Nükleer Füzyon Nedir ve Ne Zaman Gelecek?

Bugünkü nükleer güç santrallerinden 4 kat fazla enerji üretecek olan temiz nükleer füzyon reaktörleri ne zaman kullanıma girecek? Sonuçta dünyada iki tür nükleer enerji bulunuyor: Atomu birleştirerek enerji üreten nükleer füzyon ve atomu parçalayarak çalışan nükleer fizyon. Biz de nükleer fizyon santralleri ile 60 yıldır nükleer enerji üretiyoruz. Ancak, küçük atomları birleştirip büyük atomlar oluşturarak çalışan nükleer füzyon çok daha fazla enerji açığa çıkarıyor. Peki nükleer füzyon reaktörleri nasıl çalışıyor? Neden hâlâ deneme aşamasında ve hep 30 yıl sonra gelecek deniyor?

Nükleer füzyon temizdir

Birazdan göreceğimiz gibi nükleer füzyon reaktörleri klasik nükleer reaktörlerden daha az radyasyon yayıyor ve çok daha az nükleer atık üretiyor. Üstelik nükleer reaktörler radyoaktif olan zenginleştirilmiş uranyum yakıtıyla çalışırken füzyon reaktörleri çok daha az radyoaktif olan döteryum ve trityum gazı kullanıyor (Döteryum [D] fazladan bir nötron ve trityum [T] iki nötron içeren hidrojen izotopudur).

Füzyon reaktörleri temiz olduğu için klasik nükleer reaktörlerden 100 kat ucuza enerji üretme potansiyeline sahip bulunuyor. Bir kez füzyon teknolojisi ticarileştiğinde yeni reaktörlerin işletilmesi inşaat aşamasından hurdaya çıkma aşamasına dek tüm yaşam döngüsünde, bakım-onarım açısından çok daha ucuza gelecek. Oysa sorunca hep aynı cevabı alıyorsunuz: Füzyona 30 yıl var.

Hatta bu muhabbet 60 yıldır döndüğü için bilim insanları arasında nükleer füzyon artık şaka konusu oldu: Füzyona her zaman 30 yıl vardır! Biz de bu yazıda füzyon reaktörlerinin nasıl çalıştığını, ne kadar enerji ürettiğini, zayıf-güçlü yanlarını VE neden hâlâ nükleer füzyon geliştiremediğimizi göreceğiz.

İlgili yazı: Gerçek Adem: ilk insan ne zaman yaşadı?

 

Füzyon ne kadar enerji üretiyor?

Öncelikle yaygın bir yanlış anlamayı giderelim: Nükleer füzyon atom başına nükleer fizyondan daha az enerji üretiyor. Uranyum atom çekirdeğini parçaladığınız zaman 202-208 mega elektronvolt (MeV) enerji üretirsiniz. Oysa iki hidrojen atomu çekirdeğini birleştirip birbirine yapıştırdığınız zaman (işte buna nükleer füzyon veya Türkçesiyle çekirdek kaynaşması deriz) sadece 18 MeV enerji üretirsiniz.

Bu da ilk bakışta füzyonun atomu parçalamaktan yüzde 10’dan daha az enerji ürettiğini gösterir. Oysa nükleer füzyon 1 kg yakıtla nükleer fizyondan 3-4 kat daha fazla enerji üretir ki hesap basittir: Klasik fizyon yakıtı zenginleştirilmiş uranyumdan oluşur ve bu da yüzde 20 oranında U 235 içerir (nötronlarla parçalanmaya müsait kırılgan bir uranyum izotopu).

Özetle ağır U 235 çekirdeğinde 92 proton ve 143 nötron bulunur (protonlarla nötronlar atom çekirdeklerini oluşturan parçacıklardır ve bunlara nükleon deriz). Einstein’ın E=mc² denklemi uyarınca U 235’i parçaladığınız zaman üretilen yaklaşık 200 MeV enerji bu nükleonların tamamından gelir.

Oysa döteryumla trityum çekirdeklerini birleştirip (D+T) helyum çekirdeği (He) oluşturduğunuz klasik füzyon reaksiyonunda üretilen 18 MeV enerji sadece 5 nükleondan kaynaklanır: 2 proton ve 3 nötron. Kısacası U 235’ten 47 kat hafif olan DT kaynaşmasıyla 18 MeV üretirsiniz. Dolayısıyla 1 kg DT yakıtı ile 1 kg U 235’ten 3-4 kat fazla enerji üretmiş olursunuz. Bu önemli detayı öğrendiğimize göre nükleer füzyon teknolojisini anlatmaya geçebiliriz:

İlgili yazı: İnternetinizi Uçuracak En İyi 10 Modem

 

Nükleer füzyon ve enerji sorunu

İnsan uygarlığı yaşamak için gereken enerjiyi üretmekte pek becerikli değil. Tabii ki ihtiyacımız olan enerjiyi üretebiliyoruz ama karşılığında küresel ısınma, yıkıcı iklim değişikliği ve çevre kirliliğine yol açıyoruz. Dünyayı kontrol etmek için enerji kaynaklarını ele geçirmek istediğimizden hayat pahalılığı ve savaşlara da sebep oluyoruz.

En büyük iki enerji üreticisi olan Çin ve ABD atmosfere milyarlarca ton sera gazı karbondioksit salarak küresel ısınmaya neden oluyor. Ayrıca petrol ve kömür tükeniyor. Bunlara alternatif olan doğal gaz ise kömürden daha temiz olsa da 28 kata kadar daha fazla küresel ısınmaya yol açıyor ve Dünya’daki doğal gaz rezervleri de sınırlı bulunuyor.

Oysa bizi savaşa zorlayarak çevreyi kirleten fosil yakıtlara odaklanmak ve atomu parçalayan nükleer güç santrallerinin radyoaktif atıklarıyla uğraşmak yerine nükleer füzyona yönelebiliriz. Hidrojen izotoplarını yüksek ısı ve basınç altında birleştirerek enerji üretebiliriz. Füzyon santrallerinin kullanıma girmesine en az 20 yıl olsa da son on yılda füzyonda önemli ilerlemeler kaydettik. Öyleyse nükleer füzyonu güneş enerjisi gibi yenilebilir kaynaklar ve klasik enerjiyle karşılaştıralım. Hangisi daha iyi?

