Altın
%
Dolar
%
Euro
%
Bitcoin
%
Eth
%
Önümüzdeki 5 gün boyunca
BİLİM

Yeni Bir Çağ: Füzyon Reaktörleri

30 Ara 2022

Son günlerde haberlerde sıkça karşılaştığımız bir başlık “Yapay Güneş”. Bu yazımızda, gerçekte bu işin arkasında neler var, neredeyse sınırsız ve ucuz enerjiye ulaşmamıza az mı kaldı gibi soruları yanıtlayacağız. Meraklılar için işin fiziğine, karmaşayı sevmeyenler için de bu olayın genel hatları ve hayatımıza yansımasına bakacağız. Haydi lazerleri ateşleyelim!

5.5 Bardak

Enerji, insanlık tarihi boyunca muhtemelen en çok ihtiyacımız olan şeydir. Çünkü yaşamak için yemek yemeye yani enerjiye, ısınmak için yakıta yani enerjiye ihtiyacımız var. Şimdilerde modern dünyada tüm iletişim ve ulaşım gibi ihtiyaçlar için yine enerjiye ihtiyaç var. Sonuç olarak anlıyoruz ki enerji çok önemli. Peki bunu nasıl elde edebiliriz?

Tarih öncesi dönemlere gidelim. İnsanların yiyecek ihtiyacını basitçe doğadan karşıladığı zamanlara. Bu dönemlerde avcı-toplayıcı toplumlar yol boyunca elde ettikleri besinleri yiyorlardı. Oldukça uzun bir süre tüm insanlığa bu yeterli geldi. Ta ki tarım devrimi başlayana kadar. Bu devrimden sonra artık tarla sürme ihtiyacı doğdu. Enerjiye köle olmak da böyle başladı.

İlk kullanılan ya insandı ya da güçlü besi hayvanları. Onlar sayesinde gerekli enerji karşılandı ve toplanan ekinlerle kalabalıklar beslendi. İnsanlığın ilk enerji ihtiyacı basitçe giderildi. Fakat bununla yetmedi ve gelişen toplumlar büyük kentler inşa etmeye başladı. Büyük yapılar planlandı ve köleler çalışarak bu kocaman üçgen binaları diktiler. Antik Mısır’dan yakın zamanlara yani 17. yüzyıla kadar insanlar, ihtiyacı karşılamaya devam etti. İnsan ise gelişmekten kendini alamadı ve buhar gücünü keşfetti.

Sanayi devriminin başlaması ve ilk motorların dönmesiyle işler çığırından çıktı. Gittikçe hem insan nüfusu artıyor hem de ihtiyaç duyulan enerji aynı oranda fazlalaşıyordu. Tüm bunların neticesinde enerji üretimi için daha verimli bir şeye ihtiyaç vardı. Milyonlarca yıl öncesinden gelen cevap çok geçmeden yüzeye fışkırdı, petrol.

Tüm dünyanın enerji ihtiyacının çok büyük bir kısmı petrolden karşılanıyor. Benzin veya doğalgaz olarak bildiğimiz bu madde yakıldığında yeterince yüksek enerji açığa çıkartıyor. Bununla da yetinmeyen insanlık geçtiğimiz 70 yıl içinde son enerji devrimini yaşıyor ve nükleer enerjiyi keşfediyor. Tüm dünyaya çare olacak gibi görünen nükleer enerjinin atığı ve zararı azımsanamayacak düzeyde.

Kore'de bulunan KSTAR füzyon reaktörü
Günümüzde yepyeni bir devrin eşiğindeyiz. Nükleer füzyon olarak adlandırılan bu devrim, binlerce yıllık enerji üretim mekanizmalarından çok daha farklı ve eski. Milyarlarca yıl öncesinden beri tüm evrenin enerjisi bu şekilde üretiliyor. Yıldızlarda başlayan bu reaksiyon trilyonlarca ve trilyonlarca yıldıza, galaksiye güç veriyor. Şimdi ise bu gücü ıslah edip kendi topraklarımızda, Dünya’da kullanma niyetindeyiz. Ama nasıl?

