Bilimkurgu Kulübü Bu Sitede Gelecek Var!
Fizikçilere, “Temiz nükleer enerji olur mu?” diye sorduğunuzda çoğu uzaklara bakar ve iç geçirir. Şu an kullanılan teknoloji hakkında konuşmaktansa “çözüm aslında aynen Güneş’te olduğu gibi, füzyon reaktörü” derler. Hidrojenin veya helyumun yakıt olarak kullanıldığı bir füzyon reaktörünün atıkları ne nükleer atıklar gibi radyoaktiftir ne de fosil yakıtların atıkları gibi çevreyi kirletir. Fizikçilerin iç geçirmesinin sebebi ise füzyon tepkimesinin Dünya şartlarında gerçekleşmesinin çok zor olmasıdır. Güneş’in enerjisinin yaklaşık %99’u hidrojenin füzyon tepkimesiyle helyuma dönüşmesi sonucu ortaya çıkar. Madde, Güneş’in merkezindeki kadar yüksek sıcaklıklarda maddenin dördüncü hali dediğimiz plazma halinde bulunur. Bu sıcaklıkta atom çekirdeğinin etrafındaki tüm elektronlar kopar. Atom çekirdeklerinin ve elektronların birbirine bağlı olmadığı bir karışım oluşur. Plazma, iyonlardan oluşsa da toplamda nötr kabul edilir.
Hidrojen füzyon tepkimesinin gerçekleşmesi için gerekli sıcaklık 100 milyon Kelvin civarındadır. Güneş’in merkezinde bile sıcaklığın en fazla 15 milyon Kelvin olduğu düşünülürse bu sıcaklığa yeryüzünde ulaşmanın ne kadar zor olduğu ortaya çıkar. Güneş’teki tepkimeleri merak ediyorsanız Bayram Tekin’in Bilim ve Teknik’in 548. sayısında yayımlanan “Güneş’in Yanması” başlıklı yazısını, biraz daha ayrıntılı bilgi için ise Zeynep Ünalan’ın aynı derginin 523. sayısında yayımlanan “Güneş’in Fiziği” başlıklı yazısını tavsiye ederim. Füzyon tepkimelerinin oluşacağı şartları ortaya çıkarmak için gerekli enerji miktarı yüksek olduğu gibi tepkime sonrası açığa çıkan enerji miktarı da yüksektir. Bu enerjiyi kontrollü bir şekilde açığa çıkarıp toplamak için tasarlanan füzyon reaktörlerinde tarihsel olarak iki farklı yönteme dayalı tasarımlar öne çıkmıştır. Bu yöntemlerin ilki olan “sıkıştırma”da plazmadaki atom çekirdekleri yüksek elektrik akımları ve güçlü manyetik alanlar kullanılarak sıkıştırılır. Bu sıkışma sonucu füzyon tepkimelerinin gerçekleşebileceği şartların oluşması beklenir.
1946 yılında patenti alınan ilk füzyon reaktöründe sıkıştırma yöntemi kullanılıyordu. Fakat inşa edilen reaktörlerde füzyon gerçekleşmeden kararsızlıklar ortaya çıkıyor ve füzyon için gerekli şartlar oluşmuyordu. Bu kararsızlıklar tasarıma olan güveni sarsmış olacak ki bu konuda çalışan bilim insanlarının önde gelenlerinden James Tuck inşa ettiği reaktöre “belki”nin İngilizce karşılığı “perhaps” sözcüğünden yola çıkarak “Perhapsatron” adını vermişti. Bilim insanları 1950’li yılların başlarında ilk yapay füzyon tepkimesini gerçekleştirdi. II. Dünya Savaşı’nda kullanılan atom bombaları zincirleme fisyon tepkimelerini kullanıyordu. Bu fisyon tepkimelerinde açığa çıkan enerji hidrojen atomlarının çekirdeklerini bir araya getirerek çok daha fazla enerjiyi ortaya çıkarmakta kullanıldı. Bu da bugün hidrojen bombası olarak da adlandırdığımız füzyon bombalarının gelişiminin önünü açtı. En bilindik örneği ise Çar Bombası‘dır.
Sovyetler Birliği’nin 30 Ekim 1961’de gerçekleştirdiği patlama insan eliyle gerçekleştirilen en şiddetli patlamaydı. Patlamaların büyüklüğü genelde aynı büyüklükte bir patlama için gerekli TNT miktarıyla ölçülür. Örneğin Hiroşima’daki ve Nagazaki’deki patlamaların büyüklüğü kiloton TNT ile ölçülmüştür. Çar Bombası yaklaşık 50 megaton TNT gücündedir. Bir başka deyişle bu hidrojen bombası Hiroşima’ya ve Nagazaki’ye atılan fisyon bombaların toplamindan yaklaşık 1500 kat daha güçlüydü. Çar Bombası adı verilen bu termonükleer silah İkinci Dünya Savaşı’nda kullanılan tüm geleneksel patlayıcıların (atom bombaları dahil değil) toplam enerjisinden 10 kat daha fazla enerji açığa çıkardı.