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

Gerçek güneş enerjisi füzyondur

Güneş enerjisinde güneş ışığını elektriğe çeviriyoruz. Bunu da Dünyamıza ısı ve ışık veren Güneş’e borçluyuz ama asıl güneş enerjisi nükleer füzyondur; çünkü Güneş çekirdeğinde gerçekleşen füzyon reaksiyonlarıyla ısı ve ışık üretiyor. Güneş’in çekirdek basıncı Dünya deniz seviyesinin 250 milyar katı ve buna rağmen füzyon için 15 milyon derece sıcaklık gerekiyor.

Neyse ki Güneş’in merkezi o kadar sıcak ama Dünya’da bu basınca ulaşamayacağımız için bizim en az 100 milyon derecelik yanma sıcaklığına ve sürekli yanma için de belki 200 milyon dereceye erişmemiz gerekiyor. Bu zor olduğundan insanlar uzun süredir güneş ve rüzgar enerjisine bel bağladılar. Bunlar temiz yenilenebilir enerji kaynakları ama güneş ve rüzgar santralleri de çevreye zarar veriyor. Her şeyden önce güneş paneli ile pil üretimi ve santral inşaatı çevreyi kirletiyor.

Gerçi güneş tarlaları arazide petrol şirketlerinin öne sürdüğü kadar yer kaplamıyor. Ancak doğal araziyi işgal ediyor. Bunun dışında rüzgar türbinlerinin pervaneleri ve güneş altında çok ısınan güneş panelleriyle aynalar kuşlar, kaplumbağalar ve diğer canlıları öldürüyor. Ayrıca güneş paneli ve rüzgar gülleri fosil yakıtlardan daha düşük verimlilikte çalışıyor.

Pratikte güneş paneli verimliliği yüzde 12 ve rüzgar türbini verimliliği de yüzde 35-45 oluyor. Ancak bu yazdıklarım güneş enerjisine karşı olduğum anlamına gelmesin. Sadece 1) Bu teknolojinin sanıldığı kadar çevreci olmadığını ve 2) ticari açıdan yaygın doğal gaz santralleriyle rekabet etmesinin şimdilik zor olduğunu belirtiyorum. Özellikle de doğal gaz üreticilerinin hükümetlere kulis yaptığını düşünürsek.

İlgili yazı: Virüsler Canlı mı ve RNA Yaşamın kökeni mi?

 

Peki nükleer füzyon karşısında?

Geleceğin enerji sistemlerinin güneş enerjisi, hidrojen yakıt hücreleri ve nükleer füzyondan oluştuğunu yazdım. Ancak şuna dikkat edelim: Nüfus artışı ve yeni teknolojiler enerji gereksinimini de hızla artırıyor. Güneş enerjisi asla bu ihtiyacı karşılayacak kadar hızlı ölçeklenemeyecek.

Bugün Dünya enerji ihtiyacının tamamını Kıbrıs büyüklüğünde bir alanı güneş paneliyle kaplayarak karşılayabiliriz. Laboratuar ortamındaki ideal şartlarda yüzde 40 verimliliğe ulaşan deneysel güneş panellerini 10 yılda kullanıma sokabilir ve 20 yılda yaygınlaştırabiliriz. Oysa 30 yıl sonra insanlığın enerji ihtiyacını karşılamak için iki Kıbrıs gerecek ve bu böyle sürüp gidecektir.

Özellikle Boston gibi kuzey şehirlerinin İzmir kadar gün ışığı almadığını, Dünya’nın birçok yerini Kuzey Avrupa gibi bulutlu olduğunu düşündüğümüzde bunu anlıyoruz. Nükleer enerji ise 7/24 elektrik üretebiliyor. Nükleer füzyon santralleri ise Çernobil gibi klasik nükleer güç santrallerinden daha az yer kaplayacak. Ürün ticarileştiğinde inşaat ve bakım-onarım harcamaları çok daha az olacak.

Özetle nükleer füzyon bırakın daha temiz bir nükleer enerji teknolojisi olmayı, karbon ayak izi açısından da en çevreci seçim olacak. Az yakıtla bol enerji üretebileceğiz. Biz de buraya kadar güneş-rüzgar enerjisi sektörü ile petrol şirketlerinin nükleer füzyona neden sıcak bakmadığını gördük. Zaten petrol şirketleri hem güneş enerjisini küçümsüyor hem de temiz enerji sektörünü geleceğin nükleer füzyon sektörüne karşı kışkırtıyor. Peki nükleer füzyon atomu parçalamakla rekabet edebilir mi?

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

 

Nükleer füzyon ve nükleer fizyon

Bugün nükleer santraller yüzde 30 verimlilikle çalışıyor. Tipik rüzgar enerjisi verimliliği ise yüzde 35-45’tir; yani rüzgar her yerde 7/24 esse (Dünya’nın yaşanmaz bir yer olması dışında) nükleer enerji asla temiz enerjiyle rekabet edemezdi. Yakın gelecekte ise yüzde 17 daha az yakıt kullanarak yüzde 35 verimlilikle çalışan santraller açılacak. Ancak, nükleer enerjiyle ilgili çok ciddi üç sorun var:

1) Radyoaktif atıklar, 2) Çernobil ve Fukuşima nükleer kazası gibi felaketler ve 3) Nükleer savaş tehlikesi. İlk ikisini ayrıntılı olarak yazdım ama nükleer savaş tehlikesini merak etmiş olabilirsiniz. Öyleyse kral çıplak diyelim: Başta Akkuyu nükleer güç santrali olmak üzere bütün nükleer reaktörlerde plütonyum üretebilirsiniz, yeter ki isteyin. Plütonyum nükleer silahlarda kullanılır.

