Enerjinin Yeni Tanımı, Nükleer Füzyonun Yükselişi!

Bu hikayenin hem Türkçe hem de İngilizce çevirisi bulunmaktadır. İngilizce çevirisi; "Medium.com" adlı site aracılığıyla beni aratarak, profilimden bulunabilir.

Aktif olarak dünyamızda çok fazla kriz bulunmaktadır. Bu krizlere örnek vermek gerekirse başlıca: Sosyal kriz, ekonomik kriz, yemek/gıda krizi, küresel ısınma krizi ve enerji krizi... Bugünse bizler spesifik olarak enerji krizi üzerinde duracağız ve onun en net çözümü olan, Füzyon üzerinde!

Füzyon Nedir?

Füzyon, basit tanım ile iki veya daha fazla "nuclei" yani çekirdeğin birleşme yoluyla daha büyük ve tek birer çekirdek üretmesi olayıdır. Bu süreçte sıkça deuterium (döteryum) ve tritium (trityum) kullanılmaktadır. Bunlar, hidrojen atomunun iki izotopudur. Eğer kendinize "İzotop ne?" diye soruyor olacaksanız, ona da değinmek isterim: İzotop; aynı atom türünün, farklı nötron sayısını barındıran yani çekirdek yükü farklı olan halidir. Bunlara örnek olarak U235 (Uranyum-235) veya Sr90 (Stronsiyum-90) verilebilir.

Energy - European Comission

Ayrı olarak füzyon enerjisi gündelik hayatımızda çok yerde karşımıza çıkmaktadır. Bunun başlıca örneği olarak: Güneşimiz veya yıldızlar gelir. Güneşin merkezinde bu kadar yüksek sıcaklıklarda atomlar, füzyon tepkimesine girerek helyum oluşturmakta ve aslında füzyondan açığa çıkan bu enerji, zaman içinde Güneş'in merkezinden kurtulmaktadır ve bu yüksek enerjili fotonlar daha sonrasında uzay boşluğuna salınır.

Füzyon; baktığımız zaman iki çekirdeğin birleşmesi olmasına rağmen fisyon yani atom bölünmesi durumundan daha fazla enerji açığa çıkarmaktadır. Bu olay ise aslında en bilindik olan matematik formüllerinden: $E=m{c}^2$ ile açıklanmaktadır. Füzyon tepkimesine giren hidrojen izotopları, kütle bakımından:

${}^{2}H{+}^{3}H>He$

şeklindedir. Bu arada kaybedilen kütle ($m$) enerjiye dönüşmektedir.

Fisyon ve Füzyonun Farkı Nedir?

Füzyon:

• Çekirdek birleşimidir.
• Minimal seviyede radyasyon açığa çıkar.
• Zincirleme bir tepkime değildir dolayısıyla Çernobil'den aşinâ olunan "patlama" ihtimali yoktur. Plazma, kendi kendini soğurur.
• Enerji bakımından fisyona kıyasla avantajlıdır.
• Karbon salınımı yoktur.
• Yakıt problemi yoktur, hidrojen doğada bolca bulunan bir elementtir. Dolayısıyla, sonsuzdur.
• Enerji krizine potansiyel çözümdür.

Fisyon:

• Çekirdek bölünmesidir.
• Radyoaktif atık açığa çıkar ve süreçte radyoaktivite yüksektir.
• Zincirleme bir tepkimedir.
• Enerji bakımından füzyona kıyasla dezavantajlıdır.
• Karbon salınımı azdır, yeşil bir enerjidir.
• Uzun süreler yetecek yakıt vardır.
• Enerji krizine potansiyel çözümdür.

Peki Madem Füzyon Bu Kadar Avantajlı, Neden Kullanmıyoruz?

Füzyon reaktörü, her ne kadar yeni bir düşünce olmasa da -hatta ilk fisyonun başarılı olduğu yıllarda daha büyük bir enerji kaynağı olarak her zaman gündemde olmuş bir düşüncedir.- çok keskin sorunlarla karşılaşmaktadır. Bunlar:

• Yüksek sıcaklık
• Yüksek PSI (Pressure, basınç)
• Üretilen enerji kazancı
• Ekonomik ve politik sebepler

Füzyon tepkimesini başlatmak, oldukça maliyetli bir iştir zira Güneş'in çekirdeğinden de yüksek sıcaklıklar elde edilmelidir. Füzyon tepkimesini başlatırken harcanılan enerji, elde edilen enerjiyi karşılamamaktadır. Bu alanda çalışmalar devam etmektedir. Bazıları şu şekildedir: ITER, CFS (Commonwealth Fusion Systems) altında çalışan SPARC...