Arjantin 24 Mart 1951’de nükleer füzyonu gerçekleştirdiğini duyurdu. Avusturyalı/Alman Fizikçi Ronald Richter başarılı olmuştu. Başkan Juan Perón yakın bir gelecekte enerjinin süt şişesi büyüklüğünde paketler halinde satılacağını açıkladı. Büyük ilgi çeken bu açıklamalardan sonra uluslararası toplum, verileri ve sonuçları incelemek istedi. Çünkü akademik dergilerde bu konuda hiçbir yayın çıkmamıştı. Arjantin bu baskıya bir müddet dayansa da sonunda kapılarını incelemeler için açtı. Kısa zamanda sonuçların yanlış olduğu anlaşıldı.
Yıldız Reaktörü
Arjantin’deki sonuçların yanlışlığının kanıtlanmasına rağmen pek çok bilim insanı konu hakkında düşünmeye ve çözümler üretmeye başladı. Bunlardan Lyman Spitzer plazmayı vakum içinde manyetik alan kullanarak hapsedecek bir füzyon reaktörü tasarladı. Princeton Üniversitesi’nde astronomi profesörü olan Spitzer tasarımı için “yıldızlarla ilgili” ifadesinin İngilizce karşılığı “stellar” sözcüğünden “Stellator” ismini türetti. (Evet, fizikçiler isimlendirmenin gücüne inanıyor.) Bu yöntem de yukarıda bahsedilen plazmanın sıkıştırılmasından sonra ikinci yöntem. Lyman Spitzer’ın inşa ettiği ilk reaktör plazma üretmekte başarılı oldu ama füzyon tepkimesi gerçekleşmiyordu. Diğer tasarımdaki kararsızlıklara benzer problemler bu tasarımda da ortaya çıktı. Daha sonraki kuramsal hesaplamalar o sıcaklıktaki plazmanın hareketini tahmin etmekte yetersiz kalıyordu.
Sovyetler Birliği’ndeki bilim insanları bu iki tasarımı birleştirerek “Tokamak” adı verilen yeni bir tasarımı inşa etmeye başladı. Tokamak “manyetik sarmallı toroidal oda” tanımlamasının Rusça karşılığındaki kelimelerin baş harflerinden oluşan bir kısaltmaydı. İlk kontrollü füzyon tepkimesi 1958 yılında ABD’deki Los Alomos Ulusal Laboratuvarı’ndaki sıkıştırma reaktörlerinin geliştirilmiş bir versiyonu olan Scylla adlı reaktörde gerçekleştirildi. Harcanan güçten daha fazlası üretilemiyordu. Fakat yeryüzünde Güneş’in merkezindeki sıcaklıklarla karşılaştırılabilecek sıcaklıklara çıkılmış ve füzyon tepkimesi ilk kez kontrollü bir şekilde gerçekleştirilmişti.
Yakınımızdaki Prototip: Wendelstein 7-X
İlk kontrollü füzyon tepkimesinden bugüne bir çok füzyon reaktörü inşa edildi. (Tabii ki bu reaktörlere farklı ve garip adlar verildi.) Almanya’daki Wendelstein 7-X (W7X) reaktörü 2015 Aralık ayında ilk kez denendi. Princeton’da tasarlanan stellatorların devamı olan bu reaktörün ismi, 1950’lerin sonunda Princeton’da yürütülen projenin (Project Matterhorn) adına gönderme yapacak şekilde seçilmiş. Dağcılıkla da ilgilenen Lyman Spitzer Avrupa’nın ünlü zirvelerinden olan Matterhorn’u proje ismi olarak önermiş. İlk Alman stellatorları inşa edilirken de Bavyera’daki bir dağın adı olan Wendelstein bu reaktörlere isim olarak seçilmiş. W7X’in inşası 19 yıl sürdü. Max Planck Plazma Fiziği Enstitüsü tarafından Almanya’daki Greifswald’da inşa edilen stellator Ekim 2015’te tamamlandı. Projenin maliyeti 1 milyar Euro’yu geçmiş durumda. Projenin finansmanının neredeyse tamamı Almanya ve Avrupa Birliği tarafından karşılanmasına rağmen projenin diğer Avrupa ülkelerinden, Japonya’dan ve ABD’den katılımcıları ve paydaşları var. Fakat Türkiye şu an projede yer almıyor.
10 Aralık 2015’te yapılan deneme sadece saniyenin 10’da 1’i kadar sürdü. Bu esnada reaktöre gönderilen 1 mg helyum gazı 1,3 MW güç kullanılarak plazmaya dönüştürüldü. Plazmanın sıcaklığı yaklaşık 1 milyon Kelvin’e kadar çıktı. Şubat ayının başına kadar Helyum gazı ile yaklaşık 300 deneme yapıldı. Plazma sıcaklığı 6 milyon Kelvin’e ulaştı. 3 Şubat’ta helyum gazı hidrojenle değiştirildi. Bu artık W7X’in bilimsel araştırmalar için hazır olduğu anlamına geliyordu. W7X hidrojenle yapılan ilk denemeden de başarıyla çıktı. Saniyenin dörtte biri kadar bir süre de olsa hidrojen plazması oluştu ve sıcaklık 80 milyon Kelvin’e ulaştı. 2016 Mart ortasına kadar W7X’teki deneyler başlangıç aşmasında kalacak. Daha sonra reaktör açılarak plazmanın daha yüksek sıcaklıklarda daha uzun kalmasına olanak sağlayacak parçalar yerleştirilerek olağan işlemsel evreye geçmeye başlayacak. 2019 yılında tamamıyla işlemsel evreye geçmesi planlanıyor.Kısaca W7X önündeki uzun yola ilk adımlarını attı. Varacağı nokta ise hepimizi çok ilgilendiriyor.
Diğer Reaktörler: JET, ITER, EAST ve ARC
W7X dünyadaki tek füzyon reaktörü projesi değil. Şu an işlevsel olan füzyon reaktörlerinin en büyüğü JET (Avrupa Ortak Torusu). Bir tokamak reaktörü olarak tasarlanan JET’de saniyeler boyunca füzyon gerçekleşiyor. Fakat bu süre verilen enerjiden daha fazlasını almak için yeterli değil. Füzyon tepkimesinin dakikalar boyunca sürebileceği ve verilenin on katı enerji alınabilecek bir reaktör tasarımına 1998 yılında başlandı. Otuz beş ülkenin bir araya gelerek oluşturduğu ortaklığın amacı yirmi yıl içinde füzyon enerjisini ticarileştirmekti. Ama ITER (Uluslararası Termonükleer Deneysel Reaktör) adı verilen proje erteleme ve gecikmelerden bir türlü kurtulamadı. Reaktörün içinde yer alacağı binanın inşası ancak 2010’da başladı. İlk plazmanın üretilme tarihinin 2020 olması bekleniyordu, ama bu tarihin 2025’e sarkmasının yüksek bir ihtimal olduğu konuşuluyor. Reaktöre verilen enerjiden daha fazlasının elde edilmesi için en az bir kaç yıl sürecek çalışma gerekeceğini düşünürsek ITER’de füzyon tepkimeleri kullanılarak güç üretilmesi için 2030’u beklememiz gerekecek. W7X’teki gelişmelerin getireceği rekabet belki de bu takvimi biraz öne çekebilir.
W7X’le kıyaslandığında ITER’in bir de dezavantajı var. W7X’in süper bilgisayarlarda yapılan simülasyonlarla tasarlanan süper mıknatısları plazmadaki tüm parçacıklara sürekli olarak aynı kuvvetin etki etmesini sağlıyor. En azından simülasyonlarda. ITER’de ise parçacıklara etkiyen kuvvet aynı olmadığı için plazmanın kararlılığı zaman içinde bozulabiliyor. Bu yüzden W7X sürekli çalışmaya uygunken ITER ancak kesintili olarak çalıştırılabilecek. Bu açıdan W7X ticari bir sistem için daha uygun görünüyor. Tokamak tasarımı ise mühendislik açısından çok daha kolay. Ayrıca ITER’deki süper mıknatısların soğutulmasının maliyeti de çok yüksek. MIT’deki araştırmacılar bu soruna çözüm bulmak için daha ufak, daha düşük maliyetli ve daha verimli bir tokamak tasarımı üzerinde çalışıyor. ARC (Uygun fiyatlı, Geliştirilmiş, Küçültülmüş) füzyon reaktörünün yeni tasarımın anahtarı süper iletken teknolojisindeki gelişmeler. Baryum bakır oksitten üretilen süper mıknatıslar diğer süper iletken malzemeler göre daha yüksek sıcaklıklarda kullanılabiliyor. Bu tasarımla ITER`in yarısı kadar çapa sahip fakat verilen enerjinin üç katını açığa çıkartacak bir reaktör hedefleniyor.
2016 yılının Şubat ayında füzyon reaktörleri ile ilgili önemli bir güncelleme de Çin’den geldi. İlk plazmayı 2006 yılında üreten EAST (İleri Deneysel Süper İletken Tokamak) reaktöründe Çinli araştırmacılar 50 milyon Kelvin’deki plazmayı 102 saniye kararlı halde tuttuklarını açıkladı. 2017`de EAST yüksek sıkıştırılma modunda 50 milyon Kelvin`deki plazmayı 100 saniyeden fazla kararlı tutmayı başaran ilk tokamak reaktörü oldu. ITER projesinde amacın plazmayı 400 saniye boyunca kararlı tutarak 500 megawat güç üretmek olduğu düşünülünce bu sonucun ne kadar önemli olduğu ortaya çıkıyor. EAST’te şimdiki amaç plazmayı 100 milyon Kelvin’de 1000 saniye tutmak. ITER ortaklığına üye olan Çin’deki bu gelişme sonucunda elde edilen veriler ITER için de çok yararlı olacak.
W7X’in harcadığından daha fazla güç üretip üretemeyeceği ise henüz bilinmiyor. Kendisi bir enerji santraline dönüşmese bile W7X’in bir füzyon enerji santrali inşa etmek için ihtiyacımız olan bileşenlerin tasarımı ve üretimi için yol göstermesi bekleniyor. W7X’in füzyon tepkimesi kullanarak güç üretecek santrallere öncülük etmesi amaçlanırken diğer yandan dünyanın çeşitli yerlerindeki reaktörlerde de aynı amaçla araştırmalar yapılıyor. Önümüzdeki on yıl bu reaktörlerin hepsinin güç üreten ilk reaktör olmak için yapacağı ilginç bir yarışa sahne olacak.
Füzyon enerji santralleri yapılabilirse belki enerji evlerimize süt şişesinde gelmeyecek, ama çevreye zarar vermeyen ve güvenli bir nükleer enerji çeşidi kullandığımızı bilmek bize yetecek.
Soğuk Füzyon
Füzyon tepkimelerinden bahsedince meşhur soğuk füzyondan bahsetmemek olmaz. Stanley Pons ve dünyanın önde gelen elektrokimyacılarından Martin Fleischmann 1989 yılında 100 milyon Kelvin’de gerçekleşmesi gereken füzyon tepkimesini oda sıcaklığına yakın sıcaklıklarda gözlemlediklerini iddia etti. Paladyumun “hidrojen tutucu “ özellikleri geçmişten beri biliniyordu. Pons ve Fleischmann paladyum elektrot kullanarak ağır su elektrolizi yaparken kimyasal tepkimelerle açıklanamayacak miktarda “fazladan ısı” ölçmüşlerdi. Ayrıca nükleer tepkimelerin nötron ve trityum gibi yan ürünlerinin de algılandığını iddia etmişlerdi. İddia dünya çapında ilgi uyandırdı. Basitçe eğer bu iddia doğruysa tüm ülkeler temiz bir nükleer enerjiye ulaşmakla kalmayacak neredeyse sıradan bir lise laboratuvarındaki ekipmanlarla hidrojen bombası için yakıt da üretebilecekti.
Deneyin çok fazla detayı bilinmemesine rağmen dünyanın dört bir tarafındaki araştırmacılar deneyi tekrar etmeye çalıştı. İlk sonuçlar biraz karmaşıktı. İddiayı doğrular nitelikte olan deneyler, doğrulamayan deneylere göre azınlıktaydı. Soğuk füzyonun gerçekleşmesini mümkün kılacak hiçbir bilimsel kuram yoktu. Daha sonra soğuk füzyonu doğrulayan sonuçlar “yanlış pozitif” olarak birer birer geri çekilmeye başlandı. En son Pons ve Fleischmann’ın nükleer yan ürünleri ölçmediklerinin anlaşılması da akademik çevrelerde soğuk füzyonun tabutuna çakılan son çivi oldu. Soğuk füzyonun hâlâ arada sırada karşımıza çıkmasının nedeni sanıyorum ucuz, kolay temiz ve neredeyse tükenmeyen enerji vaatlerinin gerçek olabileceğine inanmak istememiz. Ama ne derler bilirsiniz. Eğer bir teklif veya vaat gerçek olamayacak kadar iyiyse büyük bir ihtimalle gerçek değildir.
Füzyon Enerjisini Nasıl Toplayacağız?
Aslında bu sorunun cevabı çok net değil. Çünkü henüz verilen enerjiden daha fazlasını elde edebildiğimiz bir füzyon reaktörü yok. Dolayısıyla önerilen mekanizmaları test edebileceğimiz bir reaktör de yok. Fakat akla en yatkın çözüm tepkime sonrası ortaya çıkan elektrik yükü nötr olan parçacıkları kullanmak. Örneğin plazmayı kontrol altında tutan güçlü manyetik alanlardan etkilenmeyecek yüksek enerjili nötronlar reaktörün etrafını kaplayan özel bir cekete çarptırılarak enerji toplanıp aktarılabilir. Daha sonra bu enerji fisyon reaktörlerinde olduğu gibi buhar türbinlerini çevirmekte kullanılabilir.
Hazırlayan: Murat Yıldırım
Kaynaklar:
