BİLİM VE TEKNOLOJİ

YAPAY GÜNEŞ-NÜKLEER FÜZYON

Last Updated on 27/02/2024 by ahmet can ayışık

blank

 

Güneş Dünya’daki tüm yaşam için vazgeçilmezdir. Çok eski zamanlardan itibaren “Güneş”e saygı duyan, Güneşin gücünü arayan, onu adeta kutsallaştıran insanlık, bugün Güneş gücünün, mikroskobik ve enerjik bir reaksiyon olan NÜKLEER FÜZYONDAN kaynaklandığını keşfetmiş durumda. Güneş gücünün gizeminin çözülme ve bu gücü yeniden üretip kullanmayı sağlayabilecek temiz enerji teknolojileri üretmeye çok yaklaştık. Bu konudaki araştırmalar, bilimsel hipotezler, teorik araştırmalar, kontrolsüz ve kontrollü nükleer füzyon deneyleri, Uluslararası Termonükleer Deneysel Reaktör (International Thermonuclear Experimental Reactor-ITER) projesi gibi çeşitli çalışmalar 19. yüzyılın sonlarından beri devam ediyor. İnsanoğlu bu çalışmalar aracılığıyla “YAPAY GÜNEŞ (Artificial Sun) hayalini adım adım gerçeğe dönüştürüyor. “YAPAY GÜNEŞ” temel olarak küresel enerji tedariği için bir füzyon süreci yoluyla temiz ve sürdürülebilir enerji yaratma çalışmaları anlamına geliyor.

Evet; bugün dünyanın dört bir yanındaki ülkeler “yapay güneşlerin” geliştirilmesine yatırım yapıyor. Önemli projelerden biri, dünyanın en büyük “yapay güneşi” olan Fransa’da bulunan “Uluslararası Termonükleer Deneysel Reaktördür (International Thermonuclear Experimental Reactor-ITER)”. ITER, 1985 yılında harekete geçen 35 ülkenin dünya çapındaki bir işbirliğidir. Karbonsuz bir enerji kaynağı olan ITER, sürekli olarak en az 400 saniye boyunca 50 megavatlık giriş ısıtma gücünden 500 megavatlık füzyon gücü üretecek şekilde tasarlanmıştır. Projenin yedi ana üyesi arasında yer alan Çin, tüm mıknatıs destek sisteminin geliştirilmesinden ve üretiminden sorumludur. Bu sistemin ağırlığı 1.600 tonun üzerinde olup, ITER‘in temel yapısal güvenlik bileşenlerinden biridir. Aralık 2023’de, Fransa’nın Cadarache kentinde, Çin Ulusal Nükleer Kurumu’nun (China National Nuclear Corporation-CNNC) Güneybatı Fizik Enstitüsü (Southwestern Institute of Physics-SWIP), Uluslararası Termonükleer Deneysel Reaktör (ITER) genel merkezi ile Çin’in kendi geliştirdiği Huanliu-3‘ün (HL) işbirliğinin duyurulduğu yeni bir anlaşmayı daha imzaladılar.

blank
ITER Tokamak makinesi-Güney Fransa 9 Eylül 2021

Çin, hem sözkonusu mega projede yer almakta hem de kendi “YAPAY GÜNEŞ” çalışmalarını hızla sürdürmektedir. Nükleer füzyona giderek daha fazla yatırım yapan Çin Devlet Konseyi kısa bir süre önce şu açıklamayı yapmıştır: “Kontrollü nükleer füzyon geleceğin enerjisinin tek yönüdür. Bu alan şu anda Avrupa ve Amerika Birleşik Devletleri’nde çok hızlı bir şekilde gelişmektedir. Çin merkezi hükümeti de sektöre daha fazla önem vermeye başlamıştır.” Bu kapsamda, Çin 2035 yılına kadar “yapay güneş” olarak adlandırdığı ilk endüstriyel prototip füzyon reaktörünü inşa etmeyi ve 2050 yılına kadar büyük ölçekli ticari füzyon enerjisi üretimine başlamayı planlamaktadır.

