Çin Füzyon Reaktörü EAST 100 Milyon Derece

Çinlilerin temiz nükleer füzyon reaktörü EAST 100 milyon derece sıcaklığa erişti. Deneysel EAST reaktörü, 10 saniye boyunca 100 milyon derecelik çekirdek plazma sıcaklığını koruyarak ticari nükleer füzyonda önemli bir adım attı. En son Almanya, 2016’da 1 saniye için 80 milyon dereceye ulaşmıştı. Peki nükleer füzyon nedir, neden gerekli ve temiz enerji? Birlikte görelim.

Çin Güneşi yükseliyor

Gerçek güneş enerjisi gün ışığını elektriğe çeviren güneş panelleriyle üretilmiyor. Gerçek güneş enerjisi, Güneş’in ısı ve ışık saçmasını sağlayan nükleer füzyon reaksiyonlarıyla üretiliyor: Günümüzde ABD, Rusya, Çin, Japonya ve Fransa gibi ülkelerde kullanılan nükleer santraller atomu parçalayarak çalışıyor. Bu nedenle de çevreyi kirleten zehirli radyoaktif atıklar üretiyor.

Güneş’in nasıl ısı ve ışık ürettiğini ilgili yazıda okuyabilirsiniz. Ancak, yeryüzündeki deneysel nükleer füzyon reaktörleri de aslında Dünya’da yakılan yapay güneşler sayılır. Bu açıdan Çin’in de EAST reaktörünü çalıştırırken 10 saniyeliğine yeryüzünde güneş yaktığını söyleyebiliriz.

Peki neden?

Nükleer füzyon reaktörleri, bugünkü Akkuyu benzeri nükleer güç santrallerinden daha fazla enerjiyi daha ucuza ve daha t üretebilecek de ondan. Nükleer füzyon, güneş enerjisi gibi ışığa bağlı da değil ve yeraltıyla uzayda rahatlıkla kullanılabilir. Aynı zamanda evrende bilinen en temiz nükleer enerji üretim yöntemi.

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

 

Neden temiz?

Dünya nüfusunun artan enerji ihtiyacını karşılamak için temiz enerjiye ihtiyacımız var ve ancak nükleer füzyon tüm insanlığın enerji ihtiyacını karşılayabilir. Elbette en temiz yenilenebilir enerji kaynağı güneş enerjisi. Ancak, nükleer füzyon ile bugünle yarının enerji ihtiyacını çok daha kolay ve ucuza karşılayabiliriz.

Bunun bir sebebi de temiz nükleer enerji olması; çünkü atomu parçalayarak değil, atomu birleştirerek enerji üretiyor. Hidrojen atomlarını yüksek ısı ve basınç altında birbiriyle çarpıştırıyor. Hidrojen çekirdeğini oluşturan protonların bu sayede birbirine yeterince yaklaşmasını ve kısa menzilli güçlü nükleer kuvvet etkisiyle tutkal sürülmüş gibi yapışmasını sağlıyor.

Küçük atomlar (hidrojen) birleşerek büyük atomlar (helyum) üretiyor ve bu sırada ortama büyük miktarda enerji salıyor (öncelikle ısı ve ışık olarak). Nükleer füzyon, radyasyondan çok ısı ve ışık yaydığı için klasik nükleer fizyon santrallerinden kat kat temiz oluyor.

Helyum 3

Ay üssü Alfa ne zaman ve Nükleer füzyon roketleri yazısında belirttiğim gibi, aslında elimizde hiç radyasyon yaymayan bir nükleer füzyon reaksiyonu var: O da helyum 3 atomlarını birleştirerek (teknik adıyla kaynaştırarak) helyum 4 ve hidrojen çekirdekleri üretmek. Bunlar anötronik reaksiyonlar; yani normal atomları da radyoaktif kılan sert nötron radyasyonu üretmiyorlar.

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

İşte bu yüzden temiz

Peki nükleer füzyon nasıl oluyor da klasik nükleer enerjiden daha fazla enerji üretiyor ve neden daha ucuza üretiyor?

Bunun için nükleer reaksiyonlara kısaca bakalım ve önce atomu parçalayarak işe başlayalım: Klasik nükleer fizyonda, uranyum 235 atom çekirdeğini nötron bombardımanına maruz bırakarak 202,5 MeV (megaelektronvolt) enerji üretebilirsiniz ki bu da 3,24 × 10⁻¹¹ J, yani 324 milyar joule’a eşittir.