Dolayısıyla ABD, Fransa, Japonya, Çin, İngiltere gibi ülkeler nükleer enerjiye ekonomik sebeplerle ve temiz enerji olduğu için değil, nükleer silah üretmek için geçtiler. Almanya gibi bir iki istisna ise ABD baskısıyla nükleer silah üretmedi. Ayrıca ABD İran ile nükleer silah üretirse Yakındoğuda borum ötmez diye mücadele ediyor ve aynısı Kuzey Kore için de geçerli. Bölgesel nükleer savaş bile ölümcüldür.

Özetle nükleer güç santralleri stratejik rezervdir ve bunlara her ülkenin sahip olmasını istemezler. Buna uranyum kaynaklarının sınırlı olmasını da ekleyelim. Nükleer silah çekincesi yüzünden uranyum ticareti dünyada sıkı bir şekilde kontrol ediliyor. Son olarak kamuoyu nükleer savaş ve nükleer kaza endişesi yüzünden haklı olarak nükleer enerjiye karşı oluyor. Peki bu nükleer füzyon için ne anlama geliyor? Füzyon da klasik nükleer enerji gibi dışlanacak mı?

İlgili yazı: Zamanda Yolculuk Etmenin 9 Sıra Dışı Yolu

 

Nükleer enerji verimliliği

Bu konuya verimlilik açısından yaklaşmak istiyorum. Birazdan füzyonun nasıl çalıştığını göreceğiz ki ben de teknolojik detaylara bayılırım. Ancak, nükleer füzyon sektörünü, küresel ısınma ve çevre kirliliğini anlamak istiyorsak enerji üretiminin maliyetini anlamamız çok önemli. Yoksa takım tutar gibi güneş enerjisinin tarafını tutuyoruz ve petrol sever politikacılar da algı yönetimiyle bizi ekarte ediyor.

Yukarıda net verimliliğin enerji sektörü için tek başına anlamlı olmadığını gördük: Atomu parçalayarak atom başına daha çok enerji üretiyoruz ama nükleer füzyon 1 kg yakıtla 4 kat fazla enerji üretiyor. Buna ek olarak uranyumun sınırlı olduğunu da gördük oysa füzyon hidrojen izotopları kullanıyor. Bunları ağır sudan elde ediyor ve ağır suyu da okyanus suyundan çekiyoruz. Özetle 2020 yılı tüketim verilerine göre Dünya’da nükleer füzyona 26 milyon yıl yetecek kadar ağır su var.

Ancak, size daha çarpıcı bir şey söyleyeceğim: Sadece 20 ton döteryum-trityum füzyon yakıtıyla ABD’nin yıllık enerjisini üretebilirsiniz. Dünya için de 100 ton yeterli olacaktır. Karşılaştırma açısından nükleer enerji ABD gereksiniminin yalnızca yüzde 20’sini karşılıyor ve ABD bunun için yılda 25 bin ton uranyum kullanıyor.

Demek ki ABD’nin yıllık enerji kullanımı 75 bin ton uranyum istiyor! Radyoaktif atıklar hariç. Nükleer enerji için uranyum çıkaracak, kontrol edecek, zenginleştirecek ve on binlerce ton radyoaktif atık üreteceksiniz (Bugün ABD’nin elden çıkarması gereken 90 bin ton nükleer atığı var).

İlgili yazı: Yapay Zeka Nedir ve Nasıl Çalışır?

 

Peki ya nükleer füzyon?

Ağır su üretmek okyanus suyunu filtre etmek kadar kolaydır. Döteryum ve trityum elde etmek için de ağır suyu elektrolizle parçalayıp (D₂O) içindeki döteryumu çekmek yeterlidir (ağır suyu hidrojen sülfürle deniz suyunu kimyasal reaksiyona sokarak, damıtarak veya elektrolizle üretebilirsiniz). Yine de objektif olalım: Nükleer füzyon klasik nükleer enerjiye muhtaçtır. En azından 40 yıl için ve neden derseniz:

D+T reaksiyonu için gereken trityumu nükleer reaktörlerde lityum 6’yı nötron bombardımanına tutarak üretiyoruz. Lityumun parçalanmasıyla hem trityum hem de helyum gazı açığa çıkıyor. Bu reaksiyon reaktördeki besici seramiklerde gerçekleşiyor. Bu nedenle nükleer fizyon santralleri asla tamamen kullanımdan kalkmayacak. Ülkeler nükleer motorlu denizaltılar  ve uçak gemileri için, ayrıca trityum-plütonyum üretiminin durmaması için az sayıda nükleer santral işletmeye devam edecekler.

Peki daha güvenli nükleer santraller inşa edilemez mi? Bugün nükleer kaza riski Çernobil’den 1 milyon kat az olan çok güvenli reaktör tasarımları var. Hatta bunlardan biri olan Kilopower gelecekte Mars üslerinde kullanılacak ama bunlar bir-iki istisna hariç Dünya’da kullanıma girmeyecek. Kamuoyu atomu parçalayan nükleer santral istemiyor.

Ayrıca gerçek kaza ihtimali milyonda 1 değildir. Eski nükleer reaktörlerdeki kaza riski kadar yüksektir; çünkü dünyadaki reaktörlerin büyük kısmı 40 yaşında. Amerika’daki reaktörlerin ortalama yaşı 38 örneğin. Peki bu ne demek? Kazada insan faktörünü ve açgözlülüğü unutuyoruz demek. Aynı zamanda şirketlerin kâr amaçlı olduğunu… 2011’de Fukuşima nükleer kazası nasıl oldu diye sorarak anlatalım:

İlgili yazı: Bilim insanları DNA’ya veri depoladı

 

Nükleer füzyon ve Fukuşima

Fukuşima kazasını ayrı bir yazıda anlatacağım ama kazanın kök sebebine gelelim: Bu santrali işleten şirket, Japonya’nın deprem ve tsunami ülkesi olmasına rağmen yetkililere rüşvet verdi.^7-8 Böylece tsunamiye karşı sel kapıları inşa etmekten kurtuldu. Tsunami vurunca da nükleer reaktörler eridi. Demek ki sorun temiz nükleer enerjide değil. Sorun üç kuruş için cana kasteden açgözlü şirketlerde.