KONTROL EDİLEBİLİR NÜKLEER FÜZYON: GÜNEŞİ DÜNYADA KOPYALAMA YARIŞI

Çin ve ABD, kontrol edilebilir nükleer füzyon alanında yoğun bir rekabete girmiş durumdalar. Her ikisi de güneşin nükleer füzyon reaksiyonlarını simüle etme konusunda büyük atılımlar yaptıklarını duyurmaya devam ediyorlar. Hidrojen gibi hafif atom çekirdeklerinin füzyonu yoluyla ortaya çıkan şiddetli enerjinin dizginlenmesini içeren böyle bir süreç, enerji bilimciler için uzun zamandır heyecan verici bir rüyaydı.

Lazer sistemlerinin devi olarak bilinen Amerika Birleşik Devletleri’nin Ulusal Ateşleme Tesisi (National Ignition Facility-NIF), muazzam bir başarıya imza atarak füzyon tarihindeki ilk ateşlemeyi gerçekleştirmişti. Bu, füzyon reaksiyonlarının kendi kendini besleyen bir motor haline gelmesine, bir yandan herhangi bir enerji kaybını telafi ederken bir yandan da kendilerini sürdürmeye yetecek kadar enerji üretmesi sürecine giden yolun açılması demekti. Bir yıldızın enerjisinden yararlanmaya benzer şekilde NIF, küçük bir füzyon yakıtı topakını aşırı ısıtmak ve sıkıştırmak için yüksek yoğunluklu lazerler kullanmış ve kısa ömürlü ancak güçlü bir füzyon reaksiyonları patlaması başlatmayı başarmıştı.

Ardından, Çin bu adıma etkileyici bir ilerlemeyle karşılık verdi. Yeni nesil “YAPAY GÜNEŞ” Huanliu-3’ü, nükleer füzyon için bugüne kadarki en yüksek akım olan 1 milyon amperlik şaşırtıcı bir plazma akımıyla yüksek sınırlama modunda çalıştırmayı başardı. Bir tokamak olan Huanliu-3 cihazı, füzyon yakıtı plazmasını yakalamak ve sıkıştırmak için manyetik alanlar kullanıyor ve Güneş’in çekirdeğinden yaklaşık yedi kat daha yüksek sıcaklıklar yaratıyor. Bu kavurucu sıcaklıklarda çekirdekler arasındaki itici güçler aşılarak nükleer füzyon meydana geliyor.

Her ne kadar çarpıcı biçimde farklı yaklaşımlara sahip olsalar da bu atılımlar (Demagnetic Confinement-Manyetik Sınırlama Füzyonu ve İnertial Confinement-Atalet Sınırlamalı Füzyon; her ikisi de hidrojen izotoplarını yakıt olarak kullanan tekniklerdir) bizi sınırsız enerji olanaklarının olduğu bir geleceğe yaklaştırıyor. Kontrol edilebilir nükleer füzyon vaadi, gerçekten de neredeyse gerçek olamayacak kadar iyi. Nükleer füzyon, büyük miktarlı bir enerji kaynağı, yüksek güvenlik, minimum radyoaktif atık ve çevre dostu olma gibi avantajlara sahip.  Ağır atom çekirdeklerinin bölünmesini içeren, uzun ömürlü radyoaktif atıklara ve önemli güvenlik risklerine yol açan NÜKLEER FİSYONUN aksine, FÜZYON enerjisi temiz ve erimeye dayanıklıdır. Ayrıca FÜZYON, fisyona göre çok az miktarda yakıt gerektirir ve yakıt kaynakları doğada bol miktarda mevcuttur.  Uzmanlar nükleer füzyonun evrenin nihai enerji kaynağı olduğunu söylüyor. Sadece bir litre deniz suyundan 300 litre benzinden elde edilen enerjinin üretilebildiği bir gelecek hayal edin!

