Tüm Yazılar

Kurtuluşumuz: Termonükleer Füzyon Enerjisi

Hazırlayan: Berkan Alptekin
Facebooktwittergoogle_plusredditlinkedintumblrmail

Gündüzleri gözümüzü kamaştıran Güneş, yaşamın en temel kaynağı. Her saniye 600 milyon ton hidrojeni harcayarak açığa çıkardığı enerji Dünya’ya bir kaç milyar yıldır hayat veriyor. Gece ise gökyüzüne baktığımızda, tıpkı Güneşimiz gibi yoğun miktarda enerji saçıp, bu enerjinin muazzamlığı ile yüzlerce hatta binlerce ışık yılı uzaklığa ışıklarını ulaştıran yıldızları görüyoruz. Örneğin Deneb, çıplak gözle görebileceğimiz oldukça uzak yıldızlardan biri, 2.600 ışık yılı mesafedeki bir süper devdir. Bütün hidrojenini tüketmiş ve şu an üçlü alfa tepkimeleri ile Helyum “yakarak” ışığını bize ulaştırmakta. Yıldızlar genel kanı aksine yakıtlarını yakmazlar, atomları birleştirirler. Bu kadar uzak mesafelerde yaz gecelerinde tepemizde ışıltısını görebilmemiz, Dünya’da da yaratmaya çalıştığımız Nükleer Füzyon reaksiyonları sayesindedir. İlgili yazı dizimiz YILDIZLARI ANLAMAK‘ta bu ve benzeri füzyon reaksiyonları ile ilgili bolca bilgi bulabilirsiniz.

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.

FusionReaction

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.

midnight-star

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.

fusyonreaktoru75

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.

Deuterium_Ionized

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-chain

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_Cycle

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)

Fusion-reaction-incl-Tritium-Cycle

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.

general-fusion

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.

maintenance_du_tokamak

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 veAndrei Sakharov’un ürünüdür.

Alcator_C-Mod_interior

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.

Tokamak3D

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.

Interior_of_W7-X_stellarator

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.

kureseltokamak

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.

WT3k7LL

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).

Inertial_confinement_fusion

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.

nif-1109

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.

zmachine

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.

fusor-display

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.

IEC_Polywell

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 kurduğuEnergy/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

Hep daha fazla okumak gerekir...

Yorum

Yazar Hakkında

Berkan Alptekin