Nükleer füzyon, kısaca atom çekirdeklerinin birleşerek daha ağır bir çekirdek oluşturması ve bu sırada büyük miktarda enerji açığa çıkarması olayıdır. Güneş ve diğer yıldızların enerji kaynağı olan nükleer füzyon, insanlık için de temiz, güvenli ve ucuz bir enerji alternatifi sunmaktadır. Bu makalede nükleer füzyonun ne olduğu, faydaları, zorlukları, örnekleri, uygulamaları, geleceği, Türkiye’deki durumu ve temiz enerjinin geleceği ile ilişkisi anlatılacaktır.
Nükleer Füzyon Nedir?
Nükleer füzyon, iki veya daha fazla hafif atom çekirdeğinin, genellikle deuterium(Döteryum) ve trityum (hidrojen varyantları) gibi, bir veya daha fazla farklı atom çekirdeği ve alt atomik parçacık (nötron veya proton) oluşturmak üzere birleştirildiği bir reaksiyondur.
Reaktanlar ile ürünler arasındaki kütle farkı, ya enerjinin salınması ya da emilmesi şeklinde ortaya çıkar. Bu kütle farkı, reaksiyondan önce ve sonra atom çekirdekleri arasındaki nükleer bağlanma enerjisi farkından kaynaklanır. Nükleer füzyon, büyük miktarda enerji salınan aktif veya ana dizi yıldızlarının ve diğer yüksek büyüklükteki yıldızların gücünü sağlayan süreçtir
Füzyon reaksiyonları, plazma adı verilen bir madde halinde gerçekleşir – pozitif iyonlar ve serbest hareket eden elektronlardan oluşan sıcak, yüklü bir gazdır. Plazma, katı, sıvı veya gazlardan farklı benzersiz özelliklere sahiptir. Güneş, diğer tüm yıldızlar gibi bu reaksiyonla çalışır.
Güneşimizde füzyon gerçekleşmesi için çekirdeklerin birbirleriyle son derece yüksek sıcaklıklarda, yaklaşık on milyon derece Santigrat’ta çarpışması gerekir. Yüksek sıcaklık onlara karşılıklı elektriksel itme kuvvetini aşmak için yeterli enerji sağlar. Çekirdekler birbirine çok yakın bir mesafeye geldiğinde, aralarındaki çekici nükleer kuvvet elektriksel itmeden daha ağır basar ve onların füzyona girmesine izin verir. Bunun için çekirdeklerin küçük bir alanda sıkıştırılması gerekir ki çarpışma şansı artar. Güneşte, devasa yerçekimi tarafından üretilen aşırı basınç füzyon için gerekli koşulları yaratır.
Nükleer Füzyonun Faydaları
Nükleer füzyonun, enerji üretimi için kullanılabilecek bir yöntem olarak birçok avantajı vardır. Bunlardan bazıları şunlardır:
Nükleer füzyon zararlı atık oluşturmaz. Nükleer fisyon, güvenli bir şekilde depolanması gereken nükleer atık oluşturur. Buna karşılık nükleer füzyonun tek yan ürünü helyumdur: inert, toksik olmayan bir gazdır.
Nükleer füzyon için sonsuz miktarda yakıt vardır. Nükleer füzyonun ana bileşeni olan deuterium, okyanus suyundan damıtılabilir. Sürecin diğer bileşenleri ise kolayca bulunabilir veya yapılabilir. Sonuç olarak, gezegenimiz için enerji kaynakları yaratmak için kullanılabilecek sonsuz miktarda yakıt vardır.
Oluşturması inanılmaz derecede ucuzdur. Nükleer füzyondan enerji sağlamanın tahmini maliyeti sadece kilovat saat başına 0,03 dolardır. Bu, insanların bugüne kadar keşfettiği en ucuz enerji biçimlerinden biri yapar.
Düşük riskli bir enerji biçimidir. Nükleer fisyon kullanıyorsanız, atomları bölüyorsunuz ve bu da tehlikeli bir zincir reaksiyonu oluşma ihtimalini yaratır. Fosil yakıtlara ve bunlardan yapılan enerji ürünlerine sürekli maruz kalmak da kişisel sağlık üzerinde olumsuz bir etkiye sahip olabilir. Nükleer füzyon sadece kolayca kontrol edilebilir değil, aynı zamanda bugün dünyada kullanılan diğer büyük enerji yaratma biçimlerinden çok daha güvenlidir.
