Nükleer füzyon nedir?

Nükleer Füzyon Nedir?

Nükleer füzyon, iki hafif atom çekirdeğinin birleşerek daha ağır bir atom çekirdeğine dönüşmesidir. Dünya üzerinde kullanılabilirse, temiz ve sınırsız enerji üretebilir.

Nükleer füzyon, iki hafif atom çekirdeğinin birleşerek daha ağır tek bir çekirdeğe dönüştüğü, yıldızların kalbini çalkalayan reaksiyondur. Füzyon çok az nükleer atık üretir ve sera gazı emisyonu yaratmaz, bu da uzun zamandır geleneksel enerji kaynaklarına potansiyel temiz bir alternatif olarak lanse edildiği anlamına gelir. Ancak bu süreci ne yönlendiriyor? Ve uygulanabilir bir ticari enerji kaynağı haline gelebilir mi?

Füzyon nedir?

Füzyon, iki hafif atomun daha ağır bir atom oluşturmak üzere birbirine bağlanması ya da kaynaşmasıyla meydana gelir. Yeni atomun toplam kütlesi, onu oluşturan iki atomunkinden daha azdır; Albert Einstein‘ın ünlü “E=mc^2” denkleminde tanımlandığı gibi “kayıp” kütle enerji olarak açığa çıkar.

Genellikle atom çekirdekleri aynı yüke sahip oldukları için birbirlerini iterler. Bu itmenin üstesinden gelmek için yüksek sıcaklıklar, basınçlar veya her ikisi de gereklidir. Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı’na (yeni sekmede açılır) göre, Dünya‘da nükleer füzyon reaktörlerindeki sıcaklıklar güneşin çekirdeğinde bulunan sıcaklıkların yaklaşık altı katına ulaşmaktadır. Bu ısıda hidrojen artık bir gaz değil, elektronların atomlarından sıyrıldığı maddenin son derece yüksek enerjili bir hali olan plazmadır.

Füzyon, atomları bölen ve tehlikeli olan önemli miktarda radyoaktif atıkla sonuçlanan fisyondan farklıdır.

Füzyon, evrendeki yıldızlar için baskın enerji kaynağıdır. Bilim insanları reaksiyonu başlatmak için gerekli olandan daha fazla enerjiyi nasıl elde edeceklerini bulabilirlerse, Dünya’da da potansiyel bir enerji kaynağıdır. Nükleer füzyon, kasıtlı olarak kontrolsüz bir zincirleme reaksiyonla başlatıldığında hidrojen bombasını çalıştırır. Füzyon aynı zamanda uzaydaki araçlara güç sağlamak için de bir olasılık olarak değerlendirilmektedir.

Nükleer füzyon enerjisi

Temiz enerjinin “Kutsal Kasesi” nükleer füzyon reaksiyonlarından ticari enerji üretmektir.

Bilim insanları onlarca yıldır bu hedefin peşinde. Füzyon, çok az radyoaktif atık veya sera gazı ürettiği ve nispeten basit bileşenler gerektirdiği için mevcut enerji kaynaklarına çok çekici bir alternatiftir. Bu sınırsız temiz güç hayalinin anahtarı, reaksiyondan, onu üretmek için gerekenden daha fazla enerji üretmektir.

Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı’nın Ulusal Ateşleme Tesisi’ndeki (NIF) bilim insanları 2022 yılında ilk kez bir nükleer füzyon çekirdeğinin tükettiğinden daha fazla enerji ürettiğini duyurdu. Ateşleme tesisi, hidrojenin iki izotopu ya da versiyonu olan döteryum ve trityum plazmasını hapsetmek için lazer ışınları kullanıyor. Ancak uzmanlar, uygulanabilir bir ticari füzyon reaktörünün muhtemelen onlarca yıl uzakta olduğunu söylüyor. Çünkü plazmayı ısıtmak için bilim insanlarının elektrik şebekesinden enerji çekmesi gerekiyor. Dolayısıyla reaksiyonu uygulanabilir kılmak için, reaksiyon tarafından üretilen enerjinin, elektriğin lazerlere güç veren ışığa dönüştürülürken kaybedilen büyük miktarda enerjiyi de hesaba katması gerekir.

Döteryum-Trityum füzyonu: Bugün Dünya’da enerji için en umut verici kombinasyon, bir helyum atomu yaratmak için bir döteryum atomunun bir trityum atomu ile füzyonudur. Yaklaşık 72 milyon derece F (39 milyon santigrat derece) sıcaklık gerektiren bu süreç 17,6 milyon elektron volt enerji üretmektedir.

Döteryum-trityum füzyonu ile ilgili mevcut deneyler San Diego, Kaliforniya’daki DIII-D Ulusal Füzyon Tesisi’nde devam etmektedir. En büyük potansiyel nükleer reaktör olan ve tamamlanmasına daha yıllar olan Güney Fransa’daki ITER projesi (yeni sekmede açılır) de reaksiyonuna güç sağlamak için bu iki izotopu kullanmaktadır. NIF reaktörünün aksine, ITER projesi hidrojen plazmasını tokamak adı verilen halka şeklindeki bir reaktörün etrafında yönlendirmek için güçlü mıknatıslar kullanıyor.

Döteryum umut verici bir bileşen çünkü tek bir proton ve nötron içeren ancak elektron içermeyen bir hidrojen izotopu. Buna karşılık hidrojen suda bol miktarda bulunur. Bir galon deniz suyu (3,8 litre) 300 galon (1.136 litre) benzin kadar enerji üretebilir.

Trityum bir proton ve iki nötron içerir. Trityum 20. yüzyılda nükleer füze denemeleri sırasında büyük miktarlarda üretilmiştir, ancak yarı ömrü yaklaşık 12 yıldır, yani miktarın yarısı bu zaman diliminde bozunur. ITER’deki bilim insanları, Dünya’nın kabuğunda bulunan bir element olan lityumu nötronlarla bombardıman ederek büyük miktarlarda trityum üretmeyi önerdiler.

Döteryum-döteryum füzyonu: İki döteryum atomu elde etmenin kolaylığı ve üreteceği daha yüksek enerji verimi nedeniyle teorik olarak döteryum-trityumdan daha umut verici olan bu yöntem, çalışması için son derece yüksek sıcaklıklar gerektirdiğinden daha zordur. ITER’e (yeni sekmede açılır) göre birkaç test nükleer füzyon reaktörü 270 milyon F (150 milyon C) civarında sıcaklıklara ulaşabilmektedir. Ancak, Avrupa’daki ulusal füzyon enstitülerinden oluşan bir konsorsiyum olan EuroFusion’a (yeni sekmede açılır) göre, yalnızca döteryum-döteryum reaksiyonu için en az 720 milyon ila 900 milyon F (400 milyon ila 500 milyon C) sıcaklık gerekir.

EuroFusion’a göre şu ana kadar döteryum-döteryum reaksiyonunu başlatabilen tek tesis Joint European Torus (JET) tesisidir ve bu tesis de bunu sadece kısa bir süre için başarmıştır.

Yıldızlardaki füzyon reaksiyonları

Proton-proton füzyonu: Çekirdek sıcaklıkları 27 milyon F (15 milyon C) altında olan güneş gibi yıldızlar için baskın itici güç olan proton-proton füzyonu iki protonla başlar ve sonuçta pozitronlar, nötrinolar ve gama ışınları gibi yüksek enerjili parçacıklar üretir. West Virginia Üniversitesi’ne (yeni sekmede açılır) göre, füzyonu bu kadar düşük sıcaklıklarda gerçekleştirmek için yıldızlar, Dünya’daki atmosfer basıncının 200 milyar katından daha fazla ezme basıncına ihtiyaç duyuyor.

Karbon döngüsü: Daha yüksek sıcaklıklara sahip yıldızlar hidrojen atomları yerine karbonu birleştirir. Swinburne Üniversitesi Astrofizik ve Süper Bilgisayar Merkezi’ne göre, bu süreçte yıldızlar karbon-12 ile başlar ve bir helyum çekirdeği ve başka bir karbon-12 atomu üretmek için altı farklı adımdan geçer.

Üçlü alfa süreci: Evrelerinin sonundaki kırmızı devler gibi yıldızlar, 180 milyon F’yi (100 milyon C) aşan sıcaklıklarda, hidrojen ve karbon yerine helyum atomlarını bir araya getirir.

Kaynak: https://www.livescience.com/23394-fusion.html

Bu yazı Astrafizik.com tarafından Türkçeye aktarılmış olup yazının aslı livescience.com sitesine aittir, orijinaline mümkün olduğunca sadık kalmak koşuluyla dilimize çevirilmis olsa da editoryal tarafından katkılarda bulunulmuştur. Bu sebeple Astrafizik.com içerik izinlerine tabidir. Astrafizik.com referans gösterilmek koşuluyla 3. tarafların kullanımına izin verilmiştir.