Nükleer füzyon, özetlemek gerekirse atom çekirdeklerinin birleşerek daha ağır bir çekirdek oluşturması ve bu sırada büyük oranda enerji açığa çıkarması vakasıdır. Güneş ve öteki yıldızların enerji deposu olan nükleer füzyon, insanlık için de temiz, güvenli ve ucuz bir enerji alternatifi sunmaktadır. Bu makalede nükleer füzyonun ne olduğu, yararları, zorlukları, örnekleri, uygulamaları, geleceği, Türkiye’deki durumu ve temiz enerjinin geleceği ile ilişkisi anlatılacaktır.
Nükleer Füzyon Nedir?
Nükleer füzyon, iki yada daha çok hafifçe atom çekirdeğinin, çoğu zaman deuterium(Döteryum) ve trityum (hidrojen varyantları) şeklinde, bir yada daha çok değişik atom çekirdeği ve alt atomik parçacık (nötron yada proton) oluşturmak suretiyle birleştirildiği bir reaksiyondur.
Reaktanlar ile ürünler arasındaki kütle farkı, ya enerjinin salınması ya da emilmesi şeklinde ortaya çıkar. Bu kütle farkı, reaksiyondan ilkin ve sonrasında atom çekirdekleri arasındaki nükleer bağlanma enerjisi farkından oluşur. Nükleer füzyon, büyük oranda enerji salınan etken yada ana dizi yıldızlarının ve öteki yüksek büyüklükteki yıldızların enerjisini elde eden süreçtir
Füzyon reaksiyonları, plazma isminde olan bir madde halinde gerçekleşir – pozitif iyonlar ve özgür hareket eden elektronlardan oluşan sıcak, yüklü bir gazdır. Plazma, katı, sıvı yada gazlardan değişik benzersiz özelliklere haizdir. Güneş, öteki tüm yıldızlar şeklinde bu reaksiyonla çalışır.
Güneşimizde füzyon gerçekleşmesi için çekirdeklerin birbirleriyle son aşama yüksek sıcaklıklarda, ortalama on milyon aşama Santigrat’ta çarpışması gerekir. Yüksek ısı onlara karşılıklı elektriksel itme kuvvetini aşmak için kafi enerji sağlar. Çekirdekler birbirine oldukca yakın bir mesafeye ulaştığında, aralarındaki çekici nükleer kuvvet elektriksel itmeden daha ağır basar ve onların füzyona girmesine izin verir. Bunun için çekirdeklerin ufak bir alanda sıkıştırılması gerekir ki çarpışma şansı artar. Güneşte, devasa yerçekimi tarafınca üretilen aşırı tazyik füzyon için lüzumlu koşulları yaratır.
Nükleer Füzyonun Yararları
Nükleer füzyonun, enerji üretimi için kullanılabilecek bir yöntem olarak birçok pozitif yanları vardır. Bunlardan bazıları şunlardır:
Nükleer füzyon zararı olan atık oluşturmaz. Nükleer fisyon, güvenli bir halde depolanması ihtiyaç duyulan nükleer atık oluşturur. Buna karşılık nükleer füzyonun tek yan ürünü helyumdur: inert, toksik olmayan bir gazdır.
Nükleer füzyon için sonsuz oranda yakıt vardır. Nükleer füzyonun ana bileşeni olan deuterium, okyanus suyundan damıtılabilir. Sürecin öteki bileşenleri ise kolayca bulunabilir yada yapılabilir. Netice olarak, gezegenimiz için enerji kaynakları yaratmak için kullanılabilecek sonsuz oranda yakıt vardır.
Oluşturması inanılmaz derecede ucuzdur. Nükleer füzyondan enerji sağlamanın tahmini maliyeti bir tek kilovat saat başına 0,03 dolardır. Bu, insanların bugüne dek keşfettiği en ucuz enerji biçimlerinden biri yapar.
