Füzyon Alanında Umut Vadeden Gelişme

 Güneşe de gücünü veren nükleer füzyon sınırsız bir güç kaynağı olabilir. Ancak bunu elde edebilmek için füzyon reaktörlerinin harcadığından daha fazla enerji üretmesi gerekir. Amerika'daki Ulusal Ateşleme Tesisi (NIF) araştırmacılarının bulguları bu amaca ulaşmak konusunda bir umut ışığı yaktı. Kaliforniya Livermore'daki NIF araştırmacıları dünyanın en güçlü lazerinin ürettiği 192 ışın demetini füzyon reaksiyonunu başlatacak olan hidrojeni ısıtıp sıkıştırmak için kullanıyor.

NIF Füzyonu   Hohlraum adlı kabın içine 192 lazer demeti odaklanıyor Kabın içinde çok soğuk ve katı hidrojen izotopu karışımı bulunuyor Kaba çarpan lazer kabın X-ray ışını saçmasına neden oluyor X-ray ışınları yakıtı yüksek sıcaklıklara çıkarıyor Eğer yakıtın sıcaklığı ve basıncı uygunsa füzyon gerçekleşiyor

 Eylül ayında yapılan bir deney sırasında dünyada ilk kez reaksiyonu başlatmak için kullanılan enerji miktarı yine reaksiyon sayesinde elde edilen enerjiden düşük çıktı. Bu sonuç araştırma merkezinin amacı olan "ateşleme" hedefine yani nükleer füzyonun lazerlerin sağladığı kadar enerji üretmesi amacına tam oturmuyor. Bunun sebebi sistemin "verimsiz" olması yani lazerler tarafından üretilen tüm enerjinin yakıta aktarılamaması. Ama bu gelişme yine de birkaç yıl içinde füzyon alanındaki en anlamlı gelişme olarak yorumlanıyor, bu da NIF araştırmacılarının ateşleme gerçekleştirip kendi kendine sürdürülebilen bir füzyon tepkimesi elde etmek amacına bir adım daha yaklaştığını gösteriyor. Araştırmacılar yaklaşık yarım yüzyıldır kontrollü bir füzyon tepkimesi için uğraşıp başarısız oluyor. NIF araştırmacılarının füzyon alanında beklenen kırılma noktasını sağlaması umuluyor.
 2009 yılında NIF sorumluları 30 Eylül 2012'de net enerji üreten bir füzyon tepkimesi gerçekleştirmeyi planlamışlardı ancak öngörülemeyen teknik problemler yüzünden planlanan tarih yakalanamadı, reaksiyon sonrası elde edilen güç matematiksel hesaplamaların öngördüğü değerden çok daha düşük çıktı. Daha sonra 3,5 milyar dolarlık tesis hedefini değiştirip füzyon araştırmalarından tesisin önceden de hedefleri arasında olan nükleer silah araştırmalarına yöneldi. Ancak son araştırmalar matematiksel hesaplamaların doğru olduğunu gösterdi ve bu da NIF araştırmalarına ve dolayısı ile füzyon araştırmalarına taze kan sağlayacağı öngörülüyor.
 Füzyon su anda kullanılan ve atomu parçalayan fisyonun aksine atomları birbirine kaynaştırarak enerji üretiyor. Lawrence Livermore Ulusal Araştırma Laboratuvarına bağlı NIF aralarında miyarlarca dolarlık ve Fransa'nın Caradahhe bölgesinde inşa edilen ITER projesi de dahil dünyadaki sayılı füzyon araştırma merkezlerinden biridir. Ancak ITER NIF'ten farklı olarak lazer yerine manyetik hapsetme yöntemi kullanıyor.

Çeviri: C. Caner Telimenli

(BBC)

NIF füzyon reaktörü ve 500 Terawatt Lazeri

Nükleer Füzyon; Ne zaman?