Atomun parçalanmasına kütlenin enerji olarak açığa çıkarılması olarak bakarsak bu da 19,54 terajoule/mol veya 83,14 terajoule/kg ediyor. Kısacası nükleer enerji ile, kömür yakmaktan 2,5 milyon kat fazla enerji üretiyoruz.

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

 

Peki ya nükleer füzyon?

İki helyum 3 veya bir helyum 3 çekirdeği ile bir döteryum çekirdeğini (tek nötronlu ağır hidrojen) birleştirip daha büyük olan helyum 4 atomlarını sentezlerken ise sırasıyla 12,86-18,30 MeV ve 18,4 MeV enerji üretiyoruz.

Öyleyse nasıl oluyor da atomları kaynaştırmak atomu parçalamaktan daha fazla enerji üretiyor? Nükleer fizyon 202,5 MeV ve nükleer füzyon da en fazla 18,4 MeV enerji üretiyorsa Çinliler neden deneysel EAST nükleer füzyon reaktörünü inşa ederek yeryüzünde yapay güneş yaktılar? Bu sorunun cevabı için önce nükleer reaksiyon denklemlerine bakalım:

Uranyum 235’i Parçalarsak

¹₀n + ²³⁵₉₂U → ¹⁴¹₅₆Ba + ⁹²₃₆Kr + 3 ¹₀n 202,5 MeV enerji üretiyoruz

HELYUM 3 KAYNAŞTIRARAK

³₂He + ³₂He —> ⁴₂He+ 2¹₁p + 12,86 MeV veya

²₂He + ³₂He —> ⁴₂He+ ¹₁p + 18,3 MeV enerji üretiyoruz

HELYUM 3 VE DÖTERYUM KAYNAŞTIRARAK

D(²₁H) + ³₂He —> ⁴₂He+ ¹₁p + 18,4 MeV enerji üretiyoruz

İlgili yazı: İnternetinizi Uçuracak En İyi 10 Modem

 

Nükleon başına daha fazla enerji

Nükleon atom çekirdeklerinin bileşeni demek: Bu bağlamda proton ve nötronlar birer nükleondur. Evet, atomu parçalayarak daha fazla enerji üretebilirsiniz. Ancak, nükleer füzyonla nükleon başına daha fazla enerji üretirsiniz; yani az yakıtla daha çok enerji üretirsiniz. Bu nedenle nükleer füzyon daha verimlidir.

Nasıl derseniz: Atomu parçalamak sadece büyük, ağır ve dolayısıyla daha radyoaktif atomları parçaladığınız zaman büyük miktarda enerji üretiyor. İşte bu sebeple nükleer santraller DNA’ya hasar veren zehirli radyoaktif atıklar oluşturuyor. Kısacası nükleer fizyonda yakıtı o kadar verimsiz yakıyorsunuz ki yakamadığınız kısmı radyoaktif atık olarak sizi zehirliyor.

Öte yandan, nükleer füzyon, sadece küçük atom çekirdeklerini kaynaştırıp büyük çekirdekler sentezlediğiniz zaman kullandığı enerjiden daha fazlasını üretiyor ve işte bu yüzden nükleon başına fizyondan daha çok enerji üretiyor. Unutmayın ki atomları birleştirmek için yüksek ısı ve basınç üretmelisiniz ve füzyon santrali tükettiğinden daha fazla enerji üretmezse verimli olamaz.

Bu açıdan bakarsanız toplam 235 proton ve nötrondan oluşan uranyum 235’i parçalamak yerine, sadece 3’er nükleondan oluşan iki Helyum 3 çekirdeğini kaynaştırmak daha verimli. Nükleer füzyon ile nüfusun artan enerji ihtiyacını daha kolay ve ucuza karşılayabiliriz. Bunu da sayılarla gösterilim:

Ekonomik örnek

Örneğin, daha radyoaktif bir füzyon türü olan Helyum 4 çekirdeklerini birleştirerek 27 MeV enerji üretiyoruz ve bu da nükleon başına yaklaşık 7 MeV demek. Uranyum 235’i parçaladığımız zaman ise nükleon başına sadece 1 MeV enerji üretiyoruz. Hesap yanılmaz: Atomu kaynaştırmak, atomu parçalamaktan 5-7 kat daha fazla enerji üretiyor.

İlgili yazı: Kök Hücrelerle Körlük Tedavisi Ne Zaman Geliyor

 

Neden daha ucuz?

Bir kere nükleer füzyon en az 5 kat enerji üretiyor. İkincisi daha radyoaktif bir nükleer füzyon yöntemi olan döteryum füzyonu için gereken hidrojen çekirdeklerini su moleküllerini parçalayarak üretebiliriz (H₂O). Hatta bunu temiz ve yenilenebilir güneş enerjisiyle yaparak maliyetleri daha da azaltabiliriz!

Uranyum ise yerkabuğunda sınırlı miktarda bulunuyor. Ayrıca nükleer silah üretiminde kullanılıyor. Üstelik en radyoaktif füzyon reaktörleri bile klasik nükleer santrallerden çok daha az radyoaktif atık üretiyor ve bunlar çok daha az radyasyon yayıyor.

Bu sebeple nükleer füzyon hem lojistik olarak hem de bakım ve çevre kirliliği maliyetleri açısından atomu parçalamaktan 100 kat ucuza geliyor.

İlgili yazı: Mobil İnternette Video İzleme Rehberi

 

Hani helyum 3 temizdi?

Neden daha temiz olan Helyum 3 füzyonunu kullanmıyoruz diye sorabilirsiniz. Bunun sebebi, Dünya’da helyum 3 bulunmaması. Aslında uydumuz Ay bize yakın ve Ay toprağını kazarak Dünya’ya helyum 3 getirebiliriz. Ancak bu çok pahalı olur ve astarı yüzünden pahalıya gelir.

Uranüs atmosferinden helyum 3 çıkarabiliriz; ama Uranüs gezegeni bize çok uzak ve bunun için önce uzay yolculuklarının gelişmesi lazım. Kısacası en az 50 yıl boyunca nispeten daha radyoaktif olan döteryum-hidrojen füzyonuna muhtacız.

Peki nerede bu füzyon reaktörleri?

Neden çoktan inşa edip işletmeye başlamadık? Neden hâlâ Çernobil ve Fukuşima kazalarına yol açan klasik nükleer santralleri kullanıyoruz? Bunun sebebi de Dünya’da nükleer füzyon başlatmanın çok zor olması.

İlgili yazı: Brexit: İngiltere AB’den Neden Ayrıldı?

 

Yapay güneş

Güneş’in ısı ve ışık üretmesini sağlayan nükleer füzyon reaksiyonları yıldızımızın çekirdeğinde meydana geliyor. Güneş’in çekirdek sıcaklığı ise 100 milyon derecelik nükleer füzyon reaksiyonlarından çok daha düşük: Sadece 15 milyon derece!

Buna rağmen Güneş 4,55 milyar yıldır; yani doğduğundan beri nükleer füzyon reaksiyonlarını sürdürüyor; çünkü Dünya’dan çok daha cüssesi (ağır) bir gökcismi. Çekirdeğindeki basınç o kadar yüksek ki 100 milyon yerine 15 milyon derecede füzyon başlatabiliyor. Yeryüzünde ise bu kadar yüksek basınca ulaşmak için sıcaklığı artırmak zorunda kalıyoruz.

İlgili yazı: Konutlar İçin Ucuz Güneş Enerjisi Rehberi

 

Yine de basınca muhtacız

AB’nin ITER, Almanya’nın Wendelstein 7-X ve Çin’in EAST sistemi gibi deneysel nükleer füzyon reaktörleri inşa ediyoruz. Bunları can simidi (tokamak) veya burgulu tokamak (stellarator, burma) şeklinde inşa ediyoruz.

Tokamakların içinde nükleer füzyon yakıtı olan hidrojen gazını, CERN parçacık hızlandırıcısının protonlara yaptığı gibi hızlandırmamız gerekiyor. Her ne kadar CERN gibi ışık hızının yüzde 99’una ulaşmasa da tokamakın simit şekilli yanma odasında hidrojen gazı yüksek hızlara çıkmak zorunda.

Bunu 100 milyon derece sıcaklıkla birleştirdiğimiz zaman nükleer füzyon başlatıyoruz. İşte Çin’in EAST reaktörü bunu 10 saniye boyunca yaptı. Daha önce ise Almanlar sadece 1 saniye için 80 milyon dereceye ulaşmıştı.

Haydi yapalım

Öyleyse nükleer füzyon santralleri için ne bekliyoruz derseniz iki sorun var: 1) Nükleer füzyon sırasında gazı ısıtmakta kullanılandan çok daha fazla enerji üretmeliyiz ki bir işe yarasın. 2) Bunun için de füzyon başladıktan sonra biz reaktörü kapatana kadar sürmeli; ama başaramıyoruz:

İlgili yazı: Gezegenler Güneş Çevresinde Nasıl Dönüyor?