Küresel ısınma enerji kaybı olmadan hala engellenebilir. Helyum, hava durumu döngülerini değiştirdiğine inanılan sera gazlarından biri değildir. Bu, gezegenin iyileşmeye devam edebileceği ve bunu yapmak için enerji seviyelerinden fedakarlık etmemiz gerekmeyeceği anlamına gelir
Nükleer Füzyonun Zorlukları
Nükleer füzyonun, enerji üretimi için kullanılabilecek bir yöntem olmasının önünde birçok zorluk vardır. Bunlardan bazıları şunlardır:
Füzyon gücüne ulaşmanın zorluğu. Güneş ve yıldızlarda, yüksek sıcaklıklar ve güçlü yerçekimi kuvvetleri doğal olarak bir füzyon ortamı hazırlar. Ancak dünyada bu koşulları sağlamak için çok yüksek basınç ve mıknatıslar gibi karmaşık teknolojiler gereklidir. Füzyon için gerekli olan plazmayı oluşturmak ve sürdürmek de çok fazla enerji gerektirir. Şu anda, füzyon reaksiyonuyla elde edilen enerji miktarı, bunu yapmak için harcanan enerji miktarından çok az fazladır.
Radyoaktif atıklar. Nükleer füzyon reaktörleri, nükleer fisyon reaktörlerine kıyasla çok daha az ve daha kısa ömürlü nükleer atık üretir. Ancak bu atıkların da güvenli bir şekilde depolanması ve işlenmesi gerekir. Ayrıca, füzyon reaktörlerinin duvarlarında kullanılacak malzemelerin de radyoaktif hale gelmesi ve sık sık değiştirilmesi gerekir.
Pratik enerji sonuçlarının hala ulaşılamaz olması. Nükleer füzyonun enerji kaynağı olarak kullanılabilmesi için henüz birçok bilimsel ve teknik sorun çözülmesi gerekmektedir. Şu anda dünyada çalışan hiçbir füzyon reaktörü yoktur. En büyük füzyon projesi olan ITER, Fransa’da inşa edilmektedir ve 2035 yılında ilk plazma deneylerine başlaması planlanmaktadır. Ancak ITER’in kendisi bir enerji santrali değil, sadece bir araştırma tesisi olacaktır. Ticari olarak uygun bir füzyon santralinin inşa edilmesi ise en az 2050 yılına kadar mümkün görünmemektedir.
Nükleer Füzyonun Örnekleri
Nükleer füzyon, doğada ve laboratuvarda gerçekleşebilen birçok örneğe sahiptir. Bunlardan bazıları şunlardır:
Güneşin çekirdeği
Füzyonun en iyi örneği güneşin çekirdeğinde görülebilir. Güneşin çekirdeğinde, hidrojen izotopları olan deuterium ve trityum birleşerek helyum oluşturur. Bu sırada çok büyük miktarda ısı enerjisi açığa çıkar. Ortalama olarak, güneşte saniyede 600 milyon ton hidrojen helyuma dönüşür.
Hidrojen füzyon reaksiyonları
Hidrojen atomlarının bir araya gelerek enerji ürettiği bir füzyon reaksiyonudur. Bu reaksiyon yıldızlarda yüksek basınç ve sıcaklık koşullarında gerçekleşir. Hidrojen periyodik tablonun en hafif elementidir. Helyum ise hidrojenden sonra gelen en hafif elementtir. Reaksiyondan önce ve sonra nükleer bağlanma enerjisindeki fark, kütle farkı olarak ortaya çıkar ve bu da enerji salınımına neden olur.
Deuteriumun füzyonu
Deuterium aynı zamanda ağır hidrojen olarak da bilinir. İki deuterium çekirdeğinin bir araya gelerek bir helyum çekirdeği oluşturduğu bir füzyon reaksiyonudur. Bu füzyonda da çok büyük miktarda ısı enerjisi açığa çıkar. Bu enerji, reaksiyon sırasında kaybolan kütle ile enerji arasındaki dönüşümden kaynaklanır. Bu Einstein’ın formülü ile açıklanabilir. Aşağıdaki reaksiyon bu füzyonu göstermektedir.
1H2 + 1H2 → 2He4 + Enerji
Deuterium ve trityumun füzyonu
Bu füzyonda deuterium ve trityum bir araya gelerek helyum ve hızlı bir nötron oluşturur. Nötronun kinetik enerjisi, daha ağır izotopların oluşumu sırasında kaybolan kütle ile enerji arasındaki dönüşümden kaynaklanır. Aşağıdaki reaksiyon bu füzyonu göstermektedir.
1H2 + 1H3 → 2He4 + 0n1 + Enerji
Elementlerin oluşumu
Periyodik tabloda bulunan demir ve nikel gibi elementler de nükleer füzyonun bir sonucu olarak oluşabilir. Böyle bir element oluşumu genellikle enerjinin verilmesi veya ekzotermik bir süreç ile eşlik eder.