 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)

Tony Stark ile Füzyon

Bilim ve teknoloji bazen filmlerden ya da çizgi romanlardan ilham alsa da bunun tersi de oldukça sık karşılaşılan bir durum. Bilimin deneysel, adım adım ve gerçekçi ilerleyişine karşın hayal gücünden beslenen süper kahramanlar bu konuda sınır tanımıyor. Fantastik film yapımcıları çoğu zaman bilim danışmanları ile çalışıyorlar. Onlardan aldıkları ufak fikirlerin engellerini hayal güçleri ile kaldırıp seyirciye sunuyorlar.

Orijinal adı ile Iron Man, Marvel’in sinemaya uyarlanmış popüler çizgi roman kahramanlarından sadece biri. Anthony Edward “Tony” Stark’ı çoğumuz Demir Adam kostümünün içindeki kurgusal karakter olarak tanıyoruz. Tony, 15 yaşında Massachusetts Teknoloji Enstitüsü’nün elektrik mühendisliği programına kabul ediliyor ve 2 doktora derecesi ile mezun oluyor. Gerçek dünyadan kurumlarla olan bu ilgisi takipçilerinin bir yakınlık hissetmesini amaçlıyor olsa gerek. Yirmi bir yaşına geldiğinde ailesini trafik kazasında kaybeden Tony, Stark Endüstri’nin tek mirasçısı oluyor. Kısa sürede çapkın tavırları ve mühendislik dehasıyla ülkenin gündeminden hiç düşmeyen teknoloji devi bir silah üreticisi haline geliyor.

Film sektörü ise kollarını bu çizgi roman için tam da buradan sonra sıvamış. Film şöyle başlar: Yeni ürettiği üstün teknoloji roketleri Amerikan hükumetine tanıtmak amacıyla yola çıktıkları konvoya dönüş yolunda Stark şirketinin ürettiği silahları kullanan bir örgüt tarafından bir saldırı düzenlenir ve Tony, yaralanarak esir düşer.

Gözlerini açtığında göğsünde bir delik ve o deliğe yerleştirilmiş araba aküsüne bağlı bir elektromıknatıs vardır. Elektro mıknatıslar, elektrik akımı kullanılarak mıknatıs özelliği kazandırılan metallerdir. Akım var olduğu sürece mıknatıs özelliği de devam eder. Filmde bu prensiplerden yararlanarak Tony’yi hayatta tutan Profesör Ho Yinsen’dir. Saldırı sırasında Tony’nin vücuduna onlarca şarapnel parçası saplanmıştır ve bir tanesi kalbine çok yakın bir yerde, bir hafta içinde kalbine ulaşacak şekilde ilerlemektedir. Onu oradan alamayan Profesör şarapnel parçasının Tony’nin kalbine ilerleyişini durdurmak için bir elektromıknatıs kullanmıştır.

Örgüt, Tony Stark ve Prof. Yinsen’den bir roket yapmalarını ister. Roket tamamlanana kadar onların tutsağı olacaklardır. Demir Adam zırhının temelleri bu şartlar altında bir kaçış planı olarak atılır; ama öncesinde Tony’nin beraberinde taşıdığı aküden kurtulması gerekmektedir. Bunun için babasından kalan bazı belgelere dehasını ekleyerek bir avuç içi reaktör yapar ve göğsüne yerleştirir. Bu, filmdeki adıyla bir ark reaktörüdür. Reaktör hakkında filmde fazla bilgi yok ancak paladyum çekirdeğe sahip olduğunu biliyoruz, bununla beraber çizgi romanda bunun füzyon enerjisi olduğu da belirtilmektedir.Filmin, 20. yüzyıl bilim dünyasını bir süre meşgul edeip sonunda fiyaskoya dönüşen soğuk füzyondan ilham aldığını göz ardı edemeyiz. Sonuç olarak Tony, göğsünde nükleer reaktör taşıyan bir süper kahraman. Bu reaktör, Yinsen’in yerleştirdiği elektromıknatısa enerji sağladığı gibi Demir Adam zırhının da enerji kaynağı.

