Nükleer Füzyon

Nükleer füzyon, iki hafif atom çekirdeğini araya getirerek, daha ağır bir atom çekirdeği oluşturma işlemidir. Bu süreçte çok az miktarda madde alıp onu büyük miktarlarda enerjiye dönüştürür. Güneş de dahil olmak üzere yıldızlara enerjilerini sağlayan ve ışık üretmelerini sağlayan nükleer füzyondur. Dünya’nın aldığı enerjinin büyük çoğunluğu güneşten geliyor ve onsuz gezegenimizdeki yaşamın kendisi imkansız olurdu.

Bu enerji, gezegenimize, yıldızımızın yüzeyi, fotosfer olarak tanımlanabilecek şeyden yönlendirilir. Güneş dediğimiz aşırı ısınmış plazma topunun bu tabakası, nükleer füzyonun çoğunun gerçekleştiği yıldızın çekirdeği tarafından ısıtılır. Bu enerji kaynağı Dünya’da o kadar yaygın ve o kadar hayati ki, fizikçilerin gezegenimizdeki reaktörlerde onu taklit etmek için çaresiz olmaları şaşırtıcı değil. Füzyonla çalışan bir gelecek, insanlığın artan güç ihtiyaçlarının temiz ve yüksek verimli füzyon enerjisiyle karşılanması anlamına gelebilir. Füzyon nasıl enerji üretir? Sorusunun cevabı, Albert Einstein’ın enerjinin kütle çarpı ışık hızının karesine (E=mc²) nasıl eşit olduğunu açıklayan denklemidir. Bu, bize madde ve enerjinin birbirinin yerine geçebileceğini söylerken, c² terimi bize küçük bir kütlenin çok fazla enerji yarattığını söyler.

Madde parçacıkları birleştiğinde, sürece giren parçacıklar, oluşturulan yavru parçacıklardan biraz daha fazla kütleye sahiptir ve kütle farkı enerji olarak serbest bırakılır. Füzyonun önemli kütle-enerji verimiyle bile, her füzyon insidansı sadece küçük bir miktar enerji açığa çıkarır. Neyse ki, yıldızlar füzyonu güçlendirmek için çok fazla hammaddeye sahip olarak bunu dengeliyor ve bu süreçler inanılmaz hızlarda işliyor.

Güneş enerjisinin büyük çoğunluğunu sağlayan ana füzyon süreci, proton-proton I (PPI) zinciridir. PP zincirinin diğer iki dalı (II ve III) vardır, ancak bunlar güneşteki termonükleer füzyonun sadece %15’ini oluşturur. PPI zincir süreci, dört hidrojen atomunun bir araya gelmesini ve bir helyum atomu, iki elektron, iki nötrino ve iki yüksek enerjili gama ışını fotonu oluşturmasını içerir.

Enerjinin bir kısmı yavru parçacığın kinetik enerjisi olarak taşınırken, çoğunluğu iki gama ışını fotonu tarafından taşınır. Bununla birlikte, bu fotonlar yıldızın yoğun iç kısmından kaçmak için mücadele ederler. Çekirdekten yüzeye doğru hareket etmeleri 30.000 yıldan fazla sürer. Bu süre zarfında fotonlar, enerjilerini sonunda fotosfer tarafından yayılan görünür ışık fotonlarına indirgeyen bir dizi çarpışma, absorpsiyon ve yeniden emisyon geçirir.

ÜFE’nin her oluşumu yaklaşık 0.00000000000044 Joule yayar. Bu da güneşte devam eden diğer füzyon sürecini göz ardı edersek, yıldızımızın parlaklığını korumak için bu işlemi saniyede yaklaşık 9×10³⁷ kez tamamlaması gerektiği anlamına gelir. Bu işlemle dört gram hidrojen helyuma dönüştürülürse, enerji olarak sadece 0.0028 gram kaçar. Bu, yaklaşık 100 yıl boyunca 60 watt’lık bir ampule güç sağlamak için yeterli enerji olan yaklaşık 260 milyar Joule’ye eşittir.

Muazzam hidrojen içeriği nedeniyle, güneş bu füzyon hızını yaklaşık dört buçuk milyar yıldır korumuştur ve merkezindeki hidrojen tükenene kadar dört buçuk milyar yıl daha bunu yapmaya devam edecektir.

Nükleer Füzyon Kimyasal Elementleri Nasıl Şekillendirir?

Nükleer füzyon nedir detaylı olarak bilgi sahibi olduk. Bu sürecin elementleri şekillendirmesi konusunda bilgi sahibi olalım. Gökbilimciler, yıldızları hidrojen, helyum ve diğer her şeyi içeren olarak tanımlarlar ve bu diğer elementler de füzyonda rol oynar.