Bu kısımda işin birazcık fiziksel temellerine inmek faydalı olacaktır. Şu anda en verimli enerji üretimi olarak kullanılan nükleer santraller, fisyon reaksiyonları sonucunda enerji açığa çıkartıyorlar. Fisyon’un ne olduğuna bir bakalım.

Çok yüksek enerjiye ihtiyacı olan ilkel topluluklar eğer inek veya öküz yerine bir ejderha kullansaydı ne olurdu? Muhtemelen onu zapt etmek için ciddi bir çaba harcarlardı. Nükleer enerjiyi çok yüksek hareketlilik düzeyindeki bir ejderhaya benzetebiliriz. Zapt etmesi son derece zor ve kararsız. Öyle ki etrafa alev saçıyor. Eğer onu doğru koşullar altında saklarsanız yalnızca tarla sürmekte değil aydınlanma ve ısınmada da kullanabilirsiniz.

Nükleer enerji kendi başına bunları karşılayabiliyor ama ejderhanın doğadaki gerçek karşılığı olan son derece kararsız uranyum gibi bir element ile. Uranyum elementini duymuşsunuzdur. Radyoaktif olduğu söylenir. Çünkü atomik yapısı öyle kararsız ve hareketlidir ki sürekli etrafına yüksek enerjili ışınlar yayar. Uranyumu zapt etmeyi başaran bilim insanları da onun bu yüksek enerjili halinden faydalanacak santraller kuruyorlar. 

Kararsız haldeki bir elementin parçalanmasını tetikleyecek küçük bir patlama ile verimliliği çok yüksek enerji elde edilebiliyor. Parçalanma, kararsız bir atomu daha küçük ve kararlı yapılara bölünene kadar devam ediyor. Zincirleme bir reaksiyon başlatılmış oluyor. Bunun adı fisyon. Fisyon olayını başlattıktan sonra istediğiniz zaman tuşuna basıp kapatamıyorsunuz. Ayrıca siz enerji elde ederken ortalığa yayılan diğer ışınımlardan korunmak zorundasınız. En nihayetinde kararlı yapıya kavuşan ve artık verimli enerjiyi üretemeyen çekirdeği de öylece çöp poşetine atamazsınız. İşte bu sorunlar, nükleer enerji santrallerinin dezavantajları.

Gelelim füzyon tepkimelerine. Az önce azgın ve saldırgan bir ejderhanın ortaya çıkardığı enerjiden bahsetmiştik. Şimdi ise bu olguya tümüyle zıt bir durumdan bahsedeceğiz. Hem de bu füzyonun tüm evrenin enerjisi olduğunu söylememize rağmen.

Füzyon reaksiyonunun kahramanlarını, masum ve küçük marşmelov topları gibi düşünün. Bunlar hidrojen elementini temsil edecek. Fakat bunu hayal ederken bu marşmelovların masum görüntülerinin altında asla birbirleriyle birleşmeyecek bir yapıda olduğunu hayal edin. Elinize aldığınız iki marşmelov topunu birleştiremiyorsunuz. Üzerinden arabayla da geçseniz birleşmiyor. Bir vinç yardımıyla üzerine kamyon atsanız da bu iki marşmelov birleşmiyor.

Enerji üretmek için harcanan aşırı bir enerjiden bahsediyoruz. İki tane marşmelovu birleştirmek için bu kadar zahmete girilir mi demeyin. Matematiksel olarak hesap yapmayacağımız için yine benzetmeler üzerinden devam edelim. Güneşimiz ve evrendeki tüm yıldızlar bu marşmelovları yani hidrojen elementini birleştirince enerji üretmeye başlıyorlar. Çünkü eğer 4 tane hidrojen atomunu birleştirip bir tane helyum atomu elde etmeyi başarırsanız çok verimli bir enerji açığa çıkarmış oluyorsunuz. Tabi bunu birleştirmek için öncesinde harcamanız gereken enerjiyi karşılayacak gücünüz varsa.

