Enerji üretimi için termonükleer füzyon

Eğer son yıllarda teknoloji yatırım haberlerini takip ettiyseniz, büyük yatırım fonlarının, Jeff Bezos ve Bill Gates gibi etkili iş insanlarının, gelecekte enerji üretiminde devrim potansiyeli olduğu düşünülen bazı füzyon start-up’larına ciddi yatırımlar yapmakta olduğunu farketmiş olabilirsiniz. Evet, bu çeşit, daha ortada çalışan ve enerji üreten bir prototipin olmadığı teknolojiler, yatırımcı açısından yüksek risk oluştursa da, vaat ettikleri atılımın önemi ve büyüklüğü açısından özellikle böyle riskli girişimlere para yatırma lüksüne sahip büyük yatırımcılar için ilginç bir perspektif sunabilir. Uzun yıllardır sadece devlet desteğiyle gelişip ilerleyen, bu neredeyse temel bilim alanı da, bu sayede yeni bir bahar yaşıyor.

 

İki bölüm olarak hazırladığımız bu yazının aşağıda sunduğumuz ilk bölümünde füzyonun fiziği  anlatılıyor ve füzyonla enerji üretmenin avantajlarına ve zorluklarına değiniliyor. İkinci bölüm ise füzyonun tarihçesiyle başlayıp devlet destekli reaktör çalışmalarını, bunların en büyüğü olan ITER’i, füzyona yatırım yapan şirketlerin çalışmalarını anlatıyor ve füzyondan enerji üretmeye ne kadar yakın olduğumuzu değerlendiriyor.

Füzyon nedir? 

Füzyon, batı dillerinde birleşmek, birbiri içinde kaynaşmak anlamında kullanılır. Etimolojik kökü ingilizcedeki dökümhane anlamına gelen foundry kelimesinin de kökü olan eritmek, dökmek anlamındaki latince “fundere” fiilinin geçmiş zaman çekimi olan fusio sözcüğünden gelir. Fizikte iki hafif atomun nükleer reaksiyona girerek birleşmesi demektir. Kural olarak, nükleer reaksiyon öncesindeki atomların kütlesi, reaksiyon sonrası ortaya çıkan parçacıkların kütlesinden bir parça daha fazla olduğundan, bu kütle farkı enerjiye dönüşerek açığa çıkar. Füzyon reaksiyonunda açığa çıkan enerjinin, Einstein’in meşhur $Ε=mc^2$ formülünü kullanarak, kaybolan kütle ve ışık hızının (yani $c$) karesiyle orantılı olduğunu bulabiliriz. Işık saniyede yaklaşık 300 milyon metre yol katettiğine, yani $c^2$ niceliksel olarak çok büyük bir katsayı olduğuna göre, füzyon reaksiyonunda kaybolan çok az bir kütle çok büyük bir enerji açığa çıkarır.

Temel fizik açısından nükleer reaksiyonlar (ki füzyon bir nükleer birleşme reaksiyonudur), en verimli reaksiyonlardır. Tabii ki bu reaksiyonu pratikte yapmak ve bir enerji kaynağı olarak kullanmak farklı şeyler. İşte bu aşamada gerçekleşen önemli verim kayıpları, füzyon reaksiyonundan enerji elde edilmesini zorlaştıran, elde edildiğinde verimliliğini diğer klasik enerji kaynaklarıyla benzer seviyelere indiren sebeplerden birisi.

Pratikte, en verimli ve kullanılabilir füzyon reaksiyonu hidrojenin izotopları olan deteryum ve trityum atomları arasında olan füzyon reaksiyonudur:

D-T reaksiyonu:

$$_{1}^{2}D+_{1}^{3}T\rightarrow_{2}^{4}He+n^{0}+17,6MeV$$

Yani bir döteryum atomu bir trityum atomuyla nükleer olarak kaynaştığında, bir Helyum atomuyla birlikte bir nötron ve 17,6 MeV enerji açığa çıkar.^[1]1 MeV yaklaşık 1,6 × 10⁻¹³ Joule’dur Dikkat edelim, bu tek bir nükleer reaksiyonda açığa çıkan miktar. Bir füzyon reaktöründe metreküpte yaklaşık $10^{20}$ hidrojen izotopu bulunur ve yeterli sıcaklığa ulaşıldığında bunların belli bir oranı füzyon reaksiyonuna girecektir. Büyükçe bir reaktörde^[2]örneğin ITER’in hacmi 830 $m^3$ dir- bkz. ITER projesi http://www.iter.org saniyede 10²⁰ kaynaşma reaksiyonu olması durumunda potansiyel olarak ortaya çıkabilecek enerji rahatlıkla saatte yüzlerce megawatt’ı bulur. Ayrıca gerçekten ticari hale getirildiğinde, potansiyel olarak füzyon enerjisi, yakıt sağlandığı sürece kesintisiz bir enerji kaynağı olabilir.

D-T reaksiyonu, esas olarak hidrojen bombası ya da füzyon bombası denilen yüksek teknoloji nükleer bombaların kullandığı temel reaksiyondur. Benzer bir reaksiyon olan proton-proton zincir reaksiyonu da Güneş’in bitip tükenmeyen enerjisinin kaynağıdır. Bu iki örneğin de gösterdiği gibi füzyon reaksiyonu fiziksel açıdan basit bir gerçeklik. Füzyon enerjisini dünyada kullanabilmekteki zorluk ise reaksiyonu başlatmakta değil, enerji üretimi amacıyla kontrol altında gerçekleştirmekte.

Füzyondaki kontrol meselesi

Füzyon reaksiyonunu tetiklemek için hidrojen izotoplarının birbirine çarpmasını sağlamamız gerek. Gazların genel olarak sıcaklığını ve yoğunluğunu artırdığımızda rasgele hareketleri dolayısıyla çarpma sıklığı ve enerjileri artar. Ancak belli bir sıcaklığın ötesinde atomlar nötr kalamaz, elektronlar ve protonlar birbirinden ayrışarak plazma dediğimiz iyonize gaz durumuna geçer.^[3]Maddenin bu durumuna bazen maddenin dördüncü hali de diyoruz. Plazma içersinde iyonize olmuş artı yüklü hidrojen izotoplarını birleştirmeye kalkıştığımızda aynı yükler birbirini ittiği için Coulomb bariyerini geçecek yüksek enerjiler gerekir. Bu da dünyadaki şartlarda, Güneş’in çekirdeğinden bile daha yüksek sıcaklıklar demektir.^[4]External heating systems, ITER websitesi, https://www.iter.org/machine/supporting-systems/external-heating-systems

Hidrojen bombası örneğinden bildiğimiz gibi, füzyon reaksiyonunun başlatılması teknik olarak mümkün ve fiziksel olarak beklediğimiz gibi çok büyük bir enerji açığa çıkarıyor. Ancak bunu elektrik enerjisine çevirmek için bu çıkan enerjiyi kontrollü bir şekilde yakalayıp, onunla bir türbin vs. çevirip elektrik üretmek gerekiyor. Bunun için de reaksiyonun patlama şeklinde olması işimize gelmiyor. Üretilen enerjinin kontrollü bir ortamda ısıya dönüştürülmesi gerekiyor. Bu arada plazmanın yüksek sıcaklığı dolayısıyla herhangi bir malzemeyle temasının malzemenin erimesine yol açacağını da unutmayalım. Bu kadar sıcak bir maddeyi kontrol edebilmek, çözümü hayli zor bir problem.

Neyseki yüklü parçacıklar manyetik alandan etkileniyor. Yüklü parçacıkların manyetik alan yönünde hareketleri değişmez ama alana dik yönde dönme hareketi yaparlar.

Füzyon reaktörlerinin çoğu işte bu özelliği kullanır,  plazmayı manyetik alan ile hapsederek duvarlarla temasını önleyecek şekilde tasarlanmıştır.^[5]Bu tür tasarımlar “magnetic confinement- manyetik hapsetme” diye adlandırılır. Bir de “inertial confinement – eylemsizlikle hapsetme” diye adlandırılan tasarımlar söz konusu. Eylemsizlikle hapsetmede, içinde hidrojen izotopları olan bir kapsül güçlü laserler ile bombardımana tutulur, kapsülün yüzeyi hızla buharlaşırken iç kısmı aniden ve hızla çöker ve füzyon başlar. Bu yazıda da daha çok kullanılan ve daha çok ümit vadeden bu manyetik hapsetme teknolojilerine odaklanıyoruz. Prensipte plazmayı hapsedeceğimiz torus şeklinde bir manyetik alan oluşturursak plazmayı bunun içinde ısıtabilir, füzyon reaksiyonu başladığında da bu şekilde kontrol altında tutmaya devam edebiliriz.  Fakat plazma halindeki maddenin kolektif  davranışı son derece karmaşıktır ve dolayısıyla kontrol işi de o kadar kolay değildir.

Füzyon pratikte bir temel fizik problemidir

Enerji amacıyla füzyon çalışmaları, tümüyle teknolojik bir problem olarak görünse de, hem tarihsel olarak hem de önüne çıkan teknik problemlerin çözümlerinin, hatta bazen anlaşılmasının zorluğu sebebiyle pratikte bir temel fizik problemidir. Plazma fiziği temel bilim açısından oldukça karmaşık ve zor problemlerden oluşur. Örneğin tokamaklarda temel amaçlardan biri, ısıyı mümkün olduğu kadar aparatın orta kısmında yoğunlaştırıp, duvarlardan uzak tutmaktır. Bu, homojen olmayan bir sıcaklık dağılımına yol açar. Homojen olmayan sıcaklık dağılımı da plazmanın içinde salınım ve benzeri rasgele haraketler oluşturur; buna türbülans diyoruz. Bu hareketler de sonuç olarak plazmaya sağlanan ısının duvarlara doğru kaybedilmesine neden olur. Türbülans sebebiyle ısı yayılımı (turbulent heat transport) diye adlandırdığımız bu fenomenin tarifi veya hesaplanması son derece karmaşıktır.  Bu sebeple plazma türbülansı tümüyle ayrı bir çalışma alanı haline gelmiş ve ayrı bir teorik disiplin olmuş durumda. Bu disiplinin füzyon dışında uygulama alanları da pek çok; örneğin Güneş rüzgarı, detayları farklı da olsa, bu tarz bir türbülansı beraberinde getiriyor. Ya da astrofiziksel nesnelerde plazma türbülansı pek çok olguyu açıklamak amacıyla kullanılıyor. Bu tarz türbülansı en detaylı şekilde inceleyen bilim insanları da genelde füzyon alanında çalışan teorik fizikçiler.

Basit nötr sıvı ve gazlarda bile türbülans bugün bilimin çözemediği en önemli problemler arasında. Nobel ödüllü ünlü fizikçi Richard Feynman türbülans için “klasik fiziğin, çözülememiş en önemli problemidir” demiştir. Bu iki konuda da çalışmış olan ünlü fizikçi Werner Heisenberg’in “Ölüp tanrıya kavuştuğumda ona soracağım iki soru olacak: Neden görelilik?  Ve neden türbülans?  Eminim birincisine bir cevabı olacaktır.” dediği iddia edilir. Plazma türbülansı normal gaz türbülansından da daha zor bir konudur çünkü normal gaz türbülansının elektromanyetik alanlarla etkileşmesiyle çok daha kompleks bir yapıya bürünmesi durumudur. Plazma türbülansı için kullanılan denklemler tümüyle basitleştirilip bütün kinetik etkiler, elektrik ve manyetik salınımlar yok varsayıldığında (ki gerçekçi bir plazma bundan çok daha karmaşıktır) sıvı ve gazların dinamiğini tarif eden Navier-Stokes denklemleri elde edilir. Plazma fiziği için gerçekçi olmayacak derecede basit bir formülasyon olan bu denklemler bile henüz çözülememiştir. Bu denklemlerin çözümü veya yalnızca sonlu zamanda tekillik oluşturduğunun tartışmasız ispatı Clay Matematik Enstitüsü tarafından belirlenen “milenyum ödülü” denilen ve çözümüne 1 milyon dolar verilen problemlerden birisi.

Füzyon reaktörlerinde yakıt 

Füzyon yakıt olarak hidrojenin izotoplarını kullanır. En verimli reaksiyon olan D-T reaksiyonundaki izotoplardan döteryum, doğada (mesela deniz suyunda) bulunan hidrojen atomlarının içinde %0,016 oranında bulunuyor, yani enerji amacıyla kullanılarak bitmeyecek kadar çok var.^[6]What is deuterium? International Atomic Energy Agency, https://www.iaea.org/newscenter/news/what-is-deuterium, Erişim: Mayıs 2025.

Trityum ise şu an için sadece yüksek seviye nükleer silahlar için kullanıldığından dolayı edinmesi oldukça karmaşık ve pahalı bir madde. Dünya’nın sivil trityum kaynakları 25 kg civarında ve neredeyse tümü, Kanadalılar tarafından 50’lerde ve 60’larda yapılan daha sonra Romanya, Güney Kore vs. gibi başka ülkelerin de inşa ettiği CANDU tipi ağır su kullanan nükleer santrallerde yan ürün olarak ortaya çıkıyor.^[7]Tritium Breeding, Korea and Europe enter partnership, ITER website, https://www.iter.org/node/20687/korea-and-europe-enter-partnership   Kanada ise bu santralleri kapatmayı planlıyor.  Yani, füzyon ile enerji üretiminin önündeki en büyük engellerden biri de teknik problemler çözüldükten sonra, trityuma ulaşım olacak. Ancak füzyon reaktörlerinin ticari hale gelmesiyle trityum üretiminin büyük oranda ucuzlaması ve trityumun ulaşılması kolay hale gelmesi umuluyor.

Bu sebeplerle ve ortaya çıkan enerjinin daha düşük olması dolayısıyla kontrolünün kolaylığı nedeniyle şu an deneysel amaçla yukardaki denklemle verilen D-T nükleer reaksiyonu yerine, iki döteryumun kaynaşmasına dayanan D-D reaksiyonu kullanılmakta.

D-D reaksiyonu:

$$_{1}^{2}D+_{1}^{2}D\rightarrow_{1}^{3}T+p^{+}+4,03MeV$$

Denklemde de görüldüğü üzere bu reaksiyonun yan ürünleri bir trityum ve bir serbest protondur. Şu an araştırma merkezlerinde füzyon için kullanılan D-D reaksiyonu, trityum üretmek için de kullanılabilir.

Nükleer santrallerle karşılaştırırsak, fisyon için kullanılan ve sınırlı bir kaynak olan uranyum rezervleri 2020 itibariyle, bir kısmını çıkarmak çok pahalıya malolacak şekilde 8 milyon ton civarında.^[8]List of countries by uranium reserves, https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_countries_by_uranium_reserves, Erişim: Mayıs 2025   1 GW bir nükleer santralı bir yıl boyunca çalıştırmak için 20-40 kiloton arası uranyum madeni yaklaşık 28 ton uranyum yakıtına dönüştürülüp kullanılıyor ve sonuçta bunun %3’ü kadarı yani 800kg soğutma ve özel saklama gerektiren yüksek radyoaktif atık üretiliyor.^[9]Nuclear Energy Factsheet, University of Michigan, Center for Sustainable Systems, https://css.umich.edu/publications/factsheets/energy/nuclear-energy-factsheet Buna karşı eğer çalışan bir füzyon reaktörü yapmayı başarırsak 1GW için yılda 56 kg trityum gerekecek. Yeterli trityum kaynağı sağlayabilirsek çıkan atıklar reaktör alanında bir havuzda depolanabilecek boyutta olup büyük oranı reaktör kapandığında radyoaktifliğini çoktan kaybedecek türden olacak.

Dünyanın enerji ihtiyacını karşılamak için füzyona ihtiyacımız var

Bugün kullandığımız her tür “enerji” aslında Güneş’in çekirdeğinde iki protonun birleşmesiyle başlayan, proton zinciri denilen bir füzyon reaksiyonuyla üretilmiş, birçok farklı süreçten geçerek ve farklı şekillerde depolanarak bize ulaşırken, her aşamada verimini biraz daha kaybetmiş enerjidir.  Örneğin rüzgâr, Dünya’ya düşen güneş enerjisinin Dünya’nın atmosferinin her tarafını eşit olarak ısıtmaması sebebiyle oluşan hava haraketleridir. Fosil yakıtlar güneş enerjisini fotosentez yoluyla kullanarak büyümüş, veya bunları yiyerek beslenmiş biyolojik organizmaların ve bunların atıklarının milyonlarca yıl içinde fosilleşmiş halleridir.  Dolayısıyla, füzyon reaksiyonunu dünyada kontrol altında yapabilirsek enerji üretimi için en verimli yöntemlerden biri olacak, özelikle ürettiğimiz enerjiyi hemen kullanırsak.

Tabii füzyonla enerji üretimiyle, rüzgâr, güneş gibi yenilenebilir enerjileri, hatta karbondioksit salınımı sıfır olması açısından temiz enerji olarak değerlendirebileceğimiz nükleer enerjiyi rekabet içinde düşünmemek gerekli. Zira enerji kullanımı insanlığın refah düzeyinin belki de en net belirleyici göstergelerinden birisi.  Toplumdan topluma farklılık gösterse de, mesela Amerikalılar büyük arabaları, büyük evleriyle ulaşım ve ısıtmaya daha fazla enerji harcarken veya Katar, Birleşik Arap Emirlikleri gibi ülkeler sahip oldukları petrol yüzünden refahı fazla artırmadan ya da daha doğrusu düzgün şekilde paylaştırmadan, çok fazla enerji tüketebilmekteyken, mesela Japonlar veya Avrupalılar daha verimli teknolojileri tercih etmişler. Ancak fakirlik içinde yaşayan dünya nüfusunun yarısının, Avrupa/Japonya’nın, hadi bilemedin Türkiye/Yunanistan’ın refah seviyesine gelmesi için bile dünyanın toplam enerji tüketiminin ikiye veya üçe katlanması gerekiyor.  Yani bütün enerji türlerini kullandığımız durumda bile, herkesin insan gibi yaşayabilmesi için füzyona hâlâ ihtiyacımız var.

Yazının ikinci bölümünde füzyonun tarihçesini ve günümüze kadar olan gelişmeleri okuyabilirsiniz.

Plazma Fiziği Laboratuvarı, Ecole Polytechnique

Bu metin Creative Commons Atıf-GayriTicari 4.0 Uluslararası Lisansı ile lisanslanmıştır.  Görseller için altyazılarda belirtilen lisanslar geçerlidir.  Metin kullanım koşulları için tıklayınız.