Füzyon Nedir? Bir Füzyon Reaktörü Yaratmak Neden Bu Kadar Zor?

Milyarlarca yıldan fazla süredir, evrende meydana gelen olayların oluşmasında rol oynayan kütle çekimi kuvvetleri, evrenin ilk dönemlerinin hidrojen bulutlarının büyük yıldız cisimlerine toplanmasına neden oldu. Güneş'in dahil yıldızların aşırı yoğunlaşması ve sıcak olması sonucunda füzyon meydan gelir; ışık olarak gördüğümüz ve ısı olarak hissettiğimiz şey, Güneş'in çekirdeğinde oluşan füzyon reaksiyonların sonucudur. Hidrojen çekirdekleri çarpışır, daha ağır helyum atomlarına dönüşür ve bu süreçte muazzam miktarda enerji açığa çıkarır.

Wikiwand

Füzyon, evrendeki yıldızlar için baskın enerji kaynağıdır. Aynı zamanda Dünya'da da potansiyel bir enerji kaynağı olarak görülür. Kasıtlı olarak zincirleme bir kontrollü reaksiyona girdiğinde, hidrojen bombasını çalıştırabilir.

Füzyon olmadan, Dünya'da hayat olmazdı. Füzyon yıldızlara güç veren ve Dünya'da yaşamın var olmasını sağlayan doğanın enerjisidir. Son dönemlerde füzyon reaktörleriyle ilgili bazı gelişmeler olsa da, insanlık halen işlevsel bir füzyon reaktöründen çok uzak gözüküyor. Peki ama neden? Uzun vadeli enerji çözümlerine olan kritik ihtiyaç doğrultusunda dünya çapında füzyon laboratuvarları ile iş birliği yapan, doğrudan sürücülü lazer füzyon araştırmalarının lideri olan Rochester Üniversitesi Lazer Enerjisi Laboratuvarı (LLE) yöneticisi Michael Campbell, şu şekilde belirtiyor:

Güneş de dahil olmak üzere tüm yıldızlar füzyondan güç alıyor. Füzyon için buradayız. Ancak füzyon oluşturmak gerçekten zor. (...) Dünya burada olduğu sürece bize güç verecek kadar yeryüzünde füzyon yakıtımız var. Füzyon doğanın enerji üretim biçimidir ve biz, şimdi, bu işi burada, bir laboratuvarda yapmaya çalışıyoruz.

Yıldızlara güç veren aynı kaynak olan yüksek enerji verimi, düşük nükleer atık ve hava kirliliği eksikliği ile füzyon, geleneksel enerji kaynaklarına bir alternatif oluşturabilir. Ama füzyon sürecini yönlendiren nedir?

Füzyon Nedir?

Füzyon iki hafif atomun daha ağır bir atom oluşturmak için birbirine bağlandığı veya kaynaştığı zaman meydana gelir. Yeni atomun toplam kütlesi onu oluşturan iki atomdan daha azdır; Albert Einstein'in ünlü $E=m{c}^2$ denkleminde açıklandığı gibi "kayıp", kütle enerjisi olarak dışarı verilir. Işık hızının karesiyle ($c^2$) çarpılan minik kayıp kütle ($m$), bir füzyon reaksiyonu ile oluşturulan ve enerji miktarı anlamına gelen ($E$) çok büyük bir sayıyla sonuçlanır.

İki atom çekirdeğinin aynı yüke sahip olmalarına neden olan isteksizliğin üstünden gelebilmeleri için yüksek sıcaklık ve basınçlara ihtiyaç vardır. Sıcaklıklar, Güneş'in çekirdeğinde bulunanın 6 katına ulaşmalıdır. Bu noktada hidrojen artık bir gaz değil, atomların elektronlarından sıyrıldığı son derece yüksek bir madde hali olan plazmadır.

