Dünyanın temiz elektriğe ihtiyacı var. İklim değişikliğinin önüne geçmek için kömür veya doğalgaz santrallerini kapatmak gerekiyor, ama alternatifi olan rüzgâr ve güneş enerjisi santrallerinde üretim sürekliliği sağlanamıyor. Rüzgâr kesildiğinde, hava bulutlu olduğunda veya gece çöktüğünde bunlardan elektrik elde edilemiyor. Barajlarsa çok pahalı ve çevreyi olumsuz etkiliyor. Nükleer enerji ise, Çernobil ve Fukuşima’da acı biçimde öğrendiğimiz gibi, yüksek radyasyon riski barındırıyor ve yüzyıllarca yok olmayan nükleer atık üretiyor.

5 Aralık’ta ABD’den gelen bir haber unutulmaya yüz tutmuş bir alternatif elektrik üretim yöntemini yeniden hatırlattı: Nükleer füzyon. Nükleer füzyon çalışmaları, “Güneşin enerji üretme yönetimini” taklit etmeyi, yani atom çekirdeklerinin yüksek sıcaklık ve basınçla birleştirirken çıkacak muazzam enerjiyi elektrik üretmek için kullanmayı amaçlıyor. Teoriye göre bu enerjiyi kullanmak üzere geliştirilecek bir “Füzyon Reaktörü”, kullanılmakta olan bütün enerji üretim sistemlerinden çok daha yüksek elektrik üretme kapasitesine sahip bir enerji üretim birimi olacak. Bu reaktör çevreye çok az zarar verecek ve enerjiyi çok ucuza ve sonsuz denecek bir süre boyunca üretebilecek. Ama bu iş o kadar kolay değil.

Nitekim, ABD füzyon Endüstrisi Birliği Başkanı Andrew Holland’ın verdiği bilgiye göre, 1950’lerden beri, füzyon teknolojisine ABD hükümeti yılda ortalama 700 milyon dolar ayırarak bu noktaya geldi, ama yine de bu teknolojinin hayata geçmesi için biraz daha zamana ihtiyaç var.

Füzyon nasıl oluşur?

Füzyon oluşturabilmek için hidrojen gibi temel ve basit yapılı elementlerin atom çekirdeklerini çok yüksek sıcaklık ve basınç altında birleşmeye zorlamak gerekiyor. Dünya genelinde onlarca bilim insanı 70 yıldır milyarlarca dolara mal olan füzyon deneyleri yapıyor, ama hiçbiri harcanan enerjiden daha yüksek enerji elde edemedi. Araştırmalar uzadıkça eleştiriler de arttı. “Füzyon için harcanan enerjiden daha fazla enerji elde ettiklerini” açıklayan Amerikalı bilim insanları bu gidişata bir son verebilir.

Peki, bu ne anlama geliyor?

İddia edildiği gibi “Her yerde bulunabilen basit bir malzemeden (belki de deniz suyundan) sınırsız, radyasyon risksiz ve nükleer atıksız elektrik” elde etmeye yakın mıyız? Bilime dergisi Nature’dan Jeff Tollefson ile Elizabeth Gibney, bu sorulara yanıt veren bir yazı kaleme aldılar. Yazıdan bazı bölümler aktarıyoruz:

“Dünyanın en büyük nükleer füzyon tesisindeki bilim adamları, ilk kez “ateşleme” (Ignition) olarak bilinen fenomeni başardılar. Tükettiğinden daha fazla enerji üreten bir nükleer reaksiyon yarattılar. ABD Ulusal Ateşleme Tesisi’nde (NIF) gerçekleştirilen çığır açıcı deney, küresel füzyon araştırma camiasını heyecanlandırdı. Ancak araştırmacılar, en son başarıya rağmen, bu hedefe ulaşmak için daha uzun bir yol olduğu konusunda uyarıyorlar.

Amerikalı bilim insanları neyi başardı?

NIF, ABD’nin nükleer silah programının bir parçası ve termonükleer patlamaları incelemek için tasarlanmış bir tesis. ABD Enerji Bakanlığı’na bağlı NIF, uzun yıllardır nükleer füzyon deneyleri de yapıyordu ve 2012 yılında hedefine ulaşmayı umuyordu. Başaramayınca ağır eleştirilere maruz kalmıştı.

