştirilecek.
Stellarator
Tokamak reaktörlerine bir alternatif olarak geliştirilen Stellarator modelleri
1950’ler ve 60’larda popüler olmalarına rağmen tokamakın daha iyi sonuçlar
elde etmesi ile gözden düşmüş ancak 90’larda tokamak ile yaşanan sorunlar
nedeniyle yeniden gözden geçirilmişlerdir.
Stellaratör reaktörünün iç yapısı. Alt köşede ise reaktörün 8’e benzer donut
biçimli manyetik şeması görülüyor.
Stellarator, yapısal olarak tokamaka benzese de oldukça sıradışıdır, reaktör
modelleri genel olarak 8 sayısına benzeyecek şekilde kıvrılmış ve uzatılmış
birer donut şeklindedirler.
Stelleratorlerin tasarımsal zorluğuna rağmen en büyük avantajı, toroidal akım
üretimine gerek olmamasıdır. Wisconsin-Madison üniversitesinde ki Helically
Symmetric eXPeriment (HSX) projesinde, bu tasarımın optimizasyonu ile
uğraşılmaktadır.
Avusturya’da da H-1 projesinde arge çalışmaları yürütülmektedir.
RFP
Tokamak reaktörlerinde, toroidal yönde manyetik alanlar, poloidal yöne göre
daha şiddetliyken, “Reversed Field Pinch”te iki yönde de manyetik alanlar eşit
şiddetlidir. Toroidal akımın yönü tokamakın tersidir. Manyetik alanların gücü,
tokamakın 10 da 1’i kadar düşük olabilir. Böylece hassas ve pahalı süper
iletken mıknatıslara ihtiyaç olmaz. Plazma içinden geçen akım daha yoğundur.
Bu avantajlara rağmen dezavantajları da kuvvetlidir. Plazma hapsi tokamakların
ancak %1’i kadar verimlidir. Dış kabuğu iletken olmalı ve manyetik alan
üretimi için yüksek miktarda elektrik akımına maruz bırakılmalıdır.
Küresel Tokamak (Spherical Tokamak)
Adından da anlaşılabileceği gibi tokamak tasarımının küre biçimli bir
modelidir. Rusya’da, Amerika’da ve İngiltere’de deneysel küresel tokamak
reaktörleri mevcuttur. Ancak ilk öne sürüldükleri zamanın, özellikle
Amerika’da füzyon araştırmalarının maddi kesintiye uğradığı bir döneme denk
gelmesi sebebiyle, geleneksel tokamak kadar ilgi görmemiş ve onlardan bir
nesil geride kalmıştır.
Bir küresel tokamak ve üzerinde çalışan bilim insanları.
Daha pratik, ucuz ve plazma stabilitesi yüksek bir modeldir, üstelik daha
küçüktür. Küçük olması sebebiyle elektro mıknatıslara yer vermemesi
maliyetleri kısar. Ancak geleneksel mıknatıslar daha güçsüzlerdir. Bunun
yanında plazma basıncının daha düşük olması da sorundur. Bir de manyetik
kalkanlama olmadığından aşırı sıcak plazmaya direk maruz kalan parçaların
sıklıkla değiştirilmesi gerekebilir.
Manyetik Ayna Hapislemesi
Bu sistemde plazma iki manyetik ayna tarafından üretilen “diamagnetic cusp”
denen manyetik alanlar arasında sıkıştırılır. Manyetik güç sürekli yön ve
şiddet değiştirerek plazmayı füzyonun oluşacağı orta noktaya kadar sıkıştırır.