Füzyon, atomları bölen ve tehlikeli miktarda radyoaktif atığa neden olan fisyondan farklıdır. Campbell, "Fisyon ve zıttı olan füzyon, iki farklı uç noktadır." diyor. Nükleer fisyonda, uranyum gibi büyük ağır bir atomu alınır ve çekirdeğine bir nötron fırlatılır; nötronun bir yükü yoktur; bu nedenle atom çekirdeğine kolayca nüfuz edebilir. Fazladan nötron, atomun parçalandığı ve enerji açığa çıkardığı noktaya kadar atomu kararsız hale getirir.

Öte yandan füzyon, hidrojen gibi hafif elementlerin atomlarını bir araya getirmeyi içerir. Her atomun çekirdeği pozitif yüklü olduğundan atomları iten ve onları "kaynaşmaya" yetecek kadar yaklaşmalarını önleyen doğal bir elektriksel kuvvet vardır. Bu nedenle füzyon işlemi, atomların doğal olarak birbirlerini ittikleri kuvvetin üstesinden gelmek için aşırı sıcaklıklar ve basınçlar kullanmalı ve bunun yanında çekirdeklerin bir araya gelip enerji açığa çıkarmalarını sağlamalıdır.

Füzyon Çeşitleri ve Enerjiyi "Pişirmek"

Füzyonu oluşturmak için farklı atom kombinasyonlarına dayanan birkaç "tarif" vardır. Bunlara bir bakış atacak olursak...

Döteryum-Trityum Füzyonu

Bugün Dünya'daki güç için en umut verici kombinasyon, bir döteryum atomunun bir trityum atomuyla birleşmesidir. Yaklaşık 32 milyon °C sıcaklık gerektiren süreç, 17,6 milyon elektron volt enerji üretir. Bu hafif hidrojen atomlarının füzyonu, daha ağır bir element olan helyum ve bir nötron üretir.

Döteryum umut verici bir elementtir; çünkü tek bir proton ve bir nötron içeren, ancak elektron içermeyen bir hidrojen izotopudur. Buna karşılık hidrojen, su bileşiğini oluşturan önemli bir elementtir. 3,8 litre deniz suyu, 1,136 litre benzine eşdeğer derecede enerji üretebilir.

Başka bir hidrojen izotopu olan trityum, bir proton ve iki nötron içerir. 10 yıllık yarılanma ömrü nedeniyle (miktarı, her 10 yılda bir yarıya düşer) büyük miktarlarda bulunması zordur. Doğal olarak bulmaya çalışmak yerine, en güvenilir yöntem, Dünya'nın kabuğunda bulunan bir element olan lityumu, trityum oluşturması için nötronlarla bombalamaktır.

Thorsten Werner Loewenhoff

Döteryum-Döteryum Füzyonu

İki döteryum atomu elde etmenin kolaylığı nedeniyle, teorik olarak döteryum-trityumdan daha umut verici olan bu yöntemdir ama aynı zamanda daha zordur; çünkü şu anda ulaşılamayacak kadar yüksek sıcaklıklar gerektirir. Bununla birlikte bu süreç, döteryum-trityum füzyonundan daha fazla enerji açığa çıkartır.

Fusion Srubar

Yıldızlarda Oluşan Füzyonlar

Yüksek ısıları ve kütleleri ile yıldızlar, doğal yollardan enerji açığa çıkardıkları farklı kombinasyonlar kullanır;

• Proton-Proton füzyonu: Çekirdek sıcaklıkları 15 milyon °C'nin altında olan Güneş gibi yıldızların baskın enerji kaynağını oluşturan proton-proton füzyonu, iki protonun çarpışmasıyla başlar ve sonuçta pozitronlar, nötrinolar ve gama gibi yüksek enerjili parçacıklar üretir.
• Karbon Döngüsü: Daha yüksek sıcaklıklara sahip yıldızlar, hidrojen atomları yerine karbonları birleştirir.
• Üçlü Alfa Süreci: 100 milyon °C'yi aşan sıcaklıkları ile kırmızı devler gibi yıldızlar, hidrojen ve karbon yerine helyum atomlarını bir araya getirir.