Ancak, bu rüya her ne kadar heyecan verici olsa da çocuk oyuncağı değildir. Kontrollü nükleer füzyonun gerçekleştirilmesi, muazzam bir manyetik alan gücü (yerçekimi) ve boyutları nedeniyle doğal olarak füzyon gerçekleştiren yıldızların içindeki zorlu koşulların taklit edilmesini gerektirir. Bilim adamlarının Dünya’da bu yapay yıldız benzeri koşulları yaratacak teknolojik yapay ortamı oluşturmayı başarması gerekiyor.

Bunu başarmanın bilinen iki ana tekniği var: Demagnetic Confinement-Manyetik Sınırlama Füzyonu ve İnertial Confinement-Atalet Sınırlamalı Füzyon; her ikisi de hidrojen izotoplarını yakıt olarak kullanan tekniklerdir.  Bu izotoplar bir araya geldiğinde helyum oluşturarak ısı ve nötron formunda muazzam miktarda enerji açığa çıkartırlar.

Manyetik sınırlama füzyonu, kararlı ve tutarlı bir güç çıkışı sağlayan kararlı durum füzyon reaksiyonunu hedefler. Ancak plazmayı korumak için gereken büyük ölçekli karmaşık donanımın oluşturduğu maliyeti ve operasyonel zorlukları sözkonusudur. Plazma kararsızlıkları, türbülans ve ısı kayıpları, özellikle akımın tutuşma seviyesine yaklaşacak şekilde önemli ölçüde arttığı durumlarda ek sorunlar yaratır. Akım ne kadar yüksek olursa plazmayı sınırlamak o kadar zor olur. Bu nedenlerden ötürü, Çin’in Huanliu-3’ünün yüksek sınırlama modunun test çalışmalarındaki başarısı önemli aşamadır. Çünkü bu, plazma stabilitesini korurken akımın 1 milyon ampere ulaşmasını sağlayabilmiştir. Sağlanan yüksek akım, aynı zamanda onu ateşleme eşiğine yaklaştırır, yani net enerji çıkışı üretir. Bunun gibi projeler ve Çin’in de katıldığı Fransa’daki uluslararası ITER projesi, bu alanda ilerleme kaydediyor ve büyük ölçekli bir enerji kaynağı olarak füzyonun fizibilitesini göstermeyi amaçlıyor.

ABD’nin tercih ettiği “Atalet Sınırlamalı Füzyon” ise enerji üretiminde esneklik ve ölçeklenebilirlik sunan darbeli bir füzyon reaksiyonu hedefliyor. Ancak, yakıt peletini sıkıştırmak için gereken hassas ve senkronize lazer darbelerinin oluşturulması teknik olarak çok kolay değil. Patlama simetrisi, hidrodinamik dengesizlikler ve lazer-plazma etkileşimleriyle ilgili çözülmesi gereken çok sayıda sorun sözkonusu. Yine de ataletsel sınırlama teknolojisinin en önemli örneği olan ABD Ulusal Ateşleme Tesisi (National Ignition Facility-NIF), tükettiğinden daha fazla enerji üreterek bu yarışta önemli bir konum elde etmiş durumda.

Sonuçta, değindiğimiz her iki yaklaşım da kayda değer ilerleme kaydetmiş olmakla birlikte, dünyamızda yapay güneşin gücünden yararlanabilmemiz için aşılması gereken daha pek çok bilimsel ve teknik engel var. Yine de çevreye minimum düzeyde etki eden, uzun vadeli radyoaktif atık içermeyen, temiz, bol enerji içeren bir füzyon reaktörü geliştirme hayalinin gerçekleşebileceğini artık öngörebiliyoruz. Kontrol edilebilir nükleer füzyonu gerçeğe dönüştürme yolculuğu devam ediyor ve dünyanın enerji sorunlarına önemli bir çözüm vaat ediyor. Yarış başlıyor ve bitiş çizgisi bir milyon güneşin enerjisiyle parlıyor!

YAPAY GÜNEŞ NEDİR?