Tokamak türü reaktör modeli

Soğuk füzyon yanılgısı

Soğuk füzyon bir balon gibi sönene kadar bilim insanlarını meşgul etmiştir.

Filmde reaktör paladyum sayesinde çalışıyordu. Paladyumun hidrojen tutucu özelliği 19. yüzyılın başlarında Thomas Graham tarafından tanımlandı. 1920′de iki Avusturyalı bilim insanı, Friedrich Paneth ve Kurt Peters, hidrojenin doğada kendiliğinden gerçekleşen nükleer kataliz tepkimeleri ile helyuma dönüştüğünü bildirdi. Peters’e göre hidrojen, paladyum tarafından emildiğinde bu oluyordu. Daha sonra anlaşıldı ki havadan deneye karışan helyum, tepkime sonucu oluşmuş gibi algılanmıştı. 1927′de İsviçreli J. Tandberg paladyum elektrotlarda hidrojenin helyuma dönüştüğünü belirtti ve patent başvurusunda bulundu, ancak alamadı. 1932′de döteryumun keşfedilmesi ile Tandberg çalışmalarına ağır su, yani döteryum oksit (D2O) ile devam etti. Ağır su molekülünde hidrojen, izotopu döteryum ile değiştirmiştir. Hidrojen, çekirdeğinde bir proton etrafında dönen bir elektrondan oluşurken, döteryum çekirdeğinde fazladan bir nötron bulunur.

Soğuk füzyon kavramı Cecil Powell ile çalışan F. Charles Frank tarafından 1947′de ortaya atıldı. Frank, elektrondan 207 kat daha ağır ve negatif yüklü parçacıklar olan muonlar ile ilgileniyordu. Frank’e göre eğer bir atomun elektronlarını muonlar ile değiştirilirse muonların yörüngeleri çekirdeğe 207 kat daha yakın olur ve bu çok daha küçük atomları çarpıştırmak için daha az enerji harcamamız gerekirdi. Ancak Frank asla başarılı olamadı çünkü muonlar milisaniyeler içinde bozunan kararsız parçacıklardı. Ardından bir çok bilim insanı Frank’in fikrinden yola çıkarak çalışmalar yaptı fakat çoğu kuramsal olmaktan öteye geçemedi.

23 Mart 1989′da ABD’deki Utah Üniversitesi’nden bilim insanları şaşırtıcı derecede basit bir yöntemle, oda sıcaklığında nükleer füzyon gerçekleştirildiğini iddia ettiler. Martin Fleischman ve B. Stanley Pons, tez öğrencisi Martin Hawkins’in elektroliz hücresini uzun süre çalıştıklarında ortaya bir miktar ısı çıktığını gözlemlediklerini söylediler.. Amaçları ağır suya (D2O) batırılmış platin anot ve paladyum katota elektrik akımı uygulayarak, paladyum içine döteryum fırlatmaktı. Isının füzyon sonucu ortaya çıktığını iddia eden bir makale alelacele yayınlandı çünkü bu sonucu o sırada benzer deneyler yapmakta olan Steven Jones’tan önce duyurmak istiyorlardı. Ancak yayınladıkları makale için 19 düzeltme yayınlandı. Erken yayınlama kaygısıyla bilimsel hassiyet ihmal edilmiş, bu da sonuçları güvenilmez kılmıştı. Çalışmalar konusunda bazı tutarsızlıklar da vardı. Fleischman ve Pons’un bildirdiği ısının füzyondan kaynaklansaydı hayatta kalmaları mümkün olmayacaktı, zira saniyede 100 trilyon nötron açığa çıkması gerekiyordu. Makaledeki nötron sayımları olması gerekenden 9 kat daha düşük idi. Sonrasında bilim insanları bu deneylerin üzerine gitti, hararetli tartışmalar yaşandı. Tartışılan konu soğuk füzyonun varlığıydı. Tartışmalar soğuk füzyon deneylerinin bir yanılgı eseri olduğunu gösteriyordu.

devamı (açık bilim)