Yazımın bu kısmında ise üstte de belirttiğim SPARC'ın tipi olan TOKAMAK üzerine yoğunlaşacağım.

TOKAMAK ve Bazı Füzyon Reaktörü Bileşenleri

Manyetik Hapsediciler:

Füzyon tepkimesinin asıl bileşeni ve gerçekleştiği yer olan plazma, Güneş sıcaklığından bile daha yüksek sıcaklıklara çıkartıldığı için hiçbir madde doğrudan bu temasa dayanamaz. Bu yüzden, TOKAMAK tipi reaktörlerde birçok mıknatıs bulunmaktadır. Bu mıknatıslar, yarattıkları manyetik alan ile birlikte plazmayı doğrudan temastan kaçındırır ve bu şekilde plazma birnevi havada tutulmuş olur. Bu manyetik alan, "Toroidal" ve "Poloidal" manyetik alanlar şeklinde ikiye ayrılmakta ve manyetik alan ile tutulan plazmaya "donut" şeklini vermektedir.

Bu manyetik alan ile sıkıştırmanın asıl amacı aslında şunlardır:

• Fiziksel temas olmadan plazmayı reaktör merkezinde tutmak
• Plazmanın kararlı bir şekilde sıkıştırılmasını sağlamak
• Enerji kaybını ve hasar riskini azaltmak

Blanket:

Blanket, füzyon reaktörlerinde kritik bir konumdadır. Basitçe, 3 tip blanket vardır:

• Breeding Blanket: ${}^{3}H$ üretimi. Füzyondan çıkan nötronları absorbe eder ve bu nötronlarla, trityum (1 $p^{+}$ve 2 $n^0$) üretir. Bu üretim, şu şekilde gösterilebilir:

${}^{6}Li+n^0{\to }^{3}H{+}^{4}He+4.8MeV$

${}^{7}Li+n^0{\to }^{3}H{+}^{4}He+n^{\prime }-2.5MeV$

Dipnot: Doğal Lityum; %7.5 ${}^{6}Li$, %92,5 ${}^{7}Li$ barındırmasına rağmen ${}^{6}Li$ tercih edilir zira üretilen trityum, daha verimlidir.

• Shielding Blanket: $n^0$ radyasyonundan koruma.
• Hybrid Blanket: Üstteki görevlerin her ikisini de üstlenmektedir.

Blanket imalatı sırasında özellikle nötron ile etkileşime giren $Li$ (Lityum), $Be$ (Berilyum) gibi elementler tercih edilmektedir. DEMO reaktörlerde, ${}^{3}H$ üretimini arttırmak için $Al$(Alüminyum) tercih edilmektedir. Termal koruma için ise $C$(Karbon), $W$(Wolfram/Tungsten), $Be$ tercih edilir. Bu malzeme seçiminde dikkat edilen kriterler ise şunlardır:

• Yüksek erime noktası
• Cohesive olmalı (Plazmaya atom vererek, ısı azaltmamalı.)
• Az absorbe gücüne sahip olmalıdır.

Ekstradan, ITER'de gerçek füzyon ortamında test edilmek üzere TBM (Test Blanket Module) geliştirilmektedir.

Diverter:

Diverter, reaktörün dibinde bulunur. Bu, reaktörün en sıcak kısmıdır. Plazmadan kaçan yüksek enerjili $n^0$ ve türevlerini toplar. Bu işlemde, reaktör duvarı korunur ve plazma süresi arttırılır/korunur. Bu aşamada maddeler soğurulur ve blanket ile ısıya dönüştürülür. Radyoaktif atıklar daha sonra kapalı devre sistemleriyle toplanır. Diverter, parçacık toplama sürecini elektromanyetik alanla yapar.

Bilimkurgu Kulübü