Yakın zamanda Lockheed Martin’in basın açıklamasına göre “High Beta Fusion
Reactor” adını verdikleri manyetik ayna modelini kullanan kompakt füzyon
reaktörü projesi, 5 yıl sonra seri üretime geçecek ve bir konteyner
boyularındaki reaktörler ile 100MW elektrik sağlayacak. Şirketin sunumuna göre
tasarımları ITER ve benzeri tokamaklardan çok daha küçük, ucuz ve verimli
olacak. ITER ile aynı boyutlardaki bir reaktör ile ITER’in 10 katı elektrik
üretebilecek. Şehirlere elektrik sağlamaktan, insanlı uzay uçuşları için güç
kaynağı olarak çok geniş bir kullanım yelpazesi olacak.
Lockheed Martin’in kompakt füzyon reaktörü üzerinde çalışan bilim insanları.
Proje 2010’da başlamış ve Kasım 2014’te duyurulmuştu. Lockheed Martin’in, Erke
gibi termodinamik kanunlarını çiğneyen, muğlak buluşlar duyuran bir şirket
olmadığı, F-35, F-22 gibi projelere ve Güneş Sistemi’nin keşfine gönderilen
birçok sondaya imzalarını attıklarını düşünürsek, duyurularının ciddiyetini
daha iyi anlayabiliriz.
Gerçekten de bu proje, vaad ettiklerini gerçekleştirirse Dünya’nın enerji
sorununu çözmekle kalmaz, zaten Dünya’nın en büyük savunma sanayii firması
olan Lockheed Martini, bir numaralı ekonomik güç haline getirebilir.
Reaktörleri ise petrol şirketlerini yerlerinden edip, uzay araçlarında
günümüzde kullanmamız mümkün olmayan füzyon roketlerini bir anda mümkün
kılabilir.
Atalet Hapislemeli Füzyon (Inertial Confinement Fusion – ICF)
Bu yöntem ile yakıt yüksek enerjili lazerler ile ısıtılır ve sıkıştırılır.
Alttaki şekilde gördüğünüz gibi, ısıtılan dış katman dışarı doğru genişlerken
içeriye doğru şok dalgası göndererek yakıtı sıkıştırır. Bu sıkıştırma yeterli
güçte olursa füzyon reaksiyonları oluşur. Bu reaksiyonlar yakıtın geri
kalanını da füzyon reaksiyonlarına sokabilir. Böylesi yakıt parçaları yaklaşık
10 miligram yakıt içerir ve bu 10 miligram yakıt bir varil petrol ile aynı
miktarda enerji açığa çıkarır (159.000.000 miligram petrol = 10 miligram D-T).
ICF, manyetik hapislemeye göre daha yeni bir alandır ve 1970’lerde öne
sürülmüştür. Öne sürüldüğü yıllardan bu yana reaktör modelleri büyümüş ve
gelişmiştir. Bugün bu yöntemin en önemli örneği ABD’deki National Ignition
Facility’de (NIF) bulunan reaktördür.
Bu yöntemin uygulanışında; hedefe gönderilen enerji seviyesi, şok dalgaları
ile içe çöken yakıtın simetrisini korumak ve maksimum yoğunluğa erişilmeden
yakıtın fazla ısınması gibi birçok problemin geçen on yıllar içerisinde az ya
da çok üstesinden gelinmiş olsa bile, hedefe gönderilen lazerler arasındaki
güç eşitsizliğinden doğan Rayleigh-Taylor instabilitesi bugün aşılması gereken
en önemli sorundur.
Bu yöntemin en büyük temsilcisi NIF, 2009’da tamamlanmış ve deneylere 2010’da
başlamıştır. NIF reaktöründe, 192 yüksek enerjili lazeri tek bir noktada
kesiştirerek 500 terawattlık bir enerji odağı yaratma amacına 2012’de
erişilmiş olsa da, ateşleme (ignition) sağlanamamıştır. Ancak 29 Eylül 2013’te
5×1015 nötron salınımı ile önceki deneylerden 75% daha fazla nötron üretilmiş,
Alfa ısıtması (füzyon sonucu oluşan helyum izotoplarının salınımı) sağlanmış
ve reaksiyon, ateşleme için harcanandan daha fazla enerji üreterek tarihi bir
rekor kırmıştır. Ancak bu reaksiyon için kullanılan lazerlerin enerjisinin bir
kısmı yakıtı tutan “hohlarum” denen dış tabaka tarafından soğurulmuştur. Yani
lazerleri ateşlemek için daha yüksek enerji harcanmış, ancak yakıta ulaşan
soğurulmuş enerji daha düşük olmuştur. Yakıt bu soğurulmuş enerjiden daha
fazla füzyon enerjisi açığa çıkarmıştır.