NIF, Ağustos 2021’de füzyon deneyi için yüksek güçlü lazer cihazları kullanacağını açıkladı, ama sonraki aylarda bunların da yetersiz kaldığını duyurdu. Bilim insanları sonrasında deney tasarımını tümüyle değiştirdi ve Aralık 2022’de başarı geldi.

NIF, başarılı olan deneyinde 192 adet lazerle, içinde donmuş hidrojen izotopları bulunan bezelye büyüklüğünde bir altın silindire 2,05 megajul enerji yönlendirdi. Bu büyük enerji darbesi silindiri parçaladı ve yalnızca yıldızlarda ve termonükleer silahlarda görülen muazzam sıcaklık derecelerinin ortaya çıkmasına neden oldu. Hidrojen izotopları helyum ile kaynaşırken büyük bir enerji ortaya çıktı ve bir dizi füzyon reaksiyonu yarattı. Laboratuvara göre reaksiyon yaklaşım 3,15 megajul enerji ortaya çıkardı. Bu da reaksiyon için harcanan enerjiden yüzde 54 daha fazla. Son deneyde elde edilen enerji miktarı önceki rekor olan 1,3 megajulün iki katından fazla.

Bütün bunlar ne anlama geliyor?

Füzyon araştırmaları 1950’lerin başından beri sürüyor, ama laboratuvarda füzyonun tükettiği enerjiden daha fazlası ilk kez elde edildi. Bu büyük bir kilometre taşı, ama bu sadece “ateşleme” deneyiydi. Füzyon enerjisi cihazı ise henüz ortada yok. Bir lazer füzyon cihazı için atılması gereken çok adım var.

Öncelikle NIF, elektrik üretecek bir nükleer füzyon reaktörü geliştirmek için tasarlanmış bir laboratuvar değil, bir nükleer silah test laboratuvarı. Bilim insanları burada termonükleer silahların ısı ve basınç deneylerini yapıyor. Bu yüzden birçok araştırmacı lazer güdümlü füzyon deneyinin nihai olarak füzyon enerjisi sağlayan yaklaşım olacağından kuşku duyuyor. Yine de bu deney, lazer füzyonun gücünü göstermesi açısından önem taşıyor. Bu deney, bir “kavramsal kanıt” sunuyor ve bu tarzda bir “ateşlemenin” füzyon enerjisi reaktörlerin geliştirilebilmesinde kullanılabilmesinin yolunu açıyor.

Füzyon ve mühendislik sorunları

Dünya genelinde farklı yaklaşımlara başvurarak enerji elde etmek için epey füzyon deneyi yapılıyor. Ancak bunlarda birçok mühendislik sorunu yaşanmaya devam ediyor. Füzyonun ortaya çıkardığı ısıyı alıp önemli miktarda elektrik üretiminde kullanılabilecek bir tesisin (santralin) tasarımı bunların başında geliyor.

İngiltere’deki Cambridge Üniversitesi’nde nükleer enerji araştırmacısı olan Tony Roulstone, “Olumlu haber olmasına rağmen, bu sonuç elektrik üretimi için gerekli olan gerçek enerji kazanımından hâlâ çok uzak” dedi. Yine de MIT’de çalışan plazma fizikçisi Anne White’ın dediği gibi NIF deneyi ticari füzyon elektrik santraline giden yolda “çok değerli”.

Fransa’da yapım aşamasında olan, Rusya, AB, ABD, Çin, Güney Kore, Hindistan ve Japonya’nın katılımıyla oluşturulmuş, 22 milyar dolarlık Uluslararası Nükleer Füzyon Projesi ITER, kendi kendine yeten bir füzyon reaktörü geliştirmeyi hedefliyor ve NIF’in yaklaşımından farklı bir yaklaşım benimsiyor. ITER, biri kararlı diğeri radyoaktif hidrojen izotoplarını (döteryum ve trityum) bir dış koşullardan izole edilmiş odacığa hapsedip çekirdekleri birleşinceye kadar ısıtmak üzerinde duruyor. ITER’in hedefi 2035’te ilk “ateşlemeyi” gerçekleştirmek. Bu gerçekleştikten sonra ortaya çıkan ısı bir sonraki füzyon için kullanılacak ve reaktör kendi kendine ürettiği ısı ile füzyon gerçekleştirmeye başlayacak. Böylece füzyondan elde enerjinin bunun için harcanan enerjiden daha fazla olması garanti altına alınmış olacak.