Bununla birlikte, PPI, güneşten daha büyük yıldızlardaki ana füzyon reaksiyonu değildir. Bunun yerine, bu yıldızların enerjisinin çoğu, başlamak için daha büyük kütleli yıldızların daha yüksek sıcaklıklarını gerektiren karbon-azot-oksijen (CNO) döngüsünden gelir.

CN döngüsü, bir karbon-12 atomunun çekirdeğinin füzyon için bir katalizör olarak kullanılmasıyla başlar. Bir reaksiyonu hızlandıran ancak sonunda değişmeyen bir elementtir. Proton yakalama yoluyla karbon-12, bir helyum atomu yayılana ve karbon-12 geri kazanılana kadar çeşitli aşamalardan geçer. NO döngüsü benzerdir, ancak katalizör olarak nitrojen-14 kullanır.

Füzyon tarafından üretilen enerji, yıldızlarda hayati bir amaca hizmet eder. Plazma topunu içe doğru yerçekimi kuvvetine karşı dengeleyen dışa doğru basıncı sağlar. Bu, füzyon durduğunda dışa doğru basıncın da gittiği anlamına gelir. Bu, yıldızın çökmesine ve dış katmanlarının şişmesine ve kaybolmasına neden olur.

Güneş’ten daha büyük kütleli yıldızlar, için için yanan bir beyaz cüce olarak yaşamına son verecek. Bu kütleçekimsel çöküş, çekirdeğindeki ana dizi ömrü tarafından yaratılan helyumun nükleer füzyonunu tetiklemek için yeterli basınç yaratır ve onu karbon, neon ve oksijen oluşturmak için kaynaştırır.

Helyum tükendiğinde, daha ağır elementlerin füzyonunu tetikleyen tekrar çökme meydana gelir. Bu devam ettikçe, yıldız dış katmanlarında kaynaşan daha hafif elementler ve daha sonra çekirdeğe doğru daha ağır elementler yaratılan soğan benzeri bir yapı geliştirir.

Nükleer füzyonların bu ilerlemesi, demirin yıldız çekirdeğine hakim olduğu en büyük yıldızlar için bile sona erer. Bunun nedeni, demirin son derece kararlı bir element olması ve yıldızların füzyonunu tetikleyecek kadar büyük olmamasıdır.

Tüm nükleer füzyon durduğunda, yıldız nihai ve feci bir yer çekimi çöküşüne uğrar. Bu, yıldızın yaşamı boyunca oluşturduğu elementleri evrene fırlatan bir süpernovayı tetikler. Ölü yıldızlardan gelen bu malzeme, yeni nesil yıldızların, gezegenlerin ve kendi insan bedenlerimiz de dahil olmak üzere çevremizdeki her şeyin yapı taşları haline gelir.

Ek olarak, sonunda bir nötron yıldızı veya hatta bir kara delik doğuracak olan sıkıştırılmış demir çekirdekten gelen şok dalgaları, süpernova tarafından dökülen gaza çarpıp, daha fazla nükleer füzyonu tetikleyerek, demir ve radyoaktif maddelerden daha ağır elementler yaratmanın yanı sıra x-ışınlarını ve gama ışınlarını patlatıyor.

Nükleer Füzyon Gücünü Dünya’ya İndirmek

İnsanlık, yıldızların çekirdeklerini Dünya’ya indiremez. Bu yüzden bir sonraki en iyi şey, güneşin kalbinde bulunan yoğun plazma gazını kopyalamaktır.

Dünya’da bunu yapmakla görevlendirilen cihazlara nükleer füzyon reaktörlerine tokamak denir. Tokamaklar, bu çörek şeklindeki makinelerin güneşte meydana gelen süreçleri kopyalaması nedeniyle genellikle yapay güneşler olarak da adlandırılır. Şu anda dünya çapında operasyonlarda 200’den fazla tokamak var. Bu cihazlarda elde edilen bilimsel kilometre taşları, Fransa’nın güneyinde yapım aşamasında olan Dünya’nın en büyük füzyon deneyi olan Uluslararası Termonükleer Deneysel Reaktörün veya ITER’in çalışması için bir yol haritası geliştiriyor. Ticari bir tokamak, füzyonla ısıtılan bir plazmanın termal enerjisini suyu ısıtmak, buhar oluşturmak ve ardından elektrik üreten bir türbini döndürmek için kullanmayı amaçlayacaktır.

Füzyon çok sayıda kimyasal element içerebilse de çoğu tokamak’ın uygulanabilir hale getirmeyi amaçladığı nükleer reaksiyon, ağır hidrojen izotopları döteryum (bir proton ve bir nötron çekirdeği ile) ve trityumun (bir proton ve iki nötron çekirdeği ile) füzyonudur. Bu elementlerin atomlarını birbirine kaynaştırmak bir nötron ve bir helyum çekirdeği oluşturur.

Füzyonu bu kadar umut verici bir enerji kaynağı yapan şeyin bir kısmı, döteryumun sıradan deniz suyundan kolayca çıkarılmasıdır. Uluslararası Atom Ajansı (IAEA), 79 galon (300 litre) petrolün yanması kadar enerji sağlamak için 0,26 galon (bir litre) sudan yeterli döteryumun çıkarılabileceğini tahmin ediyor. Bu, okyanusların milyonlarca yıl boyunca insanlığın füzyon enerjisi ihtiyaçlarını sürdürmek için yeterli döteryum içerdiği anlamına gelir.

Trityum ise doğada da bol miktarda bulunan lityumdan yapılabilir.

Buna ek olarak, füzyon enerjisinin ana yan ürünleri, nötronlar ve helyum, radyoaktif değildir. Bu nedenle nükleer fisyon tesislerinin yan ürünü ile aynı bertaraf problemlerini sunmazlar. Fisyon neredeyse füzyonun ayna görüntüsüdür, büyük atomları daha küçük, genellikle radyoaktif atomlara ayırır.

Füzyon yan ürünlerinin, fosil yakıtların yakılmasıyla yaratılan sera gazlarının aksine, insan kaynaklı iklim değişikliğine katkıda bulunan önemli bir faktör olan çevresel etkisi yoktur.

Neden Nükleer Füzyon Reaktörlerimiz Yok?

Füzyon gücü bu kadar iyiyse, neden hala bir tanesine sahip değiliz? Sorusu akıllara gelebilir. Füzyon süreçlerinin burada, yani Dünya’da kopyalanması kolay değildir. Çünkü hidrojenin pozitif yüklü atom çekirdekleri arasındaki itmenin üstesinden gelmek için yıldızlardaki büyük yerçekimi kuvvetlerine ihtiyaç vardır.

Bu inanılmaz yerçekimi basıncı burada Dünya’da yeniden üretilemez. Bu yüzden tokamak tasarımcıları, çekirdekleri kaynaşacak kadar yakın sürmek için güneşin kalbindekilerden çok daha yüksek olan inanılmaz derecede yüksek sıcaklıklarda plazmalarda füzyon üretmelidir.

Tokamaklardaki plazmalar için hedef sıcaklık yaklaşık yaklaşık 150 milyon santigrat derece civarındadır. Bu, güneşin çekirdeğindeki 15.6 milyon santigrat derecelik sıcaklığın yaklaşık 100 katıdır.

Tokamak için mevcut sıcaklık rekoru, 2021’in sonlarında 101 saniye boyunca yaklaşık 120 milyon santigrat derece sıcaklıkta plazma üretebilen Çin’in EAST adlı tokamak’ına aittir. Bu süre zarfında, plazma kısa bir süre için yaklaşık 160 milyon santigrat derece ile en yüksek sıcaklığa ulaştı.

Bununla birlikte, aşırı sıcaklıklar, güneşin yerçekimi etkisini çoğaltmak için tokamakların üretmesi gereken tek şey değildir. Aşırı ısıtılmış plazma kontrol altına alınmalıdır ve bunu yapmak için tokamaklar inanılmaz derecede güçlü manyetik alanlar kullanır. Şu anda, bu alanları oluşturmak için bilim adamlarının füzyondan elde edebileceğinden daha fazla enerji gerekiyor.

Dünya’da füzyon enerjisi üretimi rekoru, Şubat 2022’de İngiltere’nin Oxfordshire kentindeki Joint European Torus (JET) laboratuvarı tarafından belirlendi. Tokamak, beş saniyeden biraz fazla süren bir deneyde döteryum-trityum yakıt karışımı kullanarak 59 megajul enerji üretebildi.

Gerçek enerji taleplerini karşılamak isteyen herhangi bir tokamak, aşırı ısıtılmış plazmayı bundan çok daha uzun süre sürdürmek zorunda kalacak. Asıl amaç, kendi kendini idame ettiren bir plazma oluşturmaktır.

Her şey planlandığı gibi giderse, ITER, net enerji üreten ilk füzyon reaktörü olacak. Bu da aşırı ısıtılmış plazma üretmek ve onu güçlü bir manyetik alanda tutmak için gerekenden daha fazla enerji üretmek anlamına geliyor.

BİR CEVAP BIRAK

Please enter your comment!
Please enter your name here