Artık insanoğlu atom altı parçacıklar ile enerji üretmeyi iyice öğrenmiş gibi görünüyor. Atom altı parçacıklarının dünyasından öğreneceğimiz maharetleri mutlaka bununla sınırlı değildir. Atomların ayrışması ile birleşmesinden doğan enerji türlerinden söz ediyorum elbet. Ancak kuantum dünyasından gelen haberler bize bu konuda alınacak çok yolun olduğunu gösteriyor. Kim bilir belki de hareket sistemlerine bile uzanacak bir gücü vardır nükleer enerjinin.

Bu makalemizde nükleer füzyonu inceleyeceğiz. Nükleer füzyon, iki hafif atom çekirdeğinin birleşerek tek bir ağır atom oluşturacak şekilde büyük miktarda enerji açığa çıkardığı süreçtir.

Füzyon reaksiyonları, madde plazma halindeyken meydana gelir. Plazma, katı sıvı veya gazlardan farklı özelliklere sahip pozitif iyon ve serbest hareket eden elektronlardan oluşan çok sıcak bir halidir maddenin. Yani o ortamda ne katı ne sıvı ne de gaza rastlarsınız orada bileşikler yoktur son derece seyreltik bir ortamdır ve plazmanın tanımında belirttiğimiz gibi elektronlar (-) ve iyonlar (+) serbest haldedir.

Güneş de diğer bütün yıldızlar gibi bu gücünü bu reaksiyondan alıyor. Güneşimizde çekirdeklerin eriyerek birleşmesi için, yaklaşık 10 Milyon santigrat derece gibi son derece yüksek sıcaklıklarda birbirleriyle çarpışması gerekiyor. Yüksek sıcaklık, onlara karşılıklı elektriksel tepkimelerinin (geri tepme) üstesinden gelmeleri için yeterli enerjiyi sağlar. Çekirdekler birbirine çok yakın mesafeye geldiğinde, aralarındaki çekici nükleer kuvvet, elektriksel geri itmeye ağır basacak ve onların kaynaşmasına olanak tanıyacaktır. Bunun gerçekleşebilmesi için, çarpışma olasılığını artırmak amacıyla çekirdeklerin küçük bir alana hapsedilmesi gerekir. Güneşin muazzam yerçekiminin ürettiği aşırı basınç, füzyon için gerekli tüm koşulları yaratır.

Bilim İnsanları Neden Füzyon Enerjisi Üzerinde Çalışıyor?

Nükleer füzyon teorisinin anlaşıldığı 1930'lardan bu yana, bilim insanları ve giderek artan bir şekilde mühendisler de onu yeniden yaratma ve kullanma arayışı içinde oldular. Bunun nedeni, nükleer füzyonun dünya üzerinde endüstriyel ölçekte çoğaltılabildiği sürece, dünyanın talebini karşılamak için neredeyse sınırsız temiz, güvenli ve uygun fiyatlı enerji sağlayabilmesidir.

Füzyon, yakıtın kilogramı başına fizyondan (nükleer enerji santrallerinde kullanılan) dört kat daha fazla enerji üretebilir ve yakarak tükettiğimiz petrol veya kömürden neredeyse dört milyon kat daha fazla enerji üretebilir.

Geliştirilmekte olan füzyon reaktörü tasarımlarının çoğu, döteryum ve trityumdan oluşan (fazladan nötron içeren hidrojen atomları) bir karışım kullanacak. Teorik olarak, bu reaktantların (kimyasal tepkimeye giren maddeler) yalnızca birkaç gramıyla, bir terajoule enerji üretmek mümkündür; bu, gelişmiş bir ülkede bir kişinin altmış yıl boyunca yaklaşık olarak ihtiyaç duyduğu enerjiye eşdeğerdir.

Füzyon yakıtı bol miktarda bulunur ve kolayca erişilebilirdir: döteryum deniz suyundan ucuz bir şekilde elde edilebilir ve trityum potansiyel olarak füzyonla üretilen nötronların doğal bir şekilde bol miktarda bulunan lityum ile reaksiyonundan üretilebilir. Bu yakıt kaynakları milyonlarca yıl yetecektir. Gelecekteki füzyon reaktörleri de doğası gereği güvenlidir ve yüksek aktiviteli veya uzun ömürlü nükleer atık üretmeleri beklenmez. Ayrıca füzyon prosesinin başlatılması ve sürdürülmesi zor olduğundan kontrolden çıkan reaksiyon ve nükleer reaktör çekirdeğinin erime riski yoktur; Füzyon yalnızca sıkı çalışma koşulları altında gerçekleşebilir; bir kaza veya sistem arızası dışında plazma doğal olarak sonlanır, enerjisini çok hızlı bir şekilde kaybeder ve reaktöre herhangi bir kalıcı hasar vermeden önce söner (yok olur).