NIF deneyi diğer füzyon deneyleri açısından ne anlama geliyor?

NIF ve ITER, dünya çapında takip edilen birçok füzyon teknolojisi kavramından ikisi. Bağımsız araştırmacılar, füzyondan elektrik üretmek için gereken teknolojinin konseptten büyük ölçüde bağımsız olduğunu ve en son dönüm noktasının araştırmacıların kavramları terk etmesine veya birleştirmesine yol açmayacağını söylüyor.

NIF’in karşılaştığı mühendislik zorlukları, ITER ve diğer tesislerdekinden farklı. Ancak sembolik başarının yaygın etkileri olabilir. Araştırmacılar bunun gibi bir sonuç, tüm füzyon türlerinin ilerlemesine olan ilgiyi artıracağına ve bu nedenle genel olarak füzyon araştırmaları üzerinde olumlu bir etkiye sahip olacağını düşünüyor.”

Bu yazı ilk kez 21 Aralık 2022’de yayımlanmıştır.

Jeff Tollefson ile Elizabeth Gibney’in Nature’da yayınladığı “Nükleer füzyon laboratuvarı ‘ateşleme’ sağlıyor: bu ne anlama geliyor?” başlıklı yazısından bazı bölümler Mustafa Alkan tarafından çevrilmiş ve editoryal katkısı ile yayına hazırlanmıştır. Yazının orijinaline aşağıdaki linkten erişebilirsiniz: Nuclear-fusion lab achieves ‘ignition’: what does it mean? (nature.com)

Dünyanın temiz elektriğe ihtiyacı var. İklim değişikliğinin önüne geçmek için kömür veya doğalgaz santrallerini kapatmak gerekiyor, ama alternatifi olan rüzgâr ve güneş enerjisi santrallerinde üretim sürekliliği sağlanamıyor. Rüzgâr kesildiğinde, hava bulutlu olduğunda veya gece çöktüğünde bunlardan elektrik elde edilemiyor. Barajlarsa çok pahalı ve çevreyi olumsuz etkiliyor. Nükleer enerji ise, Çernobil ve Fukuşima’da acı biçimde öğrendiğimiz gibi, yüksek radyasyon riski barındırıyor ve yüzyıllarca yok olmayan nükleer atık üretiyor.

5 Aralık’ta ABD’den gelen bir haber unutulmaya yüz tutmuş bir alternatif elektrik üretim yöntemini yeniden hatırlattı: Nükleer füzyon. Nükleer füzyon çalışmaları, “Güneşin enerji üretme yönetimini” taklit etmeyi, yani atom çekirdeklerinin yüksek sıcaklık ve basınçla birleştirirken çıkacak muazzam enerjiyi elektrik üretmek için kullanmayı amaçlıyor. Teoriye göre bu enerjiyi kullanmak üzere geliştirilecek bir “Füzyon Reaktörü”, kullanılmakta olan bütün enerji üretim sistemlerinden çok daha yüksek elektrik üretme kapasitesine sahip bir enerji üretim birimi olacak. Bu reaktör çevreye çok az zarar verecek ve enerjiyi çok ucuza ve sonsuz denecek bir süre boyunca üretebilecek. Ama bu iş o kadar kolay değil.

Nitekim, ABD füzyon Endüstrisi Birliği Başkanı Andrew Holland’ın verdiği bilgiye göre, 1950’lerden beri, füzyon teknolojisine ABD hükümeti yılda ortalama 700 milyon dolar ayırarak bu noktaya geldi, ama yine de bu teknolojinin hayata geçmesi için biraz daha zamana ihtiyaç var.