Günümüzde NIF’de, ödeneğin kesilmesi ile birlikte füzyon yerine materyal
araştırmalarına odaklanılmaktadır.
NIF dışında, Fransa’daki Laser Mégajoule tesisi de Ekim 2014’te ICF
deneylerine başlamıştır. Japonya’da Osaka Üniversitesi de GEKKO XII ICF lazer
aygıtıyla 1983’ten beri ICF testleri sürdürmektedir.
Z-Pinch (Zeta Pinch)
Z-pinch bir Lorentz gücü uygulamasıdır. Hem MCF hemde ICF metotlarının bir
birleşimidir. Bu metot da plazma içerisinden elektrik akımı geçirerek plazmayı
sıkıştıran bir manyetik alan oluşturulmaktadır. Z-Pinch’e ismini veren Z, bu
elektrik akımının üç boyutlu düzlemdeki yönünü söyler. Bu elektrik akımını
oluşturmak için de harici manyetik alanlar kullanılır.
Böylece hiç bir fiziksel temas olmaz.
Bu yöntemle ilgili ilk çalışmalar İkinci Dünya Savaşı’ndan sonra İngiltere’de
başlamıştır. Günümüzde ABD’deki Z-makinesi olarak bilinen Z Pulsed Power
Facility, 1996’ya kadar materyal testi amacıyla kullanılmış Dünya’nın en büyük
X-ışını jeneratörüdür. Sandia Ulusal Laboratuvarları’nda bulunan cihaz,
nükleer silahların modellenmesinden, 1996 sonrasında füzyon odaklı
araştırmalara kadar birçok farklı alanda kullanılmaktadır. Burada Z-pinch
testleri “manyeto atalet füzyonu” (magneto inertial fusion) metoduyla ve D-D
yakıtı ile sürdürülmektedir. Bu metod 100 nanosaniyelik elektrik atımları ile
Z-pinch manyetik alanı yaratıp, yakıt içeren silindirik hohlarauma basınç
uygular ve içe çökmeden önce bir lazer yakıtı ısıtır. 2014’te 10 tesla gücünde
manyetik alan ve 2.5 kJ lazer ile yapılan son testlerden sonra tessis 2018’e
kadar güncelleme çalışmalarına girmiştir. 2018’de 30 teslalık manyetik
alanlar, 8 kJ lazer ve D-T yakıtı yardımıyla ateşleme sağlanıp, her 10
saniyede bir yakıt topağı harcayarak 300 MW’lık füzyon enerjisi üretmesi
beklenmektedir.
Z-pinchin benzerleri olan T-pinch metodu theta (teta) yönünde elektrik akımı
gönderirken Screw Pinch hem theta hemde zeta yönlerinden elektrik akımı
uygulanmaktadır.
Atalet – Elektrostatik Sıkıştırma (Inertial Electrostatic Confinement – IEC)
Fusor: Garajınızda yapabileceğiniz bir füzyon cihazıdır fusor.
Elektrostatik atalet hapislemesi yöntemi ile iyonları elektrik alanları ile
ısıtarak füzyon reaksiyonları oluşturur. Elektrik üretmek yerine nötron
jeneratörü amacıyla kullanılırlar.
