Küresel iklim değişiminin ağırlığının hissedildiği ve insanlığın enerji gereksiniminin çoğunun fosil yakıtlardan sağlandığı bu çağda pek çok kişi çözümün nükleer enerji de dahil olmak üzere alternatif enerji kaynaklarında olduğunu düşünüyor. Şu an için bütün nükleer reaktörler fisyon temellidir : Ağır atomları kontrollü bir şekilde daha hafif atomlara bölüp işlem sırasında enerji üretmektedir. Her şey iyi giderken fisyon güvenli bir enerji kaynağı olmasına rağmen radyoaktif yakıt, sorunlu atıklar ve en son örnek yüksek maliyetli Fukushima kazası gibi problemler de mevcuttur.
Nükleer füzyon prensipte daha temiz ve daha ucuz bir yakıt kaynağı olan hidrojenin izotopu olan ve sudan elde edilebilen döteryum kullanmaktadır ve atık olarak sadece helyum üretmektedir. Matrix filminde, SimCity 2000 gibi oyunlarda ve birçok politik hayalci tarafından kaçınılmaz bir şekilde geleceğin enerji kaynağı olarak görülen füzyon ne yazık ki hala gerçekleşmekten çok uzakta ve bir şakada olduğu gibi "füzyon geleceğin enerji kaynağı - ve her zaman da öyle kalacak"
Bunun sebebi devamlı bir füzyon reaksiyonunun - başlatılması ve devam ettirilebilmesi için ürettiğinden daha az bir enerjiye gereksinim duyan - imkansız ya da çok zor olması söz konusu değildir. Bilindiği gibi füzyon reaksiyonunun en başarılı örneklerinden biri ölüm ve şiddet uğruna güvenlik kontrolü feda eden hidrojen bombasıdır. Füzyon reaktörlerinin ise açık bir şekilde sınırlandırılmış olması gerekmektedir.
Kozmik Çarpıştırıcı
Kararlı bir reaksiyon elde edebilmek için ne gerektiğini anlayabilmek için en iyi bilinen reaktör olan yıldızlara bir göz atalım. Güneş gibi bir yıldızın içindeki güçlü kütle çekimi hidrojeni sıkıştırıp plazma - eşit miktarda proton ve elektronlardan oluşan bir karışım - haline getirir. 15 milyon derece gibi sıcaklıklar ve yüksek basınç protonların yüklerinden kaynaklana itim kuvvetinin üstesinden gelip birbirlerine temas etmelerine ve nötrona dönüşmelerine ve büyük miktarda enerji salmalarına sebep olur.
Açıkça söylemek gerekirse biz bu koşulları istesek bile sağlayamayız. Yıldızların hidrojeni kontrol etmeye yetecek kadar bir kütleleri var ancak bizim o lüksümüz yok ve bu yüzden fizikçilerin elektromanyetizmayı kullanması gerekiyor. Ayrıca bilim insanları reaksiyona hidrojen yerine döteryum ya da trityumla başlayarak gereken enerji miktarını düşürebilirler. (trityum bir proton ve 2 nötrondan oluşan bir hidrojen izotopu olduğu için hidrojenin kendisinden ya da döteryumdan daha kararlı bir seçim) Yine de sıcaklık ve basınç yüksek olması gerekiyor ve bu sebeple reaksiyonu başlatmak için gereken enerji miktarı da yüksek olmalı, bu da enerji üretme amacını baltalıyor.
Zorluğun bir sebebi plazmanın doğasında yatıyor. Oksijen gibi sıradan bir gazı bir kabın içine koyduğunuzda kabın hacmini küçülterek ısı ve basıncı arttırabilirsiniz. Ancak plazma bulunduğu kabı eritebilecek sıcaklıkta yüklü parçacıklardan oluşur. Ayrıca şartlar çok dikkatli bir şekilde kontrol edilmezse elektronlar protonlar ile tekrar bir araya gelip füzyon açısından işe yaramaz doğal bir hidrojen oluşturur. Benzer sebeplerle kabın gaz içermemesi gerekir.
Hidrojen dışındaki elementlerle füzyon reaksiyonu başlatmak için bir umut var ve bunlar daha fazla protona sahip oldukları için daha uygun elementler. Bu durum aynı zamanda atomların birbirini itmesini arttırarak füzyonu başlatmak için gerekli enerji miktarını arttırmaktadır. Araştırmalara konu olan bu elementler helyum lityum ve bor olmakla birlikte bu elementler dünya üzerinde hidrojene kıyasla çok daha az miktarda bulunmaktadır.
