Nükleer füzyon vaadi neden artık boş bir rüya değil?
Kulağa rüya gibi geliyor: Sera gazı veya radyoaktif atık üretmeyen neredeyse sınırsız bir enerji kaynağı. Bu, aşılmaz teknik zorluklar nedeniyle onlarca yıldır bir fanteziden başka bir şey olmayan nükleer füzyon vaadi. Ancak, burada Dünya'da su ısıtıcılarımız, arabalarımız ve ampullerimiz için güç sağlayabilecek yapay bir güneş yaratma yarışına dönüşen şeyde işler kızışıyor.
Günümüzün nükleer santralleri, atomların bölündüğü nükleer fisyon yoluyla elektrik üretiyor. Ancak nükleer füzyon, enerjiyi serbest bırakmak için atom çekirdeklerini birleştirmeyi içerir. Bu, Güneş'in çekirdeğinde meydana gelen reaksiyonun aynısıdır. Ancak atom çekirdekleri arasındaki doğal itmenin üstesinden gelmek ve füzyonun gerçekleşmesi için doğru koşulları sağlamak kolay değildir. Ve bunu reaksiyonun tükettiğinden daha fazla enerji üretecek şekilde yapmak, on yıllardır fizikteki en iyi zihinlerin kavrayışının ötesinde olmuştur.
Ama belki de daha uzun süre değil. Son birkaç yılda bazı önemli teknik zorlukların üstesinden gelindi ve dünyanın dört bir yanındaki hükümetler füzyon gücü araştırmalarına para akıtıyor. Ayrıca Birleşik Krallık, ABD, Avrupa, Çin ve Avustralya'da füzyon enerji üretimini gerçeğe dönüştüren ilk şirket olmak için yarışan 20'den fazla özel girişim var.
Güneydoğu Fransa'da inşa edilen Uluslararası Termonükleer Deneysel Reaktör'ün (ITER) bilim ve operasyon başkanı Dr Tim Luce , “İnsanlar, 'Eğer gerçekten nihai çözümse, işe yarayıp yaramadığını öğrenelim ' diyor.”
22 milyar dolarlık (15.9 milyar sterlin) inşaat maliyeti, AB, ABD, Çin ve Rusya dahil dünya nüfusunun üçte ikisinin hükümetleri tarafından karşılanıyor ve 2025'te ateşlendiğinde dünyanın en büyüğü olacak. İşe yararsa, ITER füzyon gücünü hayallerin malzemesi olmaktan uygulanabilir bir enerji kaynağına dönüştürecek.
Bir nükleer füzyon reaktörü inşa etmek
ITER, bir tokamak reaktörü olacak - füzyon gücü için en iyi umut olduğu düşünülüyor. Bir tokamak içinde, bir gaz, genellikle döteryum adı verilen bir hidrojen izotopu, yoğun ısı ve basınca maruz kalır ve elektronları atomlardan dışarı çıkmaya zorlar. Bu, yoğun manyetik alanlar tarafından tutulması gereken aşırı ısıtılmış, iyonize bir gaz olan bir plazma oluşturur.
Dünya üzerindeki hiçbir malzeme, füzyonun başlayabilmesi için plazmanın ulaşması gereken yoğun ısıya (100.000.000°C ve üzeri) dayanamayacağından, muhafaza hayati önem taşır. Güneş'in çekirdeğindeki ısının 10 katına yakındır ve bir tokamak'ta bunun gibi sıcaklıklara ihtiyaç vardır, çünkü Güneş'in içindeki yerçekimi basıncı yeniden oluşturulamaz.
Atom çekirdekleri kaynaşmaya başladığında, büyük miktarda enerji açığa çıkar. Şu anda işletmede olan deneysel reaktörler bu enerjiyi ısı olarak serbest bırakırken, bir füzyon reaktörlü elektrik santralinde ısı, türbinleri elektrik üretmeye yönlendirecek buhar üretmek için kullanılacaktır.
Tokamaklar denenen tek füzyon reaktörleri değil. Başka bir reaktör türü, füzyonu başlatmak için bir hidrojen yakıtını ısıtmak ve sıkıştırmak için lazerler kullanır. Ağustos 2021'de, Kaliforniya'daki Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı'ndaki Ulusal Ateşleme Tesisinde bulunan böyle bir cihaz, 1.35 megajul enerji üretti . Bu rekor kıran rakam, füzyon gücünü net enerji kazanımına bir adım daha yaklaştırıyor, ancak çoğu umut hala lazerlerden ziyade tokamak reaktörlerine bağlı.
Haziran 2021'de, Çin'in Deneysel Gelişmiş Süper İletken Tokamak (EAST) reaktörü , 120.000.000°C'de 101 saniye boyunca plazmayı korudu . Ondan önce rekor 20 saniyeydi. Nihayetinde, bir füzyon reaktörünün plazmayı süresiz olarak - veya en az elektrik talebinin yoğun olduğu dönemlerde en azından sekiz saatlik "darbeler" boyunca sürdürmesi gerekecektir.