Modern toplumda insan faaliyetleri enerjiden ayrılamaz. Yaygın olarak kullandığımız kömür, petrol ve doğalgaz gibi fosil yakıtlar tükenmez ve daha da önemlisi çevre dostu değildir. Rüzgar ve su enerjisi ise temizdir, ancak çıktısı doğal koşullardan kolaylıkla etkilenebilir. Tükenme tehlikesi olan ve çevreyi tehdit eden kömür, petrol, doğalgaz gibi fosil yakıtların aksine, “yapay güneş” için gerekli olan hammaddeler yeryüzünde neredeyse sınırsızdır. Bu nedenle füzyon enerjisi, insanlığın geleceği için “İDEAL NİHAİ ENERJİ” olarak değerlendirilmektedir. İnsanlara sınırsız temiz enerji sağlayacak güneş gibi bir başka kaynak ise yoktur. “Yapay güneş”, güneşinkine benzer bir füzyon süreci yoluyla enerji üreten mega nükleer füzyon cihazıdır. Süreç, helyum oluşturmak için hidrojen atomlarını birleştirerek büyük miktarda enerji üretmek için atom çekirdeğini kullanır.

blank
FÜZYON ŞEMASI

Nisan 2023’de Çin’in “Deneysel Gelişmiş Süper İletken Tokamak (The Experimental Advanced Superconducting Tokamak-EAST)” adı verilen “YAPAY GÜNEŞ”lerinden biri, 403 saniye boyunca kararlı durumda, yüksek hapsedilmiş bir plazma operasyonu gerçekleştirmiş ve ITER’nin operasyonu için önemli bir deneysel doğrulama sağlamıştı. Ardından Ağustos 2023’de Huanliu-3 Tokamak’ı ilk kez 1 milyon amperlik plazma akımıyla yüksek sınırlama modunda çalışma testini başarıyla tamamlamıştır. Çin’in yeni nesil “YAPAY GÜNEŞİ” olan Huanliu-3, Füzyon yakıtı plazmasını yakalamak ve sıkıştırmak için manyetik alanlar kullanan Bir tokamak cihazıdır. Güneş çekirdeğinden yaklaşık yedi kat daha yüksek sıcaklıklar yaratabilen Huanliu-3 tokamakı, oluşturduğu bu kavurucu sıcaklıklarda çekirdekler arasındaki itici güçlerin aşılmasıyla nükleer füzyon meydana getiren bir teknolojik cihazdır.

blank
Çin’in yeni nesil “YAPAY GÜNEŞİ” Huanliu-3

Aslında bilim insanları nükleer füzyonu, günümüzde daha çok bilinen nükleer fisyondan çok daha önce incelemeye başlamışlardı. Ancak, modern nükleer enerji santralleri ve nükleer güçle çalışan gemilerdeki nükleer fisyon teknolojisi uygulamalarıyla karşılaştırıldığında, kontrollü nükleer füzyon teknolojisi uygulamasının henüz emekleme aşamasında olduğu açık.

TOKAMAK NEDİR?

Tokamak aslında bir manyetik muhafaza sistemidir. Toroidal (dairesel) biçimli yapıya sahip olan bu makinalar, uygun manyetik alan altında hidrojen izotoplarını kaynatarak kararlı, yüksek yoğunluk ve sıcaklığa sahip plazma oluşturabilen ve füzyon çalışmalarında sıkça kullanılan yüksek enerji açığa çıkmasını sağlayan araçlardır.

