Nükleer Füzyon >> Bilim adamları dünyanın en büyük ışın topu ile yapay Güneş yaratmak üzere
ABD Ulusal Ateşleme Merkezi (NIF) araştırmacıları, 192 lazer ışını ve 1,8 megajül başlangıç enerjisi kullanarak yeryüzündeki ilk “yapay güneşi” yakmak istiyor. Hidrojen atomlarını 40 milyon derece sıcaklık ve kurşun elementinin 100 katına denk yüksek basınçla kaynaştırarak helyum atomlarına dönüştüren nükleer füzyon santralleri, dünya ekonomisi için inanılmaz boyutlarda enerji üretecek.
Peki, temiz ve yenilenebilir bir kaynak olan güneş enerjisinden elektrik üretmek varken neden nükleer enerji kullanalım? Neden bugünkü nükleer santrallerden çok daha güçlü füzyon reaktörleri inşa edelim? Bilim adamlarının ısrarla nükleer enerji peşinden koşmasının bir nedeni var: Güneş’e enerjisini veren şey de nükleer füzyon.
Nükleer füzyon olmasaydı, güneş ışık saçamazdı ve biz de ışığı güneş panelleri kullanarak elektriğe çeviremezdik. Nükleer füzyon santralleri işte bu yüzden güneş panellerinden çok daha fazla elektrik üretebiliyor ama bunun ağır bir bedeli var: Çevreyi kirleten, insan soyunu zehirleyerek kansere ve sakat doğumlara yol açan radyoaktif atıklar.
Dünyanın en büyük ışın topu 192 lazer ışını üretiyor
Rochester Lazer Enerjisi Laboratuarı, General Atomics, Los Alamos Ulusal Laboratuarı, Sandia Ulusal Laboratuarı ve Massachusetts Teknoloji Enstitüsü araştırmacıları Ulusal Ateşleme Laboratuarında (NIF) dünyanın ilk ticari değer taşıyan füzyon reaktörü üstünde çalışıyor.
Bilim adamları füzyon reaksiyonunu başlatmak için 192 lazer ışınını kurşunkalem silgisi boyundaki içi boş bir silindire yönlendirdiler (nükleer füzyonda kullanılan yanma odacığı). Almanca hohlraum olarak adlandırılan bu küçük ve ince silindir, sıvılaştırılmış gaz soğutma sistemiyle -259 dereceye kadar soğutuluyor.
Süper soğuk yanma odacığının içinde rulman bilyesi boyunda küçük bir kapsül yer alıyor. Bu kapsülün içinde füzyon yakıtı olarak iki hidrojen atomu izotopu (1 döteryum ve 1 trityum: D-T) bulunuyor. Hidrojen atomu izotopları aşırı sıkışıp kaynaştıklarında nükleer füzyon meydana geliyor ve büyük enerji açığa çıkıyor. NIF füzyon sürecinde iki hidrojen atomu çekirdeği birbirine yapışarak bir Helyum atomu oluşturuyor.
Işın topu bombardımanı
Biraz da Yıldız Savaşları filmlerindeki turbolazerleri çağrıştıran NIF ışın topunun sağladığı 192 lazer ışını saniyenin 20 milyarda birinde yanıp sönerek, yanma odacığının içindeki füzyon yakıtını yoğun ışın bombardımanına tutuyor. Lazer ışınları nükleer füzyon reaksiyonunu başlatmak için 1,8 megajül enerji ve 500 terawatt güç sağlıyor.
Aslında lazer ışınları füzyon yakıtını doğrudan ısıtmıyor. Bunun yerine hohlraum yanma odacağını ısıtıyor. Termonükleer bir bomba gibi aşırı ısınan hohlraum‘dan yayılan “süper güçlü X ışınları” ise, füzyon yakıtını taşıyan kapsülü ısıtarak füzyon reaksiyonunu başlatıyor.
NIF tesislerindeki lazer ışını topu, hohlraum‘a ateş etmek için Amerika Birleşik Devletleri’nin 1 saniyede kullandığı enerjiden daha fazlasını kullanıyor. Öyle ki bu enerjinin yanma odacığında oluşturduğu X ışınları, kapsüldeki nükleer füzyon yakıtını sıkıştırarak, Güneş’in çekirdeğinde etkili olan basınca eşdeğer bir basınç uyguluyor ve kapsülün sıcaklığını bir anda 40 milyon dereceye yükseltiyor. Bu da kapsülde nükleer füzyon tepkimesini başlatıyor (detaylar için resimlerdeki pop-up yazılara ve videolara bakabilirsiniz).
İki aşamalı bu füzyon yöntemi 1950’lerin sonunda geliştirilen termonükleer bombalardan kalma. Termonükleer bombalara (Türkçesi, ısıl çekirdek bombaları) “Termo” kelimesinin eklenmesinin nedeni de bu. Bombalarda önce plutonyum kullanan bir veya iki nükleer başlık patlatılıyor. Bu patlamalar bombanın içinde X ışınlarına yol açıyor ve bu ışınlar da füzyon bombasını patlatıyor. Tabii NIF tesislerinde plutonyum ve uranyum kullanılmadığı için füzyon reaksiyonu da nükleer bombalardaki kadar şiddetli radyasyona yol açmıyor. NIF sıradan nükleer tesislerden bile çok daha temiz bir deneysel füzyon santrali.
Bir kurşunkalem silgisi boyutundaki füzyon yakıtı 17,6 megaelektronvolt enerji üretiyor!
Nükleer füzyon santrallerinin ticari değer taşıması için kullandıkları enerjiden çok daha fazlasını üretmesi gerekiyor. Füzyon enerjisinde aşılması gereken en büyük sorun bu. 1 saniyelik füzyon için ABD’nin 1 saniyelik elektrik ihtiyacından daha fazlasını kullanarak hiçbir yere varamayız. NIF tesislerindeki araştırmacılar işte bu engeli aşmak zorundalar: Füzyon reaktörü 500 terawatt güç kullandıktan sonra çok daha fazlasını kendi başına üretmeye başlamalı. Peki bunu nasıl yapabiliriz?
NIF Yüksek Enerji Bilimleri Direktör Yardımcısı John Edwards nükleer füzyon teknolojisinin sırrını şöyle açıklıyor: “Yapmak istediğimiz şey X ışınlarının kapsülün dış katmanını çok kontrollü bir şekilde patlatarak buharlaştırması ve D-T kapsülünü doğru bir şekilde sıkıştırarak füzyon tepkimesini başlatması. Yeni bilimsel makalemizde NIF’in yanmayı başlatmak için gereken birçok şartı yerine getirdiğini bildiriyoruz. Bunların arasında hohlraum’daki X ışını yoğunluğu, enerjinin hedefe doğru şekilde aktarılması ve istenen düzeyde sıkıştırma sağlanması yer alıyor. Ancak, aşmamız gereken en az bir büyük engel daha var. O da kapsülün [yanma başlamadan] evvel parçalanması.” 1
Kıvılcım çakıyor ama ateş almıyor
Edwards’ın sözleriyle devam edecek olursak: “Bazı yanma testlerinde serbest kalan ve etrafa saçılan nötronların saçılım değerini ölçtük ve D-T kapsülünün farklı noktalarına farklı şiddette saçıldıklarını bulduk. Bu da [kapsül] kabuğunun her yerde pürüzsüz olmadığını, yani bazı yerlerde daha ince ve zayıf olduğunu gösteriyor. Diğer testlerde ise, yayılan X ışınlarının tayfı D-T yakıtı ile kapsülün çok fazla karıştığını gösterdi ki bu da hidrodinamik istikrarsızlığa yol açarak yanma işlemini erken sonlandırıyor.”
Bu teknik ifadeleri Türkçeye çevirecek olursak yakıt kapsülü kılıfının kusurlar içerdiğini, kapsülün yanma sırasında erken deforme olduğunu ve tıpkı sigarayı kül tablasına bastırır gibi füzyon alevini söndürdüğünü söyleyebiliriz. Bu da bujinin çakmasına rağmen arabanın motorundaki benzinin alev almamasına benziyor. NIF’in daha kaliteli kapsüllere ihtiyacı var. Peki füzyon enerjisine ne gerek var?
Soğuk Savaşın mirası
Nükleer füzyon, daha doğrusu termonükleer füzyon, karanlık nükleer silahlar tarihinde Soğuk Savaştan aşina olduğumuz bir silah. Ancak termonükleer silahlar kontrollü füzyon reaksiyonları üretemiyor. Bunlar nihayet birer bomba, içindeki bütün enerjiyi bir anda patlayarak çevreye saçıyor.
Öte yandan, güneş enerjisinin kaynağı da füzyon reaksiyonu. Güneş’in çekirdeğinde gerçekleşen nükleer tepkimeler yıldızımızın ısı ve ışık saçmasını sağlıyor. Bu yüzden güneş enerjisinden elektrik üretmek yerine, doğrudan nükleer füzyondan elektrik üretmek kulağa mantıklı geliyor.
Ancak iki önemli sorun var: Birincisi günümüzde kullanılan füzyon reaktörleri dikkate değer miktarda radyoaktif atık üretiyor. Bu da çevreyi kirletiyor. İkincisi, “yeryüzünde güneş yakmak” sorun değil ama nükleer alevi kontrol etmek problem. Yukarıda gördüğümüz gibi bunu henüz başaramadık.
Güneş enerjisi en ideali ama şimdilik yetersiz
Kişisel fikrim güneş enerjisinin en temiz enerji olduğu yönünde ve araştırmalar da bunu destekliyor.2 Üstelik otomobil kaputlarından termik santral bacalarına ve evlerden işyerlerine kadar her yeri klima gibi soğutan özel güneş panelleri üretildi. Bu paneller ısıyı “özel bir dalga boyunda” doğrudan uzaya yansıtıyor; yani klima gibi evi soğuturken dışarıyı ısıtarak küresel ısınmayı hızlandırmıyor. Klima özellikli paneller şu anda elimizde küresel ısınmaya yol açmayan yegane teknoloji.
Bununla birlikte güneş enerjisini sanayi tipi uygulamalar, fabrikalar, şehirleri besleyen elektrik santralleri için kullanmak kolay değil. Dünyanın bütün bölgeleri günün büyük kısmında güneş almıyor. Örneğin kutuplar aylarca karanlıkta kalıyor. Yağmur ormanlarıyla kaplı bulutlu arazilere güneş santrali kurmak güçlük çıkarıyor. Aslında fosil yakıt çağını kapatmak için bütün binaların saydam ve esnek güneş panelleriyle kaplanması veya dünyadaki bütün otoyollara güneş paneli döşenmesi gerekiyor.
Deneysel teknolojiler hayata geçmeden güneş enerjisi de yaygınlaşmayacak
Evet, günümüzde güneş enerjisi maliyetleri hem termik santral hem de petrol maliyetleriyle eşitlendi ve artık güneş ışığından ucuz enerji üretmek mümkün. Yeni güneş hücresi prototipleri ışığın yüzde 45’ini elektriğe dönüştürerek rekor verimlilikle çalışıyor. Güneş panelleriyle kaplı otoyollar, hatta ışığı elektriğe çeviren grafen boyalar üretiliyor. Kumaş, duvar kağıdı ya da plastik film kaplama gibi esnek güneş panellerinden söz ediliyor.
Bütün bunlara rağmen, güneş enerjisi ülke ekonomisini döndürmek için gereken yüksek enerjili uygulamalarda yetersiz kalıyor. Bugünkü teknoloji ile bir ülkenin enerji ihtiyacının tamamını güneş enerjisiyle karşılamak mümkün değil. Fosil yakıtlar da çevreyi kirlettiğine göre, geriye bir tek nükleer enerji kalıyor. Nükleer enerji içinde en verimli olanı ise füzyon enerjisi.
Füzyon reaktörleri klasik nükleer santrallerden çok daha az nükleer atık çıkaracak ve 1 kilogram nükleer atık karşılığında çok daha fazla elektrik üretecek. Ayrıca termik santraller gibi baca dumanı üretip havayı zehirlemeyecek.
Ancak, Japonya’daki Fukuşima Nükleer Santralinin karşılaştığı tsunami felaketinde olduğu gibi; doğal afetlere bağlı kazalar füzyon reaktörlerinin havaya, toprağa, suya radyasyon saçmasına neden olabilir. Gelecek kuşaklar için bu riski almaya değer mi?
Füzyonun avantajları
Füzyon reaktörleri ABD, Rusya, İngiltere, Çin gibi gelişmiş nükleer teknolojiye sahip ülkelerde hızla kurulabilir ve bu ülkelere kısa sürede büyük miktarda enerji sağlayabilir. Gelecekte füzyon santrali kullanan ülkelerin ekonomisi diğer ülkelerden daha fazla ucuz enerjiye sahip olacak.
Hem bir yılda ürettikleri enerji miktarı daha fazla olacak hem de anlık olarak daha fazla elektrik üretip kullanacaklar. Üstelik füzyon teknolojisi, nükleer motorlu uzay roketleriyle Güneş Sistemini keşfetmek ve yeni nükleer silahlar geliştirmek gibi alanlarda bu ülkelere avantaj sağlayacak. Tümüyle gereksiz nükleer silah çılgınlığı bir yana, Dünya’daki bütün risklerine rağmen füzyon motorlarını geliştirmek, Güneş Sistemini yakın gelecekte ekonomik olarak işletmek ve elbette nükleer fizik alanında ilerleme kaydetmek için şart.
Füzyonu savunmuyorum
Nükleer enerjiyi savunmuyorum. Tersine, yukarıda linkini verdiğim yazılarda anlatılan deneysel güneş enerjisi teknolojilerini en kısa zamanda kullanmaya başlamamız gerektiğini düşünüyorum. Öte yandan, füzyon enerjisinin diğer ülkelere büyük katkı yaparak haksız rekabeti dayanılmaz ölçüde artıracağını da görebiliyorum.
Aslında hiç radyoaktif atık üretmeyen nükleer füzyon yöntemleri var ama bunlar yakıt olarak Helyum 3 kullanıyor. Helyum 3 Dünya’da çok nadir bulunuyor ve Ay’dan getirmek inanılmaz ölçüde pahalı. Geriye çevreyi kirleten radyoaktif füzyon teknolojisi kalıyor. Bu ikilemi aşabilirsek güvenli ve gerçekten temiz füzyon reaktörleri kullanmaya başlayabiliriz.
Şimdilik tek çıkış noktası, nükleer silahlara dayalı kaba kuvvet üstünlüğünden vazgeçmek istemeyen ülkelerin karşısına, nükleer enerji ve petrol şirketlerinin tüm engellemelerine karşın, süper verimli ve ucuz güneş enerjisi teknolojileri çıkarmak. Sonuçta füzyon enerjisi nükleer enerji teknolojileri içinde en temizi olsa da küresel ısınmayı önlemiyor, çünkü bütün nükleer santrallerde olduğu gibi atmosferi ısıtarak çok etkili bir sera gazı olan sıradan “su buharını” havaya salıyor.
Almanya gibi temiz enerjiye geçen ülkeler ABD’den daha fazla enerji üretmeye başladığı gün, Amerika ve Rusya da rekabet etmek için nükleer enerjiden vazgeçip güneş enerjisine geçecektir. Güneş enerjili otoyolların ABD’nin yıllık elektrik ihtiyacının 3 katını üretme potansiyeline sahip olduğunu düşündüğümüzde, insanoğlunun çevre kirliliği ve küresel ısınmayla kendini yok etmesini önlemenin tek yolunun bu olduğu anlaşılıyor. 🙂
Nükleer füzyon lazer sistemi, NIF
Lazer füzyon teknolojisi
1Progress toward ignition on the National Ignition Facility by M.J. Edwards et al. Physics of Plasmas: dx.doi.org/10.1063/1.4816115
2 http://www.renewableenergyworld.com/rea/blog/post/2012/11/ppriorities-germanys-grid-and-the-market
Uzayda başı boş gezen asteroyidleri dünyaya çarpmamasını engellemek için; güneş kalkanı projesi görevi ve etkisi asteroyid üzerine eklemlenerek yönünü değiştirmek gibi bir şeydi… Peki bu mantıklı bir seçenekse aynı şeyi dünya genelinde uygulandığında, yani güneş panelleri güneş kalkanı durumuna geldiğinde dünya kendi çevrimden döngüsünden etkilenmez mi?
Cengiz Bey,
Evet dünyanın dönüş hızını hesaba katmak gerekir.
Aslında en kullanışlı yöntem, asteroitin çevresine bir uydu park etmek. Asteroit Dünya’ya çarpmadan 10 yıl önce mesela. Kütleçekim etkisi küçüktür bir uyduda ama asteroiti az da olsa yolundan saptırır. 10 yıl içinde asteroit yüz milyonlarca kilometre aşıp Dünya’ya gelene kadar bu sapma büyür. Böylece asteroit, Dünya’yı açık farkla ıskalar. Bu teknolojiye bugün sahibiz. Projenin maliyeti 1 milyar dolardan az olabilir.
Yazıda füzyon ve fisyonu karıştırmışsınız. Füzyonun atığı radyoaktif değildir,zararlı değildir. Helyumdan bahsediyoruz burda.
Füzyon reaksiyonunda nötron radyasyonu üretiliyor. Nötron radyasyonuna yol açmayan füzyon reaksiyonu için Helyum 3 gerekiyor. Dünya’da helyum 3 yok. Bu yüzden nötron radyasyonuna yol açan döteryum – trityum döngüsü kullanılıyor (D – T yakıt döngüsü). http://en.wikipedia.org/wiki/Fusion_power#Fuel_cycle
Reaksiyon formülü (format sınırı nedeniyle tam notasyonu yazamadım): 2/1 D + 3/1 T → 4/2 He + 1/0 n Nötron emisyonu reaktör materyalinin radyoaktif olmasına yol açacaktır. Yazıda kast edilen bu. Nükleer atık oluşuyor. (Reaktör materyallerinde nötron aktivasyonu).
The reactant neutron is supplied by the D-T fusion reaction shown above, and the one that has the greatest yield of energy. The reaction with 6Li is exothermic, providing a small energy gain for the reactor. The reaction with 7Li is endothermic but does not consume the neutron. At least some 7Li reactions are required to replace the neutrons lost to absorption by other elements. Most reactor designs use the naturally occurring mix of lithium isotopes.
Several drawbacks are commonly attributed to D-T fusion power:
It produces substantial amounts of neutrons that result in the neutron activation of the reactor materials.[41]
Only about 20% of the fusion energy yield appears in the form of charged particles with the remainder carried off by neutrons, which limits the extent to which direct energy conversion techniques might be applied.[42]
It requires the handling of the radioisotope tritium. Similar to hydrogen, tritium is difficult to contain and may leak from reactors in some quantity. Some estimates suggest that this would represent a fairly large environmental release of radioactivity.[43]
Helyum 3 + Helyum 3 füzyonu için haklısınız. Temiz füzyondur ama dünyada bunu yapan bir reaktör yok. Ay’dan He3 çıkarsak (Ay toprağından) tonu 3 milyar dolar :).