Nükleer Füzyon Uygulamaları
Nükleer füzyonun, enerji üretimi dışında da çeşitli uygulama alanları vardır. Bunlardan bazıları şunlardır:
Nükleer silahlar. Nükleer füzyonun ilk uygulaması termonükleer bombalar veya hidrojen bombalarıdır. Bu bombalar, nükleer fisyon ile başlatılan ve nükleer füzyon ile devam eden bir zincir reaksiyonu kullanarak çok büyük miktarda enerji açığa çıkarır. Bu enerji hem ısı hem de patlama dalgası şeklinde ortaya çıkar. Nükleer füzyon bombalarının patlama gücü megatonlar veya gigatonlar ile ölçülür.
Yıldızların evrimi. Nükleer füzyon, yıldızların içindeki enerji kaynağıdır. Yıldızlar, hidrojeni helyuma dönüştürerek farklı aşamalardan geçerler. Bu süreçte nükleosentez adı verilen daha ağır elementlerin oluşumu da gerçekleşir. Yıldızların kütlesi ve sıcaklığına bağlı olarak farklı füzyon reaksiyonları meydana gelir. Örneğin, güneş proton-proton zinciri adı verilen bir reaksiyonla hidrojeni helyuma dönüştürürken, daha büyük yıldızlar karbon-nitrojen-oksijen döngüsünü kullanır.
Enerji üretimi. Nükleer füzyonun en önemli uygulaması enerji üretimi için kullanılmasıdır. Nükleer füzyon, temiz, güvenli ve ucuz bir enerji kaynağı sağlayabilir. Nükleer füzyon reaktörleri, sera gazı emisyonu yapmaz ve çok az miktarda radyoaktif atık üretir. Ayrıca, nükleer fisyona göre daha az riskli ve daha kolay kontrol edilebilir bir süreçtir. Nükleer füzyon için yakıt olarak kullanılacak hidrojen izotopları da dünyada bol miktarda bulunur. Ancak nükleer füzyon reaktörlerinin inşa edilmesi ve çalıştırılması için henüz birçok teknik zorluk vardır.
Nükleer Füzyonun Geleceği
Nükleer füzyon, insanlığın enerji ihtiyacını karşılamak için büyük bir potansiyele sahiptir. Ancak bu potansiyeli gerçekleştirmek için henüz çözülmesi gereken birçok bilimsel ve teknolojik sorun vardır. Bu sorunların bazıları şunlardır:
Füzyon reaktörlerinin tasarımı ve optimizasyonu. Füzyon reaktörleri, plazmayı sıcak ve yoğun tutmak için güçlü mıknatıslar ve ısıtma sistemleri gerektirir. Bu sistemlerin verimli ve güvenli bir şekilde çalışması için gelişmiş malzemeler, süperiletkenler, soğutucular ve kontrol mekanizmaları geliştirilmesi gerekir. Ayrıca, füzyon reaktörlerinin ekonomik olarak rekabetçi olması için maliyetlerin düşürülmesi ve ömrünün uzatılması da önemlidir.
Füzyon yakıtının üretimi ve depolanması. Füzyon reaktörleri için en uygun yakıt karışımı deuterium ve trityumdur. Deuterium okyanus suyundan kolayca elde edilebilirken, trityum doğada çok az bulunur ve yapay olarak üretilmesi gerekir. Trityum üretmek için nötron kaynağına ihtiyaç vardır. Bu nedenle, füzyon reaktörlerinin kendileri trityum üretebilmeli veya başka bir kaynaktan sağlanmalıdır. Trityum ayrıca radyoaktif bir element olduğu için depolanması ve taşınması da özel önlemler gerektirir.
Füzyon plazmasının fiziksel özelliklerinin anlaşılması. Füzyon plazması, karmaşık ve dinamik bir sistemdir. Plazmanın davranışını etkileyen birçok faktör vardır, örneğin sıcaklık, yoğunluk, basınç, akım, manyetik alan, türbülans, dalga etkileşimleri, istenmeyen parçacıkların girişi vb. Bu faktörlerin nasıl optimize edileceği veya kontrol edileceği konusunda henüz tam bir bilgiye sahip değiliz. Plazma fizik teorisi ve modellemesi ile deney arasında uyum sağlamak da önemli bir zorluktur.
Bu sorunların çözümü için uluslararası işbirliği ve koordinasyon gereklidir. Dünyanın en büyük füzyon projesi olan ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), bu amaçla kurulmuş bir konsorsiyumdur. ITER’in ortakları arasında