Küçük boyutlu tokamaklar araştırma ve deneylerde kullanılırken büyük boyutlu olanları füzyon enerjisi çalışmalarında kullanılır. Tokamakların boyutlarının büyümesiyle enerji verimlilikleri artmaktadır. İlk olarak 1960’lı yıllarda Sovyetler Birliği’nde icat edilmişler, kısa süre içinde dünyanın çeşitli yerlerindeki bilim insanları tarafından kullanılır hale gelmişlerdir. Bugün nükleer füzyon çalışma ve testlerinde kullanılan önemli bir teknolojik araçtır. Ultra kararlı durum, ultra yüksek sıcaklık ve ultra yüksek basınç, kontrollü nükleer füzyon reaksiyonları için vazgeçilmezdir. Bir tokamak, nükleer füzyon için, döteryum-trityum, döteryum-döteryum, döteryum-helyum veya hidrojen-bor gibi hafif elementlerin yer aldığı kararlı bir sarmal manyetik alan oluşturmak için dairesel şekilde bir vakum odası (yani bir torus-toroidal) ve enerji verilmiş bobinler kullanır. Cihazın içinde ultra yüksek sıcaklığa ulaşıldıktan sonra, mikroskobik seviyedeki hafif elementler, çarpışan atom çekirdekleri arasındaki Coulomb itme kuvvetini aşarak yeni, daha ağır elementlere dönüşür ve bu süreçte büyük miktarda enerji açığa çıkar.

Tokamak şematize.

FÜZYON NEDİR?

Füzyon enerjisi dünyanın gelecekteki enerji sorununun çözümü olabilecek bir teknolojidir. Güneşte ve yıldızlarda süregeldiği bilinen füzyon sürecinin yani bir çeşit yapay güneşin dünya koşullarında oluşturulmasından söz ediyoruz. Füzyon enerji teknolojisi, büyük miktarlarda ve temiz enerji seçeneği olarak gerçek bir enerji çözümü olabilecek gibi görünmektedir.

Füzyon reaksiyonunda hafif olan iki atom bir araya gelerek daha ağır bir elementi oluşturur. Bu reaksiyon çok daha az miktarda madde kullanarak çok daha yüksek miktarda enerji açığa çıkartır. Füzyonda Hidrojen atomunun izotoplarının birleşmesiyle enerji elde edilir. Füzyon enerjisi için en önemli ve en verimli birleşme, Döteryum ve Trityumdur. Bir hidrojen atomu pozitif yüklü bir proton ve negatif yüklü bir elektrondan oluşur. Hidrojen atomunun iki varyantı ve izotopu vardır bunlardan; döteryum, bir proton ve bir nötron içerir, trityum ise iki nötron içerir. Reaksiyonda döteryum ve trityum birleşerek bir helyum ve yüksek hızlı bir nötron oluşturur. Güneşin ışıma enerjisinde ortaya çıkan reaksiyonun aynısıdır.

Bilgedunyali.com olarak bütün değerli okuyucularımıza bol güneşli günler diliyoruz.

KAYNAKÇA

Chinese Academy of Science; What’s China’s Role in Creation of “artificial sun?; 1.12.2023; https://english.cas.cn/newsroom/mutimedia_news/202312/t20231201_653461.shtml

 Chinese Academy of Science; Chinese “Artificial Sun” Sets New World Record; 2.1.2022; https://english.cas.cn/newsroom/cas_media/202201/t20220102_295503.shtml

 Chinese Academy of Science; Temperature of China’s ‘Artificial Sun’ Reaches New Heights; 13.11.2018; https://english.cas.cn/newsroom/archive/news_archive/nu2018/201811/t20181113_201177.shtml

Nuclear Newswire; China Launches Fusion Consortium to Build “Artificial Sun”; 9.1.2024; https://www.ans.org/news/article-5668/china-launches-fusion-consortium-to-build-artificial-sun/

 China National Nuclear Corporation; The new-generation “artificial sun” HL-3 is open to world exploration; 9.1.2024; https://en.cnnc.com.cn/2024-01/09/c_954541.htm

The China Academy; Controllable Nuclear Fusion: The Race to Replicate the Sun on Earth; 28.8.2023; https://thechinaacademy.org/controllable-nuclear-fusion-the-race-to-replicate-the-sun-on-earth/

Zheijanglab.com; Can Intelligent Computing Help Realize Controlled Nuclear Fusion?; 18.9.2023; https://en.zhejianglab.com/newsevents/news/202309/t20230918_3585.shtml

blank

 

 

blank
A.Can Ayışık