Peki neden böyle oluyor? Nükleer santraller eskidikçe bakım masrafları artar. Bu yüzden şirketler bakım yapmaktan kaçınırlar. Ek güvenlik önlemi almayı da sevmezler; çünkü santral eskiyince bir de onlara bakım yapmak gerekir. Güneş enerjisi ve hatta doğal gaz ölçeklenirken ve 30 yıla nükleer füzyon gelecekken atomu parçalamaya odaklanmak bu yüzden abesle iştigaldir.

Nükleer kaza riski düşük ama Çernobil’de olduğu gibi o kadar ölümcüldür ki yeni reaktörlerle bile risk almaya değmez: Sovyetler Birliği Çernobil’den 4000 kişi etkilendi dedi. Avrupa Birliği 90 bin kişi kanser olabilir dedi ama gerçekte +30 milyon kanser riski artmış insan var dünyada. Sakat doğumlarla birlikte bu sayı İkinci Dünya Savaşı’ndaki can kaybını aşıyor. Öyleyse nükleer enerjiye doğru nedenlerle karşı çıkalım. Peki nükleer füzyon ne kadar radyoaktif atık üretecek? Füzyon santralleri patlar mı?

İlgili yazı: İnternette teknik takip ve gözetimi önleme rehberi

 

Nükleer füzyon güvenlidir

Birazdan göreceğimiz gibi nükleer füzyon yapısı itibarıyla kontrollü bir reaksiyondur. Oysa nükleer fizyonda bir kez atomu parçalamaya başladınız mı zincirleme reaksiyon başlar ve bunu durduramazsınız. Nükleer reaktörü otomobil motoru gibi kapatamaz ama füzyon santrallerini lamba gibi kapatabilirsiniz. Nükleer füzyon yüksek ısı ve basınç gerektirir ve tencerenin altını kıstınız mı durur.

Nükleer füzyon klasik nükleer enerjiden çok daha az radyasyon üretir. Sert nötron radyasyonu ölümcüldür ama füzyon reaktöründe çok sınırlıdır. Reaktör delindiği zaman meydana gelecek kazada ise 20 ton TNT’ye eşdeğer patlamaya yol açan bir Davy Crockett’in 400 m menzilli flaş radyasyonundan çok daha az radyasyon yayılacaktır (Crockett için 100 Sievert, 10 bin REM ki 1 Sv kanser riskidir ve 4,5 Sv ölümcüldür). Davy Crockett ABD’nin Soğuk Savaşta ürettiği nükleer başlıklı bir geri tepmesiz tüfektir.

Reaktörün delinmesi halinde yayılacak flaş radyasyonu binanın kendisi ve yedek zırhlar engelleyecektir. Sert nötron radyasyonu nötronlar kütleli parçacıklar olduğu için çok kısa menzillidir. Sadece reaktör yakıtının (D-T) patlamasıyla çevreye radyoaktif gaz yayılabilir ama bu riskler klasik nükleer santrallerden çok daha düşük olup kazada yayılacak radyasyon da yüzlerce kat düşüktür.

Buna rağmen D+T füzyonuyla çalışan bütün reaktörler nötron radyasyonu üretiyor. Nötronlar reaktörün yanma odasının ve koruyucu zırhın zamanla radyoaktif olmasına yol açıyor. Bunlar nükleer fizyondaki uranyum atıkları kadar radyoaktif olmasa da ortaya çıkacak atık miktarı daha fazla olacaktır (koca reaktörü zamanla hurdaya çıkarmak gerekecek).

Buna geri geleceğim

Özetle radyasyon açısından füzyon reaktörünün inşaat ve bakımı çok güvenlidir. Hele Helyum 3 füzyonu yaparsak hemen hiç radyasyon olmaz; çünkü Helyum 3 çekirdekleri kaynaşırken nötron radyasyonu açığa çıkarmaz.

İlgili yazı: NASA Astronotları AstroRad Radyasyon Zırhı ile Koruyacak

 

Nükleer füzyon ne kadar verimli?

Toparlayacak olursak füzyon santralleri az yakıtla bol ve temiz nükleer enerji üretiyor. Çevreyi daha az kirletiyor ve orta vadede bunları kurup işletmek, sonra da elden çıkarmak kolay olacak. Egzoz olarak da yanıcı ve zehirli olmayan asal gaz helyum çıkaracak ki bunu sanayide ve helyum balonlarında kullanacağız. Peki enerji verimliliği nedir?

Bugün enerji verimliliği -yüzde 98’tir! Sonuçta henüz ticari nükleer füzyon reaktörü üretemedik. Nükleer füzyon reaktörleri şu anda çalışmak için tükettiği enerjiden çok daha az enerji üretiyor; çünkü zincirleme füzyon reaksiyonları başlatmayı başaramıyoruz ama gelecekte başardığımız zaman yüzde 45-50 enerji verimliliğine ulaşacağız.

Nitekim 1980’lerde ABD Lawrence Livermore Ulusal Laboratuarı (LLNL) doğrudan enerji dönüşüm ile nükleer füzyondan yüzde 48 güç üretti. Sonuçta nükleer füzyonda ne kadar enerji açığa çıktığı önemli değil. Önemli olan bunun ne kadarını sanayide kullanmak için ısı ve elektriğe dönüştürebildiğimizdir. İşte bu açıdan nükleer füzyon orta vadede en iyi fiyat/performans oranını verecektir.

İlgili yazı: Vücudumuz ve Beynimiz Mars’a Yolculuğa Hazır mı?

 

Nükleer füzyon nasıl çalışıyor?

