Nükleer füzyon, tüm Evrendeki en umut verici enerji kaynağıdır. Nükleer füzyon, güneşe ve yıldızlara güç veren süreçtir. Eğer Dünya’da nükleer füzyondan elde edilen ısıyı kullanabilirsek karbon emisyonları, nükleer atıklar gibi konularda endişelenmeden enerji krizine son vereceğiz.
Bu nedenle günümüzde Dünya çapında bir çok ülke füzyondan güç üretmek için yarışıyor. Bunun neticesinde de füzyon ile ilgili haberler sık sık manşetlerde yer alıyor.
Ancak elbette Güneş’in iç koşullarının Dünya’da sürdürülmesi kolay değildir. Bunu başarmak ve hidrojen atomlarının kaynaşmasını sağlamak için onları aşırı basınca ve 100 milyon santigrat derece üzerindeki sıcaklıklara maruz bırakmamız gerekiyor.
5 Aralık’ta 2022’de ABD Ulusal İgnisyon Tesisi (NIF), bir nükleer füzyon reaktöründe reaktöre verilen enerjiden daha yüksek bir enerji üretmeyi başararak bir ilke imza attı. Ağustos 2023’te, Kaliforniya’daki ABD Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı’ndaki bilim insanları, Aralık 2022’de yaptıkları atılımı tekrarlayarak füzyonda “net enerji kazancı” elde ettiler.
Mayıs 2023’te Microsoft, 2028’de füzyon teknolojisi kullanılarak üretilen elektriği satın almak için ABD’li özel nükleer füzyon şirketi Helion ile bir anlaşma yaptığını duyurdu. Nature dergisinde Şubat 2024’te yayınlanan araştırmaya göre yapay zeka, ABD’deki en büyük füzyon tesisinin karşılaştığı bir sorunun çözülmesine yardımcı olacak gibi görünüyor. Peki ama tam olarak neler oluyor?
Nükleer füzyon tam olarak nedir?
Nükleer füzyon; hafif iki atom çekirdeğinin bir araya gelerek daha ağır bir çekirdek meydana getirdiği nükleer bir tepkimedir. Bu tepkimeyi gerçekleştirmeye en elverişli elementler hidrojen ve onun izotopları olan döteryum ile trityumdur.
Nükleer füzyon tepkimelerine en güzel örnek Güneş ve diğer yıldızlardır. Güneş’in çekirdeğinde, sahip olduğu inanılmaz yüksek basınç ve sıcaklık sayesinde 2 hidrojen atomu kaynaşarak tepkime sonucunda bir helyum atomu ve bir nötron açığa çıkarır. Güneş enerjisi gezegenimize yıldızımızın yüzeyi olan fotosfer tabakasından ulaşır. Aşırı ısınmış bir topa benzeyen Güneş’in bu tabakası, nükleer füzyonun gerçekleştiği çekirdek tarafından ısıtılır. Bu tepkime sonucu oluşan enerji Dünya’ya elektromanyetik radyasyon halinde ulaşır.
Füzyon enerjisinin temelinde hepimizin aşina olduğu E= mc2 denklemi yatmaktadır. Bu denklem bize madde ile enerjinin eşdeğer olduğunu söylerken aynı zamanda da çok küçük bir kütlenin çok fazla enerji açığa çıkarabileceğini söylemektedir. (c ışık hızı olup sabit bir değerdir.) Atomların çekirdeği kaynaştığı zaman tepkimeye giren parçacıklar yeni oluşan parçacıktan biraz daha fazla kütleye sahiptir. İşte bu kütle farkı da E= mc2 denkleminin bize söylediği gibi enerji olarak serbest bırakılmaktadır.
Füzyon Reaktörleri Nedir?
Füzyon enerjisi hem çok verimli hem de temiz bir enerji kaynağı olma potansiyeli taşımaktadır. Ancak şu anda mevcut nükleer enerji santrallerimiz, esasen bir atomun çekirdeğini bölen nükleer fisyon kullanıyor. Aşağıda, hızlı hareket eden daha hafif elementler üretmek için bir Uranyum-235 çekirdeğinin nükleer fisyon reaksiyonu verilmiştir.
Açıkça görebileceğiniz gibi, nükleer fisyon, nükleer füzyonun tam tersidir. Her iki süreçteki benzerlik, her ikisinin de büyük miktarda enerji salmasıdır. Nükleer fisyon, atom bombaları gibi nükleer silahların çalışmasının arkasındaki temel ilkedir. Ancak füzyon sırasında salınan enerji, fisyondan 3-4 kat daha fazladır.
Dünya üzerinde füzyon tepkimelerini gerçekleştirmek oldukça zordur. Bunun için bazı koşulların oluşturulması gerekmektedir. Öncelikle elektronları çekirdekten koparmak için çok yüksek sıcaklıklara ulaşılması gerekiyor. (Bir kıyaslama olması açısından Güneş’in çekirdeğinin 15 milyon santigrat derece olduğunu düşünebilirsiniz.)
Ardından oluşan sıcak plazmayı minimum süre boyunca yüksek bir sıcaklıkta tutmak için de hapsedilmesi gereklidir. Son olarak ise plazma yoğunluğu, çekirdeklerin birbirine yakın olabilmesi ve füzyon tepkimesinin gerçekleşebilmesi için yeterli olmalıdır.
Füzyon Reaktörleri Nasıl Çalışır?
Atomun çekirdeğindeki itmenin üstesinden gelmek için yıldızlardaki gibi bir yerçekimine ihtiyaç vardır. Bu yerçekimini yeryüzünde oluşturmak mümkün olmadığından mühendislerin nükleer füzyon reaktörlerini Güneş’in çekirdeğinden daha yüksek sıcaklıklara çıkacak şekilde tasarlamaları gerekmektedir.
Nükleer füzyon reaktörleri yani tokamaklar, yıldızlarda gerçekleşen füzyon tepkimelerini yeryüzünde gerçekleştirmeye yarayan yapılardır. Şu anda Dünya’da 200’den fazla tokamak bulunmaktadır. Tokamakların görevi füzyon enerjisiyle ısıtılan plazmanın termal enerjisiyle suyu ısıtıp buhar oluşturmak ve bununla da bir tribüni döndürerek enerji üretmektir.
Bu görevi yerine getirmek için tokamakların 150 milyon santigrat dereceye ulaşması gerekir. Ayrıca bu durumu da belli bir süre boyunca koruyabilmesi gerekmektedir. 2021 yılında Çin’in yapay Güneş’i olarak adlandırılan EAST tokamağı, 101 saniye boyunca 120 milyon santigrat derecede çalışabilmişti.
Ancak bu ekstrem sıcaklıklar tokamakların yerine getirmesi gereken tek koşul değildir. Aşırı ısınmış plazmanın muhafaza edilebilmesi için tokamakların inanılmaz güçlü manyetik alanlar kullanması gereklidir. Şu anki teknolojimizle bunu yapmaya çalıştığımızda sistemin çalışması için harcadığımız enerji, sistemin ürettiği enerjiden çok çok fazladır.
Bu alanda yapılan en yeni atılımsa yazımızın başında bahsettiğimiz ABD Ulusal İgnisyon Ajansı’nın 5 Aralık’ta kırmış olduğu rekordur. Bu haber elbette oldukça sevindirici ve umut vericidir. Ancak temiz ve sonsuz enerjiye ulaştık diyebilmemiz için henüz çok erken. Her ne kadar tesis, sisteme en başta 2.05 megajoule enerji verip 3.15 megajoule enerji üretmiş olsa da, sisteme en başta verilen 2.05 megajoule’lük enerjinin üretilebilmesi için 192 lazerin 322 megajoule’lük bir enerji harcaması gerekmiştir.
Sonuç Olarak;
Yani ortada halen çok büyük bir enerji açığı sorunu bulunmaktadır. Fakat bu enerji sorunun çözülemez olduğunu göstermez. Bilim insanları ve mühendisler füzyon reaktörleri konusunda çalışmalarına devam ediyorlar. Şimdi olmasa bile gelecekte füzyon reaktörleri sayesinde gezegenimize zararı olmayan ve de enerji krizine kökten çözüm olacak bir enerji kaynağına kavuşabiliriz.
Kaynaklar ve ileri okumalar
- Nuclear Fusion Lab Achieves ‘Ignition’: What Does It Mean? ; Yayınlanma tarihi: 13 Aralık 2022; Bağlantı: Nuclear Fusion Lab Achieves ‘Ignition’: What Does It Mean? – Scientific American
- What Is Nuclear Fusion? ; Yayınlanma tarihi: 18 Aralık 2009; Bağlantı: What Is Nuclear Fusion? Definition and Example (nuclear-energy.net)
- Seo, J., Kim, S., Jalalvand, A. et al. Avoiding fusion plasma tearing instability with deep reinforcement learning. Nature 626, 746–751 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07024-9
- Nuclear fusion in the headlines: The science behind the energy technology explained. Yayınlanma tarihi: 22 Şubat 2024. Kaynak site: Weforum. Bağlantı: Nuclear fusion in the headlines: The science behind the energy technology explained
Size Bir Mesajımız Var!
Matematiksel, 2015 yılından beri yayında olan ve Türkiye’de matematiğe karşı duyulan önyargıyı azaltmak ve ilgiyi arttırmak amacıyla kurulmuş bir platformdur. Sitemizde, öncelikli olarak matematik ile ilgili yazılar yer almaktadır. Ancak bilimin bütünsel yapısı itibari ile diğer bilim dalları ile ilgili konular da ilerleyen yıllarda sitemize dahil edilmiştir. Bu sitenin tek kazancı sizlere göstermek zorunda kaldığımız reklamlardır. Yüksek okunurluk düzeyine sahip bir web sitesi barındırmak ne yazık ki günümüzde oldukça masraflıdır. Bu konuda bizi anlayacağınızı umuyoruz. Ayrıca yazımızı paylaşarak veya Patreon üzerinden ufak bir bağış yaparak da büyümemize destek olabilirsiniz. Matematik ile kalalım, bilim ile kalalım.
Matematiksel