Füzyon Nasıl Enerji Üretir?

Atomlar asla dinlenmez; ne kadar sıcak olurlarsa o kadar hızlı hareket ederler. Sıcaklığın 15 milyon °C'ye ulaştığı Güneş'in çekirdeğinde, hidrojen atomları sabit bir çalkalanma halindedir. Çok yüksek hızlarda çarpıştıklarında, çekirdeklerinin pozitif yükleri arasında var olan doğal elektrostatik itme kuvveti aşılır ve atomlar birleşir. Hafif hidrojen atomlarının füzyonu, daha ağır bir element olan helyumu oluşturur.

Güneş her saniye 600 milyon ton hidrojeni helyuma dönüştürerek muazzam miktarda enerji açığa çıkarır. Ancak Güneş gibi devasa yıldızlarda olan gibi büyük bir kütleçekim kuvveti olmadan, Dünya yüzeyinde yapay yollardan füzyona ulaşmak için farklı yaklaşımlar gerekir.

Füzyon ve fisyon, 1930'ların sonlarında keşfedildi. Bilim insanları uranyumu nötron bombardımanına tuttular. Elde edilen sonuçların ışığında uzmanlar, birkaç yıl sonra Manhattan Projesi için fisyonla çalışan nükleer reaktörler inşa ettiler. Bundan yaklaşık 10 yıl sonra ilk ticari nükleer reaktörler faaliyete geçti. Bugün hala teorik olan füzyon enerjisi, Güneş gibi yıldızların nasıl bu kadar uzun süre var olduklarını açıklama çabasıyla, verilere bakılarak keşfedildi.

Michael Osadciw

Campbell, füzyonun ABD'deki birincil enerji kaynakları olan kömür, doğal gaz veya nükleer enerjiden daha temiz ve daha güvenilir bir enerji çözümü sunduğunu belirtiyor. Füzyon aşırı basınç ve sıcaklık gerektirdiğinden, bir şeylerin ters gitmesi durumunda aniden sıcaklık kesilirse tamamen durdurulabilen bir süreçtir. Fisyon sürecinde bir hata veya patlama yaşanacak olursa, bu süreçler durdurulmaya çalışılsa bile radyoaktif haldeki uranyum parçalanmaya ve etrafa radyasyon ile enerji saçmaya devam eder.

Bununla birlikte, birçok faydasına rağmen füzyon, enerji elde etmek için çok zor bir kaynaktır. Campbell füzyon sürecinin zorluğu konusunda şu şekilde belirtiyor:

Güneş çok büyük olduğu için füzyon gerçekleştirebiliyor... Biz ise lazerle füzyonu gerçekleştirmeye çalışıyoruz. Reaksiyonu 100 milyon °C'de oluşturmalı ve kontrol etmeliyiz. LLE'deki ve diğer laboratuvarlardaki araştırmacılar her zaman füzyon reaksiyonu gerçekleştiriyorlar; fakat bunu füzyon ile açığa çıkan enerjiden daha fazla enerji kullanarak yapabiliyorlar. Bir sonraki büyük hedef, onu oluşturmak için kullandığımızdan daha fazla enerji üreten bir füzyon reaksiyonu gerçekleştirmektir.

Campbell, füzyonun ne zaman bir güç kaynağı olarak kullanılabileceği konusunda kimsenin belirli bir söz veremeyeceğini belirtiyor, ama aynı zamanda füzyon yoluyla net-pozitif enerji üretiminin yaşam boyunca sağlanabileceğini düşünüyor;

Şu anda hala işe yarar bir reaksiyon üretmeye çalışıyoruz. Kendi ömrümde bunu görme şansım çok yüksek, ama kesinlikle son haliyle tamamlanmış bir füzyon santrali görmeyeceğim. Bununla birlikte bir kez yapıldığında, füzyon nihai enerji kaynağı olacak. Bir daha asla enerji krizi olmayacak.