Düşük riskli bir enerji biçimidir. Nükleer fisyon kullanıyorsanız, atomları bölüyorsunuz ve bu da tehlikeli bir zincir reaksiyonu oluşma ihtimalini yaratır. Fosil yakıtlara ve bunlardan meydana getirilen enerji ürünlerine devamlı maruz kalmak da kişisel sıhhat üstünde negatif bir etkiye haiz olabilir. Nükleer füzyon bir tek kolayca denetim edilebilir değil, hem de bugün dünyada kullanılan öteki büyük enerji yaratma biçimlerinden oldukca daha güvenlidir.
Küresel ısınma enerji kaybı olmadan hala engellenebilir. Helyum, hava durumu döngülerini değiştirdiğine inanılan sera gazlarından biri değildir. Bu, gezegenin iyileşmeye devam edebileceği ve bunu yapmak için enerji seviyelerinden fedakarlık etmemiz gerekmeyeceği anlamına gelir
Nükleer Füzyonun Zorlukları
Nükleer füzyonun, enerji üretimi için kullanılabilecek bir yöntem olmasının önünde birçok güçlük vardır. Bunlardan bazıları şunlardır:
Füzyon gücüne ulaşmanın zorluğu. Güneş ve yıldızlarda, yüksek sıcaklıklar ve kuvvetli yerçekimi kuvvetleri organik olarak bir füzyon ortamı hazırlar. Sadece dünyada bu koşulları sağlamak için devasa yükseklikte tazyik ve mıknatıslar şeklinde karmaşık teknolojiler gereklidir. Füzyon için lüzumlu olan plazmayı oluşturmak ve sürdürmek de oldukca fazla enerji gerektirir. Şu anda, füzyon reaksiyonuyla elde edilmiş enerji miktarı, bunu yapmak için harcanan enerji miktarından oldukca azca fazladır.
Radyoaktif atıklar. Nükleer füzyon reaktörleri, nükleer fisyon reaktörlerine kıyasla oldukca daha azca ve daha kısa ömürlü nükleer atık üretir. Sadece bu atıkların da güvenli bir halde depolanması ve işlenmesi gerekir. Ek olarak, füzyon reaktörlerinin duvarlarında kullanılacak malzemelerin de radyoaktif hale gelmesi ve sık sık değiştirilmesi gerekir.
Ergonomik enerji sonuçlarının hala ulaşılamaz olması. Nükleer füzyonun enerji deposu olarak kullanılabilmesi için hemen hemen birçok bilimsel ve teknik problem çözülmesi gerekmektedir. Şu anda dünyada çalışan hiçbir füzyon reaktörü yoktur. En büyük füzyon projesi olan ITER, Fransa’da inşa edilmektedir ve 2035 senesinde ilk plazma deneylerine başlaması planlanmaktadır. Sadece ITER’in kendisi bir enerji santrali değil, bir tek bir araştırma tesisi olacaktır. Ticari olarak uygun bir füzyon santralinin inşa edilmesi ise minimum 2050 yılına kadar mümkün görünmemektedir.
Nükleer Füzyonun Örnekleri
Nükleer füzyon, doğada ve laboratuvarda gerçekleşebilen birçok örneğe haizdir. Bunlardan bazıları şunlardır:
Güneşin çekirdeği
Füzyonun en iyi örneği güneşin çekirdeğinde görülebilir. Güneşin çekirdeğinde, hidrojen izotopları olan deuterium ve trityum birleşerek helyum oluşturur. Bu sırada oldukca büyük oranda ısı enerjisi açığa çıkar. Averaj olarak, güneşte saniyede 600 milyon ton hidrojen helyuma dönüşür.
Hidrojen füzyon reaksiyonları
Hidrojen atomlarının bir araya gelmiş olarak enerji ürettiği bir füzyon reaksiyonudur. Bu tepki yıldızlarda yüksek tazyik ve ısı koşullarında gerçekleşir. Hidrojen periyodik tablonun en hafifçe elementidir. Helyum ise hidrojenden sonrasında gelen en hafifçe elementtir. Reaksiyondan ilkin ve sonrasında nükleer bağlanma enerjisindeki fark, kütle farkı olarak ortaya çıkar ve bu da enerji salınımına niçin olur.