Tokamaklar için gerçek bir oyun değiştirici, manyetik alanı üretmek için kullanılan mıknatıslar olmuştur. “Bakır veya diğer metal türlerinden çok yüksek manyetik alan oluşturan mıknatısların nasıl yapıldığını biliyoruz, ancak elektrik için bir servet ödersiniz. Bu, tesisten net bir enerji kazanımı olmaz,” diyor Luce.
Nükleer füzyon için bir yol, her ikisi de hidrojen izotopu olan döteryum ve trityum atomlarını kullanmaktır. İnanılmaz ısı ve basınç altında birleşirler ve ortaya çıkan ürünler enerjiyi ısı olarak serbest bırakır
Çözüm, elektrik direnci olmayan süper iletken telden veya 'banttan' yapılmış yüksek sıcaklıkta, süper iletken mıknatıslar kullanmaktır. Bu mıknatıslar yoğun manyetik alanlar oluşturabilir ve ısı olarak enerji kaybetmezler.
“Yüksek sıcaklık süper iletkenliği yaklaşık 35 yıldır biliniyor. Ancak makul bir füzyon bobini yapmak için gerekli olan uzunluklarda bant üretme kapasitesi yakın zamanda geliştirildi” diyor Luce. ITER'in mıknatıslarından biri olan merkezi solenoid, Dünya'nın manyetik alanının 280.000 katı olan 13 tesla'lık bir alan üretecek.
ITER'in vakum kabının, füzyonun gerçekleşeceği iç duvarları, dokundukları takdirde plazmayı fazla kirletmeyecek bir metal olan berilyum ile kaplanacaktır. Altta reaktör içindeki sıcaklığı kontrol altında tutacak saptırıcı bulunur.
Luce, "Yönlendirici üzerindeki ısı yükü bir roket memesindeki kadar büyük olabilir" diyor. "Roket memeleri çalışıyor çünkü birkaç dakika içinde yörüngeye girebiliyorsunuz ve uzayda hava gerçekten soğuk." Bir füzyon reaktöründe, bir saptırıcının bu ısıya süresiz olarak dayanması gerekecek ve ITER'de tungstenden yapılmış olanı test edecekler.
Bu arada ABD'de, Ulusal Küresel Torus Deneyi – Yükseltme (NSTX-U) füzyon reaktörü 2022 sonbaharında ateşlenecek. Önceliklerinden biri, reaktörün lityumla kaplanmasının plazmayı sabit tutmaya yardımcı olup olmadığını görmek olacak. .
Yakıt seçimi
ITER, füzyon yakıtı olarak sadece döteryumu kullanmak yerine, başka bir hidrojen izotopu olan trityum ile karıştırılmış döteryumu kullanacaktır. Döteryum-trityum karışımı, verilenden önemli ölçüde daha fazla güç elde etmek için en iyi şansı sunuyor. Füzyon gücünün savunucuları, teknolojinin güvenli olmasının bir nedeninin, füzyonun gerçekleşmesini sağlamak için yakıtın sürekli olarak reaktörü beslenmesi gerektiğini söylüyor.
Döteryum deniz suyundan çıkarılabilir, yani neredeyse sınırsız bir kaynak var. Ancak dünya çapında sadece 20 kg trityum olduğu düşünülüyor, bu nedenle füzyon santrallerinin bunu üretmesi gerekecek (ITER, trityumu 'üretmek' için teknoloji geliştirecek). Bir füzyon tesisinde bazı radyoaktif atıklar üretilecek olsa da, fisyondan itibaren binlerce yıl yerine yaklaşık 100 yıllık bir ömre sahip olacak.
Eylül ayında yazı yazılırken, Oxfordshire'daki Ortak Avrupa Torus (JET) füzyon reaktöründeki araştırmacılar, döteryum-trityum füzyon reaksiyonlarına başlayacaklardı. JET'in bilimsel program liderlerinden biri olan Dr Joelle Mailloux , " JET , ITER'in füzyon gücünü optimize etmek için bir dizi makine parametresi hazırlamasına yardımcı olacak" diyor . Bu parametreler, en iyi döteryum ve trityum kombinasyonunu bulmayı ve füzyon başlamadan önce mıknatıslardaki akımın nasıl arttığını belirlemeyi içerecektir.
JET'te ortaya konan zemin çalışması, ITER'in net enerji kazanımı elde etme çabalarını hızlandırmalıdır. ITER, Aralık 2025'te 'ilk plazma' üretecek ve sonraki on yılda tam güce ulaşacak. Plazma sıcaklığı 150.000.000°C'ye ulaşacak ve hedefi her 50 megavat giriş ısıtma gücü için 500 megavat füzyon gücü üretmek.
Luce, "ITER başarılı olursa, bilim hakkındaki şüphelerin hepsini olmasa da çoğunu ortadan kaldıracak ve teknoloji geliştirme için parayı serbest bırakacaktır" diyor. Bu teknoloji geliştirme, aslında elektrik üreten gösteri füzyon santralleri olacak. “ITER kapıyı açıyor ve evet, bu işe yarıyor – bilim orada” diyor.