Evlerinde inşa ettikleri Fusor Füzyon reaktörlerinin çalışmasını gururla
izleyen iki genç…
Düşük bütçelerle dahi yapılabilecek bu modellere merak duyanlar, hobileri
arasında elektronik ve fizik olanlar, daha çok bilgiyi ve yapım şemalarını şu
sitelerden edinebilirler:
http://www.fusor.net/
http://www.tidbit77.blogspot.com.tr/
http://makezine.com/projects/make-36-boards/nuclear-fusor/
Gerçekten de evde böyle bir cihaz yapmayı planlıyorsanız işe önce şu güvenlik
talimatlarını okuyarak başlayın.
http://www.repairfaq.org/sam/safety.htm
Bu konularda yeteri kadar bilgi birikimi ve tecrübeniz olmadan başlamamanız
tavsiye edilir.
Elektronik bir cihazdır, yüksek voltaj ve akım öldürücü olabilir.
Vakum çemberinin camı patlayabilir, güvenlik gözlüğü gerekir.
X-ışınları ve nötron radyasyonu yayacağını da aklınızda bulundurun.
Hesaplarınızı yapın, örneğin aygıtınız saniyede bir kaç yüz bin nötron
üretebilecekse reaktörü parafin mumu ile yalıtabilirsiniz, X-ışınları ise
40.000 voltta çeliği aşabilecek kadar güçlenir, bunun için de kurşun kaplama
gerekecektir. Tabi siz iyisi mi o voltajlarda hiç çalıştırmayın. Not:
Patlayıcı değildir ve elektrik üretmez. Dâhi diye gazeteye çıkabilirsiniz:)
Polywell: Fusor’a oldukça benzer. Bu modelde elektro mıknatıslar
yoluyla elektronların yakalandığı bir manyetik alan ile negatif voltaj
oluşturulur ve bu pozitif yüklü iyonları çeker. İyonlar negatif yüklü merkeze
doğru hızlanırken kinetik enerjileri yükselir ve merkezde çarpıştıklarında
füzyon reaksiyonları oluşabilir.
Polywell reaktörünün temel biçimi.
Fikir babası olan Robert Bussard, füzyon araştırmalarının yanı sıra nükleer
termal roketler ve kendi ismi verilen bussard ramjetleri üzerine araştırmalar
yapmıştır. Bussard’ın kurduğu Energy/matter Conversion Corporation (EMC2)
şirketince yürütülen ve ABD silahlı kuvvetleri tarafından fonlanan
araştırmalar, 2006’ya kadar gizli kaldıktan sonra günümüzde bilinir biçimde
hala devam etmektedir. Birçok üniversite laboratuvarı da Polywell reaktörleri
üzerinde çalışmaktadır.
Tıpkı günümüz nükleer santralleri gibi, füzyon enerjisi de artan enerji
ihtiyacının çevreye verdiği zararı, asit yağmurlarını ve sera etkisini
azaltacaktır. Er ya da geç, füzyon tek başına bütün enerji ihtiyacını
karşılayıp fosil yakıt kullanımını bitirecekse de, o zamana kadar uzun ve
zorlu bir geçiş dönemine şahit olacak çocuklarımız ve torunlarımız.
Sağlayacağı ucuz ve bol enerji şehirleri aydınlatmakla kalmayıp yüksek enerji
gerektiren bilimsel araştırmaları da destekleyecek, uzayda ise yeterli
optimizasyondan sonra enerji kaynağı ve itici olarak kullanılabilecektir.
Teknoloji geliştikçe sırayla D-T ve D-D yakıt döngülerinin yerini nötron
üretmeyen D-He3 ve p-11B döngülerine bırakıp daha gelişmiş teknolojiler
üretilene kadar enerji üretimini tavan yaptıracaktır.
Füzyonun Dünya’da bugünkü ve gelecekteki yerini incelediğimize göre şimdi de
en yakın rokete atlayıp yörüngeye çıkalım. Yazı dizimizin bir sonraki
bölümünde yörüngede bizi bekleyen füzyon roketli ve füzyon reaktörlü gemimizi
inceleyeceğiz.
Berkan Alptekin