Bunun için yanma odasında en az 100 milyon derece sıcaklığı korumamız lazım. Andından D+T reaksiyonu ile helyum üretilecek. Bu sırada büyük enerji açığa çıkacak ve D+T sonrası açıkta kalan serbest nötronlar da daha fazla D+T reaksiyonunu katalize edecek. Ayrıca helyum çekirdeği de D+T kaynaşmasından kalan enerji fazlasını elektronlara verecek (detaylar burada).

Sonuç olarak 100 milyon derecelik D-T gazı aslında gaz değil, plazmadır. Yüksek sıcaklıkta elektronlar atomlardan kopar ve atom çekirdekleri çıplak kalırken elektronlar gazın içinde serbestçe yüzerler. Buna maddenin plazma hali denir. Siz de helyum füzyonu sırasında elektronlara enerji verirseniz bunlar gazın geri kalanını da ısıtarak zincirleme füzyon reaksiyonu başlatacaktır.

Buna alfa ısınması diyoruz ve bir kez bunu başarırsanız ilk ateşlemeden sonra yanma kendi başına devam eder. Yanma odasına yakıt eklenmeye devam ettikçe sürer. Şimdi diyebilirsiniz ki “Hocam buraya dek nükleer füzyonu mucize çözüm gibi anlattınız.” Oysa füzyonun da eksikleri var. Bunları kısaca sıralayalım:

İlgili yazı: Vücudumuz ve Beynimiz Mars’a Yolculuğa Hazır mı?

 

Nükleer füzyon eksileri

1) LLNL füzyonda yüzde 48 güç verimliliği elde etti ama bu deneysel bir teknoloji. Doğrusunu isterseniz henüz nükleer füzyonu nasıl elektriğe çevireceğimize karar vermedik. Kendi başına yanan nükleer füzyon reaksiyonları başlatmak en büyük zorluktur ama ondan sonra füzyonu elektriğe çevirmek geliyor. Bunun için ek yatırım ve Ar-Ge gerekecek.

2) Nükleer füzyon pek az radyasyon ve düşük düzeyde radyoaktif atık üretecek fakat çok fazla atık çıkaracak. Radyasyon düzeyi düşük olduğu için bunları taşımak ve gömmek kolay olacak, ancak radyasyonun yeraltı suyuna karışarak kanser vakalarını artırma riski var. Teknik olarak radyasyon düzeyi düşük olabilir ama ne kadar düşük olsa da radyoaktif atıklar öldürücüdür. Buradaki asıl risk eser miktarda da olsa suya ve havaya radyoaktif trityum izotopunun karışacak olmasıdır.

3) Füzyon reaktörlerinin içine uranyum koyarsak nükleer silah yakıtı olan plütonyum 239 üretebiliriz. Bu da nükleer silahlanmaya yol açabilir. Özellikle de ağır su ticaretini sınırlı uranyum gibi kontrol edemeyeceğimiz için… Yalnız füzyon santrallerini sadece gelişmiş ülkeler üreteceğinden ve onlar da ya nükleer silahlara sahip olduğu veya nükleer silah üretmediğinden bu gerçek bir risk değildir.

4) Füzyon reaktörleri büyük miktarda soğutma suyu kullanacak. Doğrudan soğutma yöntemiyle her 1 megavatsaat güç üretiminde 114 ton su tüketecek. Bu da yeraltı sularını tüketerek kuraklık riskini artıracak.

Yalnız şunu belirtmek gerekiyor

Bu bilgileri nükleer füzyona karşı olan ve klasik nükleer güç santrallerini savunan kaynaklardan aldım. Füzyon gösterildiği kadar dezavantajlı değildir. Bir kere bu sorunları klasik nükleer enerjiden daha kolay, hızlı, güvenli ve ucuza çözebiliriz. İkincisi füzyon klasik nükleer enerjiden daha hızlı ölçeklenecek. Kullanıma girince istihdam ve işletme masrafları hızla azalacak.

İlgili yazı: Mars’a Gidecek Yıldız Gemisi Neden Çelikten Yapıldı?

 

Nükleer füzyon teknolojileri

Bugün nükleer füzyon reaktörleri 10 saniye için 100 milyon santigrata ulaşabiliyor. Ancak, kendi başına süren zincirleme füzyon reaksiyonları için 150-200 milyon dereceye ulaşmak gerekiyor. Bizim en büyük sorunumuz bu sıcaklıklara ulaşmak ve sıcaklığı korumaktır.

Gerçi hibrit fizyon-füzyon kullanan termonükleer bombalarla da 100 milyon dereceye ulaşabiliyoruz ama amacımız dünyayı havaya uçurmak değil. Amacımız nükleer füzyonla güvenli, ucuz ve temiz enerji üretmek.

Öyleyse füzyon başlatmakta kullanılan iki ana reaktör teknolojisini görelim: Bunlardan biri ABD’nin kullandığı atalet hapislenmesi füzyonu (ICF) diğeri de Sovyetler Birliğinden miras kalan manyetik hapisleme füzyonudur (MCF). ABD dışındaki bütün ülkeler MCF reaktörleri geliştiriyor. Biz de Amerika ile başlayalım. ICF nasıl çalışıyor?

İlgili yazı: Mini Füzyon Roketi ile 3 Ayda Mars’a Gidin

 

ICF ile nükleer füzyon

Atalet hapislenmesi füzyonunda leblebiden daha küçük bir küreciğin içine (pelet denir) döteryum ve trityum gazı koyuyorsunuz. Nükleer patlamaya yol açmamak için peletleri çok küçük yapıp içine az miktarda gaz dolduruyorsunuz. Bunları arka arkaya yakarak kontrollü füzyon elde ediyorsunuz. ICF’nin özelliği bu peletleri lazer ışınlarıyla ısıtıp patlatmaktır.

Sonuçta füzyon için hem yüksek sıcaklık hem de basınca gerek var. Amerikalılar da termonükleer bombalardaki teknikle füzyon üretmek istiyorlar. Bir peletin çevresini 360 derece lazerle sarar ve pelete her yönden aynı anda ateş ederseniz yüksek ısı ile basınç elde edersiniz. Karşılaştırma açısından MCF yönteminde bu kadar yüksek basınç yoktur ve dolayısıyla daha yüksek sıcaklık gerekir.