 

Bunu yapamıyoruz

Ve bir türlü deneysel nükleer füzyon reaktörlerini ticarileştiremiyoruz; çünkü 100 milyon derecelik plazmada erimeyen yanma odası olmaz. Bu nedenle büyük miktarda şebeke elektriği tüketerek güçlü manyetik alanlar üretmeli ve hidrojen plazmasını bu alanlara hapsedip reaktöre değerek duvarı delmesini önlemeliyiz.

Bunu yapmak da çok zor: Manyetik alan çizgilerindeki kaotik salınımlar plazmayı uzun süre kontrol etmemize izin vermiyor. Kısacası reaktörlerimiz harcadığından daha fazla enerji üretmeye zaman olmadan aşınarak bozuluyor.

Çin bunu test ediyor

EAST nükleer füzyon reaktörü, aslında AB’nin ITER reaktörü için bir test yatağı olarak da çalışıyor. ITER için plazma nasıl yaratılır ve manyetik alanlarla nasıl yönetilir sorularının yanıtını bulmaya çalışıyor. Bu alanda deneysel mühendislik verileri üretiyor.

İlgili yazı: Füzyon Roketi için Helyum 3 Zaman Kristalleri

 

Çin Güneşi nasıl çalışıyor?

AB’nin ITER projesiyle işbirliği yapan EAST ekibi, Çin Bilimler Akademisi Hefei Fizik Bilimleri Enstitüsü’nde (CASHIPS), yapay nükleer füzyon için gereken minimum sıcaklık olan 100 milyon derecelik elektron sıcaklığına erişti ve bunu 10 saniye boyunca korudu.

Reaktörü çalıştırmak için 10 Megavat güç kullanıldı ve plazma oluşturmak için (elektronların atom çekirdeklerinden koparak maddenin iyonize olması) hidrojen gazı önce 300 kilojul enerji depolayacak kadar ısıtıldı.

Çinliler bunun için gelişmiş elektromıknatıslar ve farklı ısıtma tekniklerini denediler. Gelişmiş plazma kontrolü yaptılar. Teoriler ve bilgisayar simülasyonlarında öngörülen plazma akışını gerçek hayatta test ettiler. Sonuçta çekirdek plazma sıcaklığını 100 milyon dereceye çıkardılar.

İlgili yazı: Ay’da Bol Miktarda Su Buzu Bulundu

 

EAST mühendislik deneyleri

Nükleer fizikçiler, bir kez başladıktan sonra sisteme yakıt ekledikçe durmayan zincirleme füzyon reaksiyonu için denge ve kararsızlık testleri yaptılar. Plazmayı manyetik güç alanına sıkıştırma senaryolarını test ettiler. Plazmanın reaktör duvarlarına nasıl zarar verdiğine baktılar.

Özellikle de hidrojen yakıtına pislik bulaşmasını önleyerek daha stabil reaksiyonlar üretip üretemediklerini analiz ettiler. Dahası ITER benzeri tungsten yönlendiriciler kullanarak ısı akışını yönetmeye çalıştılar ki 100 milyon derecelik sıcaklığı güvenle korusunlar.

Radyo dalgaları

Her şeyden önce hidrojeni yakarak 100 milyon dereceye çıkaramayız. Bunun için tıpkı VASIMIR plazma roketlerinde olduğu gibi, hidrojen gazını radyo dalgalarıyla ısıtıyoruz ki Çinliler de bunu denediler. Gazın tokamak içindeki dönüş torkunu kontrol ettiler ve gazın sağa-sola savrularak reaktör duvarlarına hasar vermesini 10 saniye boyunca önlediler. Böylelikle sürdürülebilir füzyon sağladılar.

İlgili yazı: Evrenin En Büyük Yıldızı UY Scuti mi?

 

İleri teknoloji EAST

Gördüğünüz gibi nükleer füzyon teknolojisini daha yeni geliştiriyoruz (petrolcüler devletlerin uzun yıllar boyunca bu araştırmalara bütçe ayırmasını önleyerek teknolojinin gelişmesini geciktirdiler). Bu bağlamda EAST reaktöründe plazma akışını tokamak kıvrımlarının içinde nokta atışıyla kontrol ettiler; yani her kıvrımda temassız gaz akışı için manyetik alanı ayarlayan özel modüller kullandılar.

Özellikle de ısıyı ayarlamakta aktif geri beslemeli yönlendiriciler kullandılar. Böylece plazma akışını an be an kontrol etmeleri ve anlık düzeltme yaparak füzyon süresini 10 saniyeye çıkarmaları mümkün oldu. Sonuç olarak EAST deneyi hem AB’nin ITER sistemi, hem de Çin’in Füzyon Mühendislik Test Reaktörü (CFETR) için değerli işletim verileri sağladı.