Tokamak Türü Reaktör Modeli
Sıcak Simitler
Durum tamamen umutsuz da sayılmaz. Araştırmacılar füzyon problemi için çoğu döteryumu akıllıca yöntemlerle sıkıştırmak üzerine birkaç değişik çözüm peşinde koşuyorlar. Bunlardan en eskisi güçlü manyetik alanların duvar gibi davrandığı manyetik hapsetme yöntemidir. Bunun en bilinen örneği 1950 lerde Sovyetlerde yapılan tokamak reaktörüdür. Bu reaktörde döteryum ve trityum elektronlar atomlardan bağlarını koparana dek ısınacakları simit şeklindeki bir yapının içine enjekte edilir. Merkezdeki manyetik alanlar plazmayı sıkıştırırken plazmanın yüksek ısısı tepkimeyi devam ettirir. Ancak ne yazık ki İngiltere'deki Torus (JET) ve ABD'deki Tokamak Füzyon Test Reaktörü (TFTR) reaktörleri sisteme girenden daha fazla enerji üretemedi. Şimdiyse ITER (Uluslararası Termonükleer Deneysel Reaktörü) yeni bir umut oldu. 15 miyar Euro'luk bu proje Fransanın güneyinde simdiye kadar yapılan en büyük tokamak reaktörünü kurmayı amaçlıyor. 2020 civarında operasyonel olması beklenen reaktörün ilk testlerine 2028'de başlaması planlanıyor. Ancak Amerikan senatosunun Iter'e olan finansal desteğini çekme kararı gibi lojistik problemler projeyi baltalıyor.
Birçok çevre ise Ataletsel hapsetme (inertial confinement) yönteminin daha iyi bir seçenek olduğunu düşünüyor. Bu yöntem yüksek enerjili fotonlarla - X ışınları - hidrojen ve izotoplarını bombalayarak kontrol altına almayı ve sıkıştırmayı amaçlıyor. Sistemi tamamen çevreleyen lazerler tarafından ateşlenen X ışını darbeleri hidrojeni ısıtıp sıkıştırıp iyonize ederek reaksiyonun başlamasını sağlıyor. Bu modelin en büyük problemi çok fazla enerji tüketen X ışını lazerleri konusu ve bu konu üzerinde araştırmacılar Amerika'da SLAC laboratuvarı ve Avrupa'da X-ray'siz Elektron Lazeri çalışmasında problem üzerinde çalışıyorlar.
ABD'deki Sandia Ulusal Araştırma Laboratuvarında Z-makinesi isimli cihaz manyetik ve ataletsel hapsetme yöntemlerinin bir karışımını sunuyor. Z-makinesi tam olarak bir füzyon reaktörü olmasa da (nükleer silah modelleri üretiyor) kullandığı manyetik alan ve X ışını lazerleri misket şeklinde bir hidrojen kütlesini sıkıştırmak için bombardıman amacı ile kullanılıyor.
Sıkıştırma ve hapsetmenin başka yolları da var ve kuşkusuz bir şekilde daha fazlası da olacaktır. Bu yollardan biri Muonları kullanarak döteryum füzyonu için gereken enerji bariyerini aşağılara çekmek. Muonlar elektronların daha ağır ve kararsız versiyonu olduğu için basınçla sıkıştırıp reaksiyon başlatmayı kolaylaştırıyor. Ancak muonları yapmak ve onlardan oluşan atomları hazırlamak için gereken enerji hesaba katıldığı zaman bu yolla çalışan bir reaktörün istenen verimi verip veremeyeceği şüpheli bir hale geliyor.
Peki bu sorunların bir çözümü yok mu? Birçok konuda olduğu gibi insan dehası ve pratik engeller bu konuda belirleyici oluyor. Füzyon reaktörleri pahalı ve bu yola yatırılan para bir umut ışığına tutunuyor. Daha açık belirtmek gerekirse ola ki bir gün füzyon reaktörleri verimli bir şekilde üretim yapmaya başlarsa yapılan yatırımın kat ve kat fazlasını sağlayarak emeklerin karşılığını vermesi umuluyor.
Çeviri: C. Caner Telimenli
(BBC)