California’daki ABD Ulusal Ateşleme Merkezi (NIF) 2013 yılında yeni bir yanma odası geliştirdi. Kalın çelikten küre şekilli yanma odasının içini 192 adet morötesi lazerle kuşattı (morötesi lazerler endüstride kullanabileceğimiz en güçlü lazerlerden biridir). 192 lazerin toplam enerjisi 1,8 megajoule olup bu da 500 teravatlık güce eşittir.

Nitekim termonükleer bombada plütonyum çekirdeği kimyasal patlayıcılarla sıkıştırıp patlatırsınız. Plütonyum da döteryum-trityumu sıkıştırarak patlatır. Bombanın içinde basınç o kadar yüksektir ki plütonyumun yaydığı X-ışınları uranyumun içinde ses dalgaları gibi mekanik olarak yayılır. Böylece yüksek ısı ve basınç üretir. Amerikalılar ICF yönteminde bunu taklit ediyor.

İlgili yazı: Nükleer Makarna Çelikten 10 Milyar Kat Sert

 

Peki başarabildiler mi?

Hayır, başaramadılar. 2013 yılında peleti yakmak için kullanılan enerjiden daha fazlasını ürettiler ama bu 192 lazeri çalıştırmak için kullanılan toplam enerjiden azdı. Dolayısıyla net enerji üretemediler. Aslında harika bir teknoloji: Düşünsenize, oda büyüklüğünde bir yanma odasının içine her saniye bir pelet atıp atımlı lazerlerle cozur cozur yakarak patlatıyorsunuz. MCF yönteminde olduğu gibi gerçek bir yanma odası bile gerekmiyor. Bütün sistem nükleer çatapat gibi çalışıyor.

Siz de bu teknolojiyi Amazon TV’deki Expanse (Yayılma) bilimkurgu dizisinde görebilirsiniz fakat Amerikalılar zincirleme reaksiyon başlatamadılar. Bunun birkaç sebebi var: 1) Küçücük peleti hiçbir deformasyon olmadan, aynı şekilde ve aynı hızda, kusursuz olarak içe çökertmek gerekiyor. Bu çok zor. 2) 192 lazeri küçücük pelete kusursuz şekilde hedeflemek zor. 3) Peleti baştan kusursuz bir kürecik olarak üretmek zor. Peki ABD bu kısmi başarıyı nasıl elde etti?

En azından peleti ezmekte kullanılan enerjiden daha fazlasını üretebilmek için peleti kalem silgisi boyunda küçük bir altın kutuya koydular. Sonra lazerle altın kutuyu yaktılar ve kutunun mekanik X-ışınları üretip peleti her yönden yakmasını sağladılar. Böylece yeterince olmasa daha simetrik bir basınç elde ettiler. ICF net enerji üretemedi ama enerji tüketimini 100 kat azalttı. Şimdi İngiltere, Fransa, Almanya, Japonya ve Çin’de kullanılan MCF yöntemine geçelim:

İlgili yazı: Kuzey Kore İle Sınırlı Nükleer Savaş Açlık Getirir

 

Nükleer füzyon ve MCF

Manyetik hapisleme ile füzyon derken aklınıza İstanbul simidi gelsin; çünkü bu reaktörlerin yanma odası simit şeklindedir. Bunu ilk Ruslar geliştirdiği için adına tokamak deriz (Bu da nedense bana Uzay Yolu’ndaki Romuluslu Kumandan Tomalak’ı anımsatıyor ama neyse. 😊 ). Tokamak düz simit şeklindedir ama modern reaktör tasarımlarına stellarator, yani burgulu simit diyoruz ki İstanbul simidi benzetmesi buradan geliyor.

Önceden anlattığım için detaya girmeyeceğim ama özetle burgulu simit şeklindeki bir yanma odası füzyona uğrayacak D-T plazmasının zararlı türbülans olmadan akışını kolaylaştırıyor. Böylece hem füzyon sıcaklığına erişmek hem de korumak kolaylaşıyor. Sonuçta 100 milyon derece sıcaklığa dayanacak bir malzeme yoktur:

Bu yüzden yanma odasının içinde süperiletken elektromıknatıslarla güçlü manyetik alanlar üretiyor ve plazmayı bu alanlara hapsediyoruz ki manyetik hapisleme de adını buradan alıyor. D-T gazını ise mikrodalgalar veya nötron ışınlarıyla 100 milyon dereceye kadar ısıtıp plazma haline getiriyoruz. Üstelik bu sistem yanma sırasında kendi trityumunu da üretebiliyor (yani fizyon santrali gerekmeden!)

Yanma odasının iç yüzeyine lityum döşerseniz füzyon sırasında açığa çıkan nötronlar lityumu parçalayarak trityuma dönüşecek ve böylece yanma odasına sadece döteryum eklemeniz yeterli olacaktır. Kısacası hem trityum maliyetini azaltacak hem de serbest nötronları lityuma yönlendirip yanma odasının çelik duvarlarını radyoaktif hale getirme sürecini yavaşlatacaksınız. Bu da reaktörün daha temiz çalışması ve radyoaktif hale gelip hurdaya çıkmadan önce ömrünün uzaması demektir.

Öyleyse füzyonda sorun nedir?

Füzyon plazmasını manyetik alanların içinde tutmak çok zor oluyor. Plazma birkaç saniyede manyetik alanın dışına çıkıyor ve soğuyarak füzyonu sonlandırıyor. Böylece net enerji üretmeye engel oluyor ve reaktör duvarlarına temas ettiği için yanma odasını da kısmen eritip zarar veriyor. Elektrik yükü sıfır olan nötronları manyetik alanda tutmak ise daha zor ve bunlar aşındırıcı sert nötron radyasyonuna yol açıyor: Nötronlar reaktör duvarlarını atomik mermiler gibi delip delik deşik ediyor.