Deuteriumun füzyonu
Deuterium hem de ağır hidrojen olarak da bilinir. İki deuterium çekirdeğinin bir araya gelmiş olarak bir helyum çekirdeği oluşturduğu bir füzyon reaksiyonudur. Bu füzyonda da oldukca büyük oranda ısı enerjisi açığa çıkar. Bu enerji, tepki esnasında kaybolan kütle ile enerji arasındaki dönüşümden oluşur. Bu Einstein’ın formülü ile açıklanabilir. Aşağıdaki tepki bu füzyonu göstermektedir.
1H2 + 1H2 → 2He4 + Enerji
Deuterium ve trityumun füzyonu
Bu füzyonda deuterium ve trityum bir araya gelmiş olarak helyum ve süratli bir nötron oluşturur. Nötronun kinetik enerjisi, daha ağır izotopların oluşumu esnasında kaybolan kütle ile enerji arasındaki dönüşümden oluşur. Aşağıdaki tepki bu füzyonu göstermektedir.
1H2 + 1H3 → 2He4 + 0n1 + Enerji
Elementlerin oluşumu
Periyodik tabloda bulunan demir ve nikel şeklinde elementler de nükleer füzyonun bir sonucu olarak oluşabilir. Bu şekilde bir element oluşumu çoğu zaman enerjinin verilmesi yada ekzotermik bir süreç ile birlikte rol alır.
Nükleer Füzyon Uygulamaları
Nükleer füzyonun, enerji üretimi haricinde da çeşitli uygulama alanları vardır. Bunlardan bazıları şunlardır:
Nükleer silahlar. Nükleer füzyonun ilk uygulaması termonükleer bombalar yada hidrojen bombalarıdır. Bu bombalar, nükleer fisyon ile başlatılan ve nükleer füzyon ile devam eden bir zincir reaksiyonu kullanarak oldukca büyük oranda enerji açığa çıkarır. Bu enerji hem ısı hem de patlama dalgası şeklinde ortaya çıkar. Nükleer füzyon bombalarının patlama gücü megatonlar yada gigatonlar ile ölçülür.
Yıldızların evrimi. Nükleer füzyon, yıldızların içindeki enerji deposudur. Yıldızlar, hidrojeni helyuma dönüştürerek değişik aşamalardan geçerler. Bu süreçte nükleosentez isminde olan daha ağır elementlerin oluşumu da gerçekleşir. Yıldızların hacmi ve sıcaklığına bağlı olarak değişik füzyon reaksiyonları meydana gelir. Mesela, güneş proton-proton zinciri isminde olan bir reaksiyonla hidrojeni helyuma dönüştürürken, daha büyük yıldızlar karbon-nitrojen-oksijen döngüsünü kullanır.
Enerji üretimi. Nükleer füzyonun en mühim uygulaması enerji üretimi için kullanılmasıdır. Nükleer füzyon, temiz, güvenli ve ucuz bir enerji deposu sağlayabilir. Nükleer füzyon reaktörleri, sera gazı emisyonu yapmaz ve oldukca azca oranda radyoaktif atık üretir. Ek olarak, nükleer fisyona nazaran daha azca riskli ve daha kolay denetim edilebilir bir süreçtir. Nükleer füzyon için yakıt olarak kullanılacak hidrojen izotopları da dünyada bolca oranda bulunur. Sadece nükleer füzyon reaktörlerinin inşa edilmesi ve çalıştırılması için hemen hemen birçok teknik güçlük vardır.