İlgili yazı: Asteroitten Sarkan Uzay Gökdeleni Analemma

 

Oysa marifet CFTER’de

Burada bir yanlış anlamayı giderelim: EAST reaktörü tam kapsamlı bir sistem değil. Çin ve Avrupa’nın uluslararası rekabet gücünü artırmak için geliştirdiği asıl nükleer füzyon reaktörleri için ortak test yatağı.

Mesela tokamak tasarımlı CFETR reaktörü, üçüncü kuşak donanım yükseltme yapıldığı zaman, maksimum 7 metre ve minimum 2 metre genişliğinde bir plazma akışı oluşturacak. 13 MA akım üreten plazma oluşturup bunu 6,5-7 Tesla şiddetinde manyetik alan üreten bir toroid (simit şekilli) manyetik alanda döndürecek.

İlgili yazı: Genenis Şirketinden Tek Kişilik Uzay Gemisi

 

Güneş Çin’den doğar

Çinliler Dünya’da enerji bağımsızlığını, dolayısıyla tam bağımsızlık ve enerji üstünlüğünü elde etmek için dev bir ulusal nükleer füzyon projesi başlattı. Bunun için CFETR reaktöründen çok daha gelişmiş bir sistem olan DEMO tesisini inşa edecekler. EAST verileri bu tasarımı da optimize edecek.

Yeni projede tek nötronlu hidrojen izotopu döteryumdan oluşan nükleer yakıt, iki nötronlu daha ağır ve radyoaktif bir hidrojen izotopu olan trityum gazıyla zenginleştirilecek (Trityum yakıtın yanma sıcaklığı ve enerjisini artıran bir katkı malzemesidir). Ancak füzyonda çok daha fazlası var:

İlgili yazı: Japonya 2050 için Mini Uzay Asansörü Test Ediyor

 

İlk süperiletken tokamak

Bildiğiniz gibi süperiletkenler elektriği hiç direnç göstermeden iletiyor. Süperiletken elektromıknatıslar kullanan nükleer füzyon reaktörleri bu sayede daha güçlü manyetik alanlar üretiyor.

Nitekim 2006 yılında inşa edilen EAST dünyanın ilk tam kapsamlı süperiletken nükleer füzyon reaktörü oldu. Zaten bu nedenle plazma hapseden en güçlü manyetik alanları üreterek 10 saniye boyunca 100 milyon derecelik sıcaklık üretebildi.

İlgili yazı: Lazer Füzyon Roketi Daedalus ile Yıldızlara Yolculuk

 

Tip 1 uygarlık ve uzaya yayılmak

Bugün insanlık hâlâ çevreyi kirleterek küresel ısınmaya yol açan ve iklim değişikliğiyle birlikte deniz seviyesinin yükselmesine neden olan fosil yakıtları kullanarak enerji üretiyor. Petrodoları korumak için yakın doğu ülkelerini karıştırıyor. Kısacası bizler ölü bitkileri yakan zalim ve açgözlü bir tip 0,7 uygarlığız. Gezegenimize tarla kıran çekirge sürüleri gibi zarar veriyoruz.

Nükleer füzyon ise gezegenimizin Güneş’ten aldığı enerjiye eşit miktarda enerjiyi temiz ve ucuza üreterek insanlığa 100 yıl içinde Tip I uygarlık olma şansı verecek. Ancak, nükleer füzyonun temiz enerji olsa da küresel ısınmaya yol açmasını önlemek için iki yeni teknoloji gerekiyor.

Bir: Atık ısıyı uzaya yansıtan antirefle güneş panelleriyle ek güneş enerjisi üretmek ve İki: Bizzat Güneş’i 1 trilyon güneş enerjisi uydusuyla sarıp (Dyson Sürüsü) lazer ışınları ile uzaydan Dünya’ya enerji ışınlayarak kablosuz enerji transferi yapmak.

Peki ne zaman?

Aslında bugünden kızılötesi ışınlarla çalışan ve tavana takılan LIGHTS kablosuz şarj cihazlarıyla akıllı telefonlarla tabletleri şarj etmeye başladık. Bu nedenle kablosuz enerji transferi özellikle güneş enerjisiyle birleşerek geleceğin yükselen teknolojisi olacak. Peki Amerikalıların da kamyonda taşınan mobil füzyon reaktörü geliştirdiğini biliyor musunuz? Geleceğiniz aydınlık olsun.

EAST nükleer füzyon reaktörü

¹Fission energy
²Why does the nuclear fusion reaction yield more energy than the nuclear fission reaction?