Önemli olan, nükleer füzyonun (tıpkı fisyon gibi) atmosfere karbondioksit veya diğer sera gazlarını salmaması, dolayısıyla bu yüzyılın ikinci yarısından itibaren uzun vadeli bir düşük karbonlu elektrik kaynağı olabilmesi.

Güneşten Daha Sıcak

Güneşin devasa kütle çekim kuvveti doğal bir şekilde füzyona neden olsa da, bu kuvvet olmadan reaksiyonun gerçekleşmesi için Güneş'tekinden daha yüksek bir sıcaklığa ihtiyaç duyulur. Dünya'da, döteryum ve trityumun birleşmesi, aynı zamanda basıncı ve manyetik kuvvetlerin düzenlenmesi, plazmanın istikrarlı bir şekilde hapsedilmesi ve füzyon reaksiyonunu normalden daha fazla enerji üretecek kadar uzun süre sürdürebilmek ve reaksiyonu başlatmak için gerekenden daha fazla enerji üretebilmek için 100 milyon santigrat derecenin üzerinde sıcaklıklara ihtiyacımız var.

Bir füzyon reaktöründe gerekli olan koşullara çok yakın koşullar artık deneylerde rutin olarak elde edilse de, reaksiyonu sürdürmek ve sürdürülebilir bir şekilde enerji üretmek için plazmanın gelişmiş hapsetme özelliklerine ve stabilitesine hala ihtiyaç duyulmaktadır. Dünyanın her yerinden bilim insanları ve mühendisler, net füzyon enerjisine ulaşmak için yeni malzemeler geliştirmeye ve test etmeye, yeni teknolojiler tasarlamaya devam ediyor.

Füzyon Teknolojisi Gelişiminde Neredeyiz?

Nükleer füzyon ve plazma fiziği araştırmaları 50'den fazla ülkede yürütülüyor ve son zamanlarda araştırmacılar nihayet ilk kez bir füzyon deneyinde bilimsel enerji kazancı (harcanandan daha fazla enerji kazanımı) elde etmeyi başardılar. Uzmanlar, yıldızlaştırıcılar ve tokamaklar gibi füzyonun gerçekleştiği farklı tasarımlar ve mıknatıs tabanlı makinelerin yanı sıra lazerlere, doğrusal cihazlara ve gelişmiş yakıtlara dayanan yaklaşımlar da ortaya attılar.

Füzyon enerjisinin başarılı (sorunsuz ve verimli) bir şekilde kullanıma sunulmasının ne kadar süreceği, kaynakların küresel ortaklıklar ve işbirliği yoluyla harekete geçirilmesine ve endüstrinin yeni ortaya çıkan füzyon teknolojilerini ne kadar hızlı geliştirebileceğine bağlı olacaktır. Bir diğer önemli konu da tüm bu çalışmalara paralel olarak gereklilikler, standartlar doğru uygulama rehberlerinin geliştirilmesi gibi konuları içeren nükleer altyapının kurulması gerekmektedir.

Dünya çapında 10 yıllık bileşen tasarımı, saha hazırlığı ve üretiminin ardından, dünyanın en büyük uluslararası füzyon tesisi olan ITER'in Fransa'daki montajı 2020 yılında başladı. ITER, füzyonun bilimsel ve teknolojik fizibilitesini göstermeyi amaçlayan uluslararası bir projedir. DEMO adı verilen gelecekteki elektrik üreten gösteri füzyon enerji santralleri için enerji üretimi ve kanıtlanmış teknoloji ve kavramlar. ITER ilk deneylerini bu on yılın ikinci yarısında gerçekleştirmeye başlayacak ve tam güçte deneylerin 2036 yılında başlaması planlanıyor.

Not: IAEA Resmi Sitesinden faydalanılmıştır.