Nükleer Füzyonun Geleceği
Nükleer füzyon, insanlığın enerji ihtiyacını karşılamak için büyük bir potansiyele haizdir. Sadece bu potansiyeli gerçekleştirmek için hemen hemen çözülmesi ihtiyaç duyulan birçok bilimsel ve teknolojik problem vardır. Bu sorunların bazıları şunlardır:
Füzyon reaktörlerinin tasarımı ve optimizasyonu. Füzyon reaktörleri, plazmayı sıcak ve yoğun tutmak için kuvvetli mıknatıslar ve ısıtma sistemleri gerektirir. Bu sistemlerin verimli ve güvenli bir halde emek vermesi için gelişmiş malzemeler, süperiletkenler, soğutucular ve denetim mekanizmaları geliştirilmesi gerekir. Ek olarak, füzyon reaktörlerinin ekonomik olarak rekabetçi olması için maliyetlerin düşürülmesi ve ömrünün uzatılması da önemlidir.
Füzyon yakıtının üretimi ve depolanması. Füzyon reaktörleri için en uygun yakıt karışımı deuterium ve trityumdur. Deuterium okyanus suyundan kolayca elde edilebilirken, trityum doğada oldukca azca bulunur ve suni olarak üretilmesi gerekir. Trityum üretmek için nötron kaynağına gereksinim vardır. Bundan dolayı, füzyon reaktörlerinin kendileri trityum üretebilmeli yada başka bir kaynaktan sağlanmalıdır. Trityum ek olarak radyoaktif bir element olduğundan depolanması ve taşınması da hususi önlemler gerektirir.
Füzyon plazmasının fizyolojik özelliklerinin anlaşılması. Füzyon plazması, karmaşık ve dinamik bir sistemdir. Plazmanın davranışını etkileyen birçok unsur vardır, mesela ısı, yoğunluk, tazyik, akım, manyetik alan, türbülans, dalga etkileşimleri, istenmeyen parçacıkların girişi vb. Bu faktörlerin iyi mi optimize edileceği yada denetim edileceği mevzusunda hemen hemen tam bir bilgiye haiz değiliz. Plazma fizik teorisi ve modellemesi ile gözlem içinde uyum sağlamak da mühim bir zorluktur.
Bu sorunların çözümü için internasyonal ortaklık ve koordinasyon gereklidir. Dünyanın en büyük füzyon projesi olan ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), bu amaçla kurulmuş bir konsorsiyumdur. ITER’in ortakları içinde Avrupa Birliği ülkeleri, ABD, Çin, Rusya, Japonya, Hindistan ve Cenup Kore bulunmaktadır. ITER’in amacı 2035 senesinde ilk plazma deneylerine adım atmak ve 2050 senesinde net enerji kazancına ulaşmaktır. ITER’in başarısı, ticari füzyon santrallerinin inşasına yol açabilir.
Nükleer füzyonun geleceği parlak görünmektedir. Sadece bu geleceği gerçekleştirmek için daha oldukca emek harcama ve yatırım gerekmektedir. Nükleer füzyonun insanlığa sunmuş olduğu faydalar göz önünde bulundurulduğunda, bu çaba oldukça değerlidir.
Nükleer Füzyonun Türkiye’deki Durumu
Nükleer füzyon, Türkiye’de de ilgi gören bir araştırma alanıdır. Türkiye, 2008 senesinde ITER projesine iştirak etmiştir. Türkiye’nin ITER’deki görevi, füzyon reaktörünün inşası için lüzumlu olan bazı bileşenlerin tasarımı, üretimi ve testine katkıda bulunmaktır. Türkiye ek olarak, füzyon plazmasının özelliklerini incelemek için kullanılan bir aygıt olan tokamak tipi bir füzyon gözlem tesisi olan TURKEY-ITER’e haizdir. TURKEY-ITER, 2012 senesinde Ankara’da kurulmuştur ve halen çalışmalarına devam etmektedir.
Türkiye’nin nükleer füzyon alanındaki vizyonu, enerji ihtiyacını karşılamak için temiz ve sürdürülebilir bir enerji deposu olarak nükleer füzyondan yararlanmaktır. Bu amaçla, Türkiye nükleer füzyon araştırmalarına destek vermekte ve internasyonal işbirliğini teşvik etmektedir. Türkiye ek olarak, nükleer füzyon alanında nitelikli insan deposu yetiştirmek için eğitim ve burs programları sunmaktadır.
Nükleer füzyon, Türkiye’nin enerji güvenliği ve çevre koruma hedefleriyle uyumlu bir teknolojidir. Türkiye’nin nükleer füzyon alanındaki emek harcamaları, hem ulusal hem de küresel düzeyde mühim katkılar sağlayabilir.
Nükleer Füzyon İle Temiz Enerjinin Geleceği
Nükleer füzyon, enerji üretimi için kullanılabilecek bir yöntem olarak büyük bir potansiyele haizdir. Nükleer füzyon, temiz, güvenli ve ucuz bir enerji deposu sağlayabilir. Nükleer füzyon için yakıt olarak kullanılacak hidrojen izotopları da dünyada bolca oranda bulunur. Nükleer füzyon reaktörleri, sera gazı emisyonu yapmaz ve oldukca azca oranda radyoaktif atık üretir. Ek olarak, nükleer fisyona nazaran daha azca riskli ve daha kolay denetim edilebilir bir süreçtir.
Sadece nükleer füzyonun ergonomik olarak uygulanabilmesi için hemen hemen çözülmesi ihtiyaç duyulan birçok bilimsel ve teknolojik problem vardır. Bu sorunların çözümü için internasyonal ortaklık ve koordinasyon gereklidir. Dünyanın en büyük füzyon projesi olan ITER, bu amaçla kurulmuş bir konsorsiyumdur. ITER’in amacı 2035 senesinde ilk plazma deneylerine adım atmak ve 2050 senesinde net enerji kazancına ulaşmaktır. ITER’in başarısı, ticari füzyon santrallerinin inşasına yol açabilir.
Nükleer füzyonun geleceği parlak görünmektedir. Sadece bu geleceği gerçekleştirmek için daha oldukca emek harcama ve yatırım gerekmektedir. Nükleer füzyonun insanlığa sunmuş olduğu faydalar göz önünde bulundurulduğunda, bu çaba değerlidir.
Netice
Nükleer füzyon, güneşin sırrını çözmek ve temiz enerjinin anahtarını elde etmek için çalışan bilim adamlarının mühim bir hedefidir. Nükleer füzyonun çevre dostu, güvenli ve ucuz bir enerji deposu olması, elektrik üretimi, hidrojen yakıtı ve tıbbi tedaviler şeklinde pek oldukca alanda uygulanabilir olması, ticari reaktörler, ufak modüler reaktörler ve yıldızlara erişme şeklinde coşku verici gelecek vizyonları sunması sebebiyle nükleer füzyon oldukca kıymetli bir araştırma mevzusudur.
Türkiye’de nükleer füzyon alanında mevcut emek harcamalar yapmakta, internasyonal işbirlikleri kurmakta ve potansiyel fırsatlar yakalamaya iş yapmaktadır. Nükleer füzyon ile temiz enerjinin geleceği içinde kuvvetli bir bağ vardır. Nükleer füzyon yardımıyla küresel ısınma ile savaşım etmek, enerji bağımsızlığı sağlamak ve ekonomik kalkınma elde etmek mümkün olabilir.
Kaynakça:
APECSEC. (2015). 10 Advantages and Disadvantages of Nuclear Fusion.
Britannica. (2021). Nuclear fusion.
IAEA. (2021). What is Nuclear Fusion?
ITER. (2021). Turkey and ITER.
Lambda Geeks. (2021). 15+ Nuclear Fusion Examples: Detailed Explanations.
NS Energy Business. (2020). Nuclear fusion manufacturing: The challenges and opportunities for the industry.
Scribbr. (2021). Free APA Citation Generator | With APA Format Guide.
TÜBİTAK. (2012). ITER-TURKEY Project: Turkish Participation to ITER Project and Construction of a Tokamak Type Fusion Experiment Device in Turkey.