Füzyon reaksiyonlarından elde edilen enerji, nükleer fisyondan elde edilen enerjiden çok daha verimli ve üstelik zararsız, tertemiz. Hâl böyle olunca çok uzun zamandır bilim insanları temiz enerjiyi üretme peşindeler. Doğanın kanunu gibi olan bir durum, bir şeyi parçalamak ve bozmak o şeyi yaratmaktan çok daha kolay değil mi? Binaları yapmak aylar sürüyor ama yıkmak dakikalar sürüyor.

4 hidrojen atomunu birleştirip 1 helyum atomu elde etmek için gereken sıcaklık 10.000.000 ˚C

Güneş
Yıldızlar milyarlarca yıldır bu enerjiyi üretebiliyor da biz neden Dünya’da halâ bunu başaramadık? Atomları birleştirmenin zorluğundan kaynaklanıyor. Yıldızlararası ortamlarda gereken yüksek başlangıç sıcaklığı olağanüstü basınç altında sağlanabiliyor. Bu sıcaklık ve basıncı laboratuvarda üretmek için önce o sıcaklığa dayanıklı bir kutuya ihtiyacınız var. Asıl sorun, az önce bahsettiğimiz gibi ortaya çıkan enerjiyi elde edebilmek için başlangıçta harcamanız gereken.

Güneşimizin kalbinde olanları özetlemeye çalışalım. Her saniye Güneş’te üretilen enerji, Hiroşima’ya atılan atom bombasının tam 400 milyar katı. Tabi bu enerji üretilirken olağanüstü miktardaki hidrojen yakıt olarak kullanılıyor. Tam olarak sayı vermek gerekirse her saniye 700 milyon ton hidrojen, helyuma dönüşüyor. Dönüşen helyumun kütlesi ise 695 milyon ton. Aradaki 5 milyon tonluk kütle nereye kayboldu dersiniz? İşte tüm bu yaygarayı kopartan da tam olarak bu. Açıklamasını ise Albert Einstein’a bırakalım.

Einstein’ın söylediğine göre enerji, kütle ve hızın çarpımına eşit olabiliyor ama hız, ışık hızı olmak kaydıyla. Yani bir gram kütleyi siz teorik olarak tümüyle enerjiye dönüştürürseniz muhtemelen evinize yüzyıllarca yetecek elektriği sağlamış olursunuz. Hidrojen atomlarının kütlesini saf enerjiye çevirmenin yolu füzyon tepkimeleri. Einstein’ın dediği gibi: E=m.c2

Güneş’te her saniye 5 milyon ton kütle kaybolmuyor, enerjiye dönüşüyor. Bu enerjiyi biz sıcaklık, ışık, ışıma ve bazen de doğru yerdeyseniz kutup ışımaları olarak görüyoruz. Güneş’i örnek göstererek verdiğimiz bu durum her an evrenimizdeki sayısız yıldızın kalbinde meydana geliyor. Oradaki sıcaklıklar kat be kat yüksek olduğu için yalnızca hidrojeni helyuma çevirmekle yetinmeyip, daha ağır elementleri de birer birer oluşturuyorlar. Helyumu karbona, karbonu oksijene dönüştürerek devam eden bu süreç demir elementine kadar devam ediyor.

Hidrojen elementini 1 birim olarak düşünürseniz, demir elementini 56 birim kabul edebilirsiniz. 1 birimlik hidrojeni bile birleştirmek bizim için ne kadar zor, kaldı ki demire kadar olan elementler ağırlıklarından dolayı birleştirilmesi çok daha zor. En ağır element demir değil ama. Peki daha ağır elementler? Evrenin en korkunç olayı sayesinde daha ağır elementler üretiliyor, süpernovalar. Bu kısım konumuzu aşıyor, biz hidrojen ve füzyon olayına geri dönelim.

Geçtiğimiz günlerde bilim insanları ilk defa füzyon reaksiyonunu başlatmak için gereken enerjiden daha fazlasını üretebildiler. Böyle söylendiğinde akıllara hemen birbiri ardına açılan füzyon reaktörleri gelmesin. Elde edilen başarı, tarih öncesi insanların kare bir tekerlek icat etmesine benziyor. Yani henüz hiç de pratik ve uygulanabilir değil.

Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı
Peki ne oldu? Amerika’da yer alan Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı’nda füzyon deneyi lazerler kullanılarak yapılıyor. Yüksek enerji kapasitesindeki 192 lazer, zeytin çekirdeğinden daha küçük bir yakıt topu üzerine ateşleniyor, oluşan olağanüstü sıcaklık ve basınçla bu madde buharlaşıp ortaya enerji saçıyor. Yine burada anormal enerji düzeyleri beklemeyin. Laboratuvarda elde edilen enerji birkaç hamburgerin sağlayacağı kalori kadar enerji yarattı. 

Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı'nda kullanılan yakıt çekirdeği
Büyük başarının ardında harcanan enerji ise yine oldukça yüksek. İlk örneğimizi hatırlayın. Marşmelovları birleştirip enerji elde edildi edilmesine ama bunu sağlamak için o kadar çok kamyon ve vinç kullanılmış oldu ki çok fazla efor, zaman ve para harcanmış oldu. Yapılan bu deneyde her şeye rağmen lazerlerin odaklandığı yerdeki buharlaşan yakıt taneciği, lazerlerin odakladığı toplam enerjiden daha fazla oldu.

Şimdi sıra geldi bunu daha verimli ve mantıklı yapmaya. Keşfedilen her şey gibi geliştirme ve üretim süreci oldukça sıkıntılı. Bunu da şöyle düşünün, Graham Bell ilk telefonu icat ettiğinde elimizdeki dokunmatik telefonlara evrileceğinden haberi yoktu. Bizler ise aslında bu keşfin getireceği inanılmaz imkânların farkındayız ama aceleciyiz. Tarih sahnesine bakıldığında 50 – 100 yıllık süreler aslında çok kısa. İlk uçak havada uçtuktan 100 yıl sonra bugün bile Mars’a bir uzay aracını zar zor gönderebiliyoruz.

Fransa'da bulunan ITER Füzyon Laboratuvarı
Gelecek 100 yıl çok çetin geçeceği kesin. İnsanlık bir yarış halinde. Hem kendisiyle hem de evren ile. Bunun için açılmış laboratuvarlara kısaca bir göz atalım. Kore, KSTAR adındaki laboratuvarında bu füzyon tepkimelerini gerçekleştirmeye çalışıyor. Fransa’da ITER adı verilen ve lazerler ile değil de daha farklı bir ortam kullanılarak atomları birleştirmeye çalışıyorlar. Çin’de EAST adı verilen bir yerde daha şimdiden bu füzyonu gerçekleştirebilecekleri 70 milyon santigrat dereceye ulaştılar.

Bunlar daha başlangıç. İki hidrojen atomunu birleştirmek, uranyumu parçalamaktan çok daha zor ama bu verimli ve sürekli şekilde yapıldığında artık enerji ihtiyacı diye bir şey kalmayacak. Tarihin ilk zamanlarından beri değinmeye çalıştığımız enerji ihtiyacını bir düşünün. Gelişen tüm teknoloji enerjiye bel bağlamış durumda. Yıldızlararası seyahat şöyle bir dursun daha en yakın gezegenlerimize bile kolayca gidemiyoruz. Eğer enerjiye olan bağımlılığımız ortadan kalkar ve teknolojiyi daha ileri taşıyabilirsek neler olabileceğini bir düşünün.

Nükleer tepkimeler ilk keşfedildiğinde dünya savaşa girdi, bombalar yapıldı, milyonlar öldü ve hastalandı. Umarız bu sefer keşfedilmenin arifesindeki bu çok büyük enerji, daha iyi amaçlar için kullanılır ve insanlığa fayda sağlar. 

Kaynaklar:

Prof. Dr. Sacit Özdemir, AST410 Yüksek Enerji Astrofiziği Ders Notu, Ankara Üniversitesi, 2018.

Prof. Dr. Sacit Özdemir, AST403 Yıldızların İç Yapısı ve Evrimi Ders Notu, Ankara Üniversitesi, 2018.

©2022 Beyhan&Beyhan Business Solutions Tüm Hakları Saklıdır
Yukarı Kaydır
BUNU OKUMAK İSTER MİSİN?