İlgili yazı: Çernobil Nükleer Reaktörü Neden Patladı?

 

Dünya rekorları

Yine de füzyonda ilerleme kaydediyoruz. NIF’in ICF yöntemiyle 2013’te ürettiği başarıyı gördük. Şimdi MCF rekorlarını da görelim: 1997 yılında İngiltere’deki JET reaktörü tükettiği enerjinin yüzde 67’sini üretmeyi başardı. Bu da dünya rekoru oldu. Üstelik ilkel bir deneysel reaktörde bu rekor kırıldıysa yüzde 60 verimliliğin ticari reaktörlerde elde edilebileceğini düşünmek mantıklı olur. Oysa bu rekoru bir daha kıramadık ama sorun bunun şans eseri gerçekleşmiş olması değil. Asıl sorun lojistikle ilgili: Bir reaktörü tehlikeli ölçüde radyoaktif hale gelmeden önce ancak birkaç kez kullanabiliyoruz.

Klasik nükleer enerjide durum farklıdır: Atomu parçalayan reaktörler beton ve çeliğe gömülür. Açıkçası kapatılan reaktörleri bile söküp hurdaya çıkarmadık (istisnalar hariç). Füzyon reaktörleri ise füzyon reaksiyonlarının doğası gereği yıpranıyor ve bunları gerçekten hurdaya çıkarmak zorunda kalıyoruz. Bu nedenle hep yeni reaktörler inşa ediyoruz ve bu da bilimsel gelişmeyi yavaşlatıyor.

Ayrıca trityum da nükleer reaktörlerde üretilen pahalı bir gaz ve nükleer silahlar için stratejik rezerv. Öyle ki dünyanın uranyumdan çok trityum ticaretini denetlediğine emin olabilirsiniz. Bu da deneysel yakıt sıkıntısı demek. Nükleer füzyon işte bu yüzden hep 30 yıl gelecekte sayıldı ama emin olun bir 30 yıl daha beklemeyeceğiz. 2050’ye hazır olacak.

Artık çok yakınız. En azından deneysel reaktörler 5 yıla net enerji üretmeyi başaracaktır. Örneğin JET bakım-onarım çalışmalarıyla yıllardır faaliyette: 2018’de 200 milyon derece sıcaklığa çıkmayı başardı ve 2020’de yeni bir rekor kırması bekleniyor. Tabii Corona krizi yüzünden işlere ara verilmesi sorun olmazsa fakat net enerjide asıl umudumuz sırf bu iş için tasarlanan ITER’dir ve aşağıda geleceğim:

İlgili yazı: Güçlü Nükleer Kuvvet Ne Kadar Güçlü?

 

Nükleer füzyon gelişiyor

Her ülke füzyonda kendi rekorunu kırıyor: Amerikalılar ICF ile kendi bildiğini okuyor diyebilirsiniz ama aldanmayın. ABD hükümeti kurnaz bir şekilde kimsenin geliştirmediği ICF’e odaklandı ve uluslararası nüfuzunu kullanarak MCF programlarına da dahil oldu. Amerika’nın tüm gelişmelerden haberi var ve teknolojide geri kalması söz konusu değil. Kendi küçük MCF deneylerini de yürütüyor.

İkinci olarak her ülke kendi rekorunu kırıyor diyebiliriz. Sıcaklık ve verimlilik rekoru İngilizlerde ama Fransızların Tore Supra tokamakı plazma sıcaklığını koruma rekoru kırdı. Füzyon sıcaklığına erişemese de plazma varlığını 6 dakika 30 saniye boyunca korudu. Japonların JT-60’ı plazma yoğunluğu, sıcaklığı ve manyetik alanı hep bir arada koruma süresinde rekor kırdı. ABD kontrolsüz füzyonda yüzlerce milyon derece sıcaklığa erişti ama onlar bomba patlatmakta hep iyiydiler.

İlgili yazı: Mars için Yeni Nükleer Reaktör Kilopower

 

Peki Çin ne yapıyor?

Öncelikle Çin Avrupa Birliği ve özellikle de Fransa ile yakından çalışıyor. Fransa’da kurulacak ve AB kullanımına açılacak olan dünyanın en büyük füzyon reaktörü ITER’e deneysel olarak destek oluyor. Çin bunun için ülkede iki reaktör inşa etti. Hefei’de kurulan Deneysel Gelişmiş Süperiletkenli Tokamak (EAST) tam 10 saniye boyunca 100 milyon derece sıcaklıkta çalışarak kontrollü sıcaklıkta rekor kırdı.

Çin yeni kuşak HL-2M reaktörünün inşaatını da 2019 Kasım ayında tamamladı, test çalışmalarına başladı ve bununla 200 milyon dereceyi hedefliyor. Reaktörün farkını gelince: Normalde füzyon plazması burgulu simit şekilli yanma odasının içinde saat yönünde dalgalanarak dönen bükümlü bir kurdele şeridine benzer. Bu da birkaç cm veya mm kalınlığındaki çok ince bir plazma şerididir.

Plazmanın manyetik alandan taşıp reaktör duvarlarına zarar vermesi ve füzyonun durması bundan kaynaklanır. Çin ise kimsenin yapamadığını yaparak ilk kez manyetik alan şiddeti ve kalınlığı ayarlanabilen bir reaktör üretti. Böylece reaktörü bozmadan nükleer füzyon sürdürmek için gereken ideal sıcaklık, yoğunluk, basınç, manyetik alan kalınlığı-açısı gibi değerleri test edeceğiz. Böylece daha düşük sıcaklıklarda daha uzun ömürlü reaktörler geliştireceğiz. Belki de ilk ürünü Çin ticarileştirecek.

İlgili yazı: Lazer Füzyon Roketi Daedalus ile Yıldızlara Yolculuk

 

Nükleer füzyon ve ITER

Son olarak dünyadaki bütün deneysel füzyon reaktörlerin anası olacak ITER’e gelelim: ITER bütçesini AB karşılıyor ve diğer ülkelerin reaktör verilerinden de yararlanacak olan ITER birçok devlet tarafından destekleniyor (başta Çin, Hindistan, Japonya, Güney Kore ve ABD olmak üzere 35 diğer ülke). Gerçi Brexit yapan İngiltere AB ile bilimsel araştırma işbirliği statüsünü korumazsa füzyonda geri kalacak. 😉

25 bin tonluk dev ITER reaktörünün inşaatı 2025’te tamamlanacak. ITER 50 megavat ısıtma enerjisiyle 500 megavat güç üretmek üzere tasarlandı. Kısacası tükettiğinden 10 kat fazla enerji üretecek. Bunu başarırsa füzyona çamur atan nükleer fizyon santrali şirketlere güzel bir cevap verecek.

ITER çok büyük bir reaktör olduğu için büyük miktarda plazma içerecek ve bu da plazmanın füzyon sıcaklığını kendi başına korumasını sağlayacak. Buna karşın ITER’in işi de kolay değil: Dev reaktör dev elektromıknatıslar demek ve bunlar da enerji tüketimini artıracak. Çin’in HL-2M reaktöründeki ayarlanabilen manyetik alan teknolojisi ve buna özel süperiletken Ar-Ge’si ITER’de çok faydalı olacak.

Diğer sorun ise nükleer füzyondan elektrik üretmek. Bu Duracell pil değil ki takıp çalıştıralım! Enerji üretmek için önce nükleer reaksiyonlar reaktör duvarlarını ısıtacak. Duvarlar da reaktörü saran suyu ısıtıp yüksek basınçlı buhara dönüştürecek ve bu da türbinleri döndürüp elektrik üretecek. Kısacası elektrik üretim teknolojisi nükleer fizyon santralleriyle aynıdır. Ancak bir sorun var:

İlgili yazı: NASA Mars’a nükleer roket teknolojisiyle gidecek

 

Reaktörler yıpranıyor

Reaktör duvarlarını ısıtmak için plazmanın bir şekilde duvarla temas etmesi gerekiyor. Bunu duvarları yıpratıp eritmeden yapmak ticari nükleer füzyon için şarttır. Bunun için yüksek ısıya dayanıklı yeni alaşımlar üretebiliriz. Hatta bunu Endüstri 6.0’ı tesis etmek için bir teşvik olarak kullanabiliriz:

Sonuçta nükleer füzyon reaktörleri ile gelecekte yepyeni alaşımlar üreteceğiz ve bunları tek tek atomları dizerek yapacağız. Nükleer füzyon fırınlarında üretebileceğimiz metamateryaller ve süper alaşımlar insanlığın çevreci teknolojiler geliştirerek uzaya açılmasını sağlayacaktır. Bu nedenle ITER’i geleceğe yatırım olarak görüyor ve Avrupa Nükleer Araştırma Merkezi (CERN) gibi çok önemsiyorum.

Soğuk Savaşta ve F-35 projesinde ABD’nin Batı ülkelerini koyun gibi güttüğü askeri işbirliklerini çok gördük. Artık dünya ülkelerinin barışçıl projelerde işbirliğine gitmesi çok güzel. Yine de temkinli olalım. ITER ticari nükleer füzyon üretmeyecek ve sadece daha gelişmiş bir test reaktörü olacak. Ticari nükleer füzyon için gereken endüstri standartları ve en iyi uygulamaları ise DEMO reaktörüyle geliştireceğiz.

Adı üzerinde, DEMO gerçek bir teknoloji demonstrasyonu olacak. Oysa nükleer füzyonun atomu parçalayan klasik nükleer enerji sektörünün tabutuna çakacağı son bir çivi var. Onun adı da Helyum 3 + Helyum 3 füzyonu: D+T füzyonu nükleer fizyondan daha temizdir dedik ya, Helyum 3 füzyonu gerçekten çok temizdir; çünkü hemen hiç serbest nötron üretmez. Sert nötron radyasyonu yaratmaz.

İlgili yazı: Lazer Füzyon Roketi Daedalus ile Yıldızlara Yolculuk

 

Nükleer füzyon için sonsöz

Helyum 3 füzyonu tek gerçek temiz nükleer enerjidir ve gelecekte şehir içinde neredeyse doğal gaz santrali kadar güvenli olacaktır. Reaktörleri yıpratan nötron radyasyonu yaymadığı için füzyondan güvenli elektrik üretmeyi sağlayacak ve nükleer atık sorununu kesin olarak çözecektir. Siz de insanlığı yıldızlara taşıyacak olan Helyum 3 füzyon roketlerini şimdi görebilir ve Çin’in Ay’dan Helyum 3 çıkarmak için ABD ile girdiği amansız mücadeleyi okuyarak ticaret savaşına yeni bir açıdan bakabilirsiniz.

Güneş enerjisinin nasıl rekabet edeceğini görmek için Çin’in uzayda nasıl güneş enerjisi istasyonu kuracağına göz atabilir, pencereye cam gibi takılan ve yağmurdan elektrik üreten güneş panellerini inceleyebilirsiniz. Güneş enerjili otoyollar ve elektrikli araç şarj eden akıllı yollarla temiz enerji sektörünün nükleer füzyonla nasıl işbirliği yapacağını görebilirsiniz. Evde kalın ve bilimle kalın. 😊

Nükleer füzyon reaktörleri

¹The impact of anisotropy on ITER scenarios
²Uranium: Global demand growing, shortage possible
³China’s fusion roadmap
⁴Fusion Reactors Share Seven Drawbacks of Fission Reactors
⁵Approximation of the economy of fusion energy
⁶ITER: The International Thermonuclear Experimental Reactor and the nuclear weapons proliferation implications of thermonuclear-fusion energy systems
⁷After Fukushima: A Survey of Corruption in the Global Nuclear Power Industry
⁸Fukushima Nuclear Disaster Trial Ends With Acquittals of 3 Executives