Füzyon nasıl oluşur?

Füzyon oluşturabilmek için hidrojen gibi temel ve basit yapılı elementlerin atom çekirdeklerini çok yüksek sıcaklık ve basınç altında birleşmeye zorlamak gerekiyor. Dünya genelinde onlarca bilim insanı 70 yıldır milyarlarca dolara mal olan füzyon deneyleri yapıyor, ama hiçbiri harcanan enerjiden daha yüksek enerji elde edemedi. Araştırmalar uzadıkça eleştiriler de arttı. “Füzyon için harcanan enerjiden daha fazla enerji elde ettiklerini” açıklayan Amerikalı bilim insanları bu gidişata bir son verebilir.

Peki, bu ne anlama geliyor?

İddia edildiği gibi “Her yerde bulunabilen basit bir malzemeden (belki de deniz suyundan) sınırsız, radyasyon risksiz ve nükleer atıksız elektrik” elde etmeye yakın mıyız? Bilime dergisi Nature’dan Jeff Tollefson ile Elizabeth Gibney, bu sorulara yanıt veren bir yazı kaleme aldılar. Yazıdan bazı bölümler aktarıyoruz:

“Dünyanın en büyük nükleer füzyon tesisindeki bilim adamları, ilk kez “ateşleme” (Ignition) olarak bilinen fenomeni başardılar. Tükettiğinden daha fazla enerji üreten bir nükleer reaksiyon yarattılar. ABD Ulusal Ateşleme Tesisi’nde (NIF) gerçekleştirilen çığır açıcı deney, küresel füzyon araştırma camiasını heyecanlandırdı. Ancak araştırmacılar, en son başarıya rağmen, bu hedefe ulaşmak için daha uzun bir yol olduğu konusunda uyarıyorlar.

Amerikalı bilim insanları neyi başardı?

NIF, ABD’nin nükleer silah programının bir parçası ve termonükleer patlamaları incelemek için tasarlanmış bir tesis. ABD Enerji Bakanlığı’na bağlı NIF, uzun yıllardır nükleer füzyon deneyleri de yapıyordu ve 2012 yılında hedefine ulaşmayı umuyordu. Başaramayınca ağır eleştirilere maruz kalmıştı.

NIF, Ağustos 2021’de füzyon deneyi için yüksek güçlü lazer cihazları kullanacağını açıkladı, ama sonraki aylarda bunların da yetersiz kaldığını duyurdu. Bilim insanları sonrasında deney tasarımını tümüyle değiştirdi ve Aralık 2022’de başarı geldi.

NIF, başarılı olan deneyinde 192 adet lazerle, içinde donmuş hidrojen izotopları bulunan bezelye büyüklüğünde bir altın silindire 2,05 megajul enerji yönlendirdi. Bu büyük enerji darbesi silindiri parçaladı ve yalnızca yıldızlarda ve termonükleer silahlarda görülen muazzam sıcaklık derecelerinin ortaya çıkmasına neden oldu. Hidrojen izotopları helyum ile kaynaşırken büyük bir enerji ortaya çıktı ve bir dizi füzyon reaksiyonu yarattı. Laboratuvara göre reaksiyon yaklaşım 3,15 megajul enerji ortaya çıkardı. Bu da reaksiyon için harcanan enerjiden yüzde 54 daha fazla. Son deneyde elde edilen enerji miktarı önceki rekor olan 1,3 megajulün iki katından fazla.

Bütün bunlar ne anlama geliyor?

Füzyon araştırmaları 1950’lerin başından beri sürüyor, ama laboratuvarda füzyonun tükettiği enerjiden daha fazlası ilk kez elde edildi. Bu büyük bir kilometre taşı, ama bu sadece “ateşleme” deneyiydi. Füzyon enerjisi cihazı ise henüz ortada yok. Bir lazer füzyon cihazı için atılması gereken çok adım var.

Öncelikle NIF, elektrik üretecek bir nükleer füzyon reaktörü geliştirmek için tasarlanmış bir laboratuvar değil, bir nükleer silah test laboratuvarı. Bilim insanları burada termonükleer silahların ısı ve basınç deneylerini yapıyor. Bu yüzden birçok araştırmacı lazer güdümlü füzyon deneyinin nihai olarak füzyon enerjisi sağlayan yaklaşım olacağından kuşku duyuyor. Yine de bu deney, lazer füzyonun gücünü göstermesi açısından önem taşıyor. Bu deney, bir “kavramsal kanıt” sunuyor ve bu tarzda bir “ateşlemenin” füzyon enerjisi reaktörlerin geliştirilebilmesinde kullanılabilmesinin yolunu açıyor.

Füzyon ve mühendislik sorunları

Dünya genelinde farklı yaklaşımlara başvurarak enerji elde etmek için epey füzyon deneyi yapılıyor. Ancak bunlarda birçok mühendislik sorunu yaşanmaya devam ediyor. Füzyonun ortaya çıkardığı ısıyı alıp önemli miktarda elektrik üretiminde kullanılabilecek bir tesisin (santralin) tasarımı bunların başında geliyor.

İngiltere’deki Cambridge Üniversitesi’nde nükleer enerji araştırmacısı olan Tony Roulstone, “Olumlu haber olmasına rağmen, bu sonuç elektrik üretimi için gerekli olan gerçek enerji kazanımından hâlâ çok uzak” dedi. Yine de MIT’de çalışan plazma fizikçisi Anne White’ın dediği gibi NIF deneyi ticari füzyon elektrik santraline giden yolda “çok değerli”.

Fransa’da yapım aşamasında olan, Rusya, AB, ABD, Çin, Güney Kore, Hindistan ve Japonya’nın katılımıyla oluşturulmuş, 22 milyar dolarlık Uluslararası Nükleer Füzyon Projesi ITER, kendi kendine yeten bir füzyon reaktörü geliştirmeyi hedefliyor ve NIF’in yaklaşımından farklı bir yaklaşım benimsiyor. ITER, biri kararlı diğeri radyoaktif hidrojen izotoplarını (döteryum ve trityum) bir dış koşullardan izole edilmiş odacığa hapsedip çekirdekleri birleşinceye kadar ısıtmak üzerinde duruyor. ITER’in hedefi 2035’te ilk “ateşlemeyi” gerçekleştirmek. Bu gerçekleştikten sonra ortaya çıkan ısı bir sonraki füzyon için kullanılacak ve reaktör kendi kendine ürettiği ısı ile füzyon gerçekleştirmeye başlayacak. Böylece füzyondan elde enerjinin bunun için harcanan enerjiden daha fazla olması garanti altına alınmış olacak.

NIF deneyi diğer füzyon deneyleri açısından ne anlama geliyor?

NIF ve ITER, dünya çapında takip edilen birçok füzyon teknolojisi kavramından ikisi. Bağımsız araştırmacılar, füzyondan elektrik üretmek için gereken teknolojinin konseptten büyük ölçüde bağımsız olduğunu ve en son dönüm noktasının araştırmacıların kavramları terk etmesine veya birleştirmesine yol açmayacağını söylüyor.

NIF’in karşılaştığı mühendislik zorlukları, ITER ve diğer tesislerdekinden farklı. Ancak sembolik başarının yaygın etkileri olabilir. Araştırmacılar bunun gibi bir sonuç, tüm füzyon türlerinin ilerlemesine olan ilgiyi artıracağına ve bu nedenle genel olarak füzyon araştırmaları üzerinde olumlu bir etkiye sahip olacağını düşünüyor.”

Bu yazı ilk kez 21 Aralık 2022’de yayımlanmıştır.

Jeff Tollefson ile Elizabeth Gibney’in Nature’da yayınladığı “Nükleer füzyon laboratuvarı ‘ateşleme’ sağlıyor: bu ne anlama geliyor?” başlıklı yazısından bazı bölümler Mustafa Alkan tarafından çevrilmiş ve editoryal katkısı ile yayına hazırlanmıştır. Yazının orijinaline aşağıdaki linkten erişebilirsiniz: Nuclear-fusion lab achieves ‘ignition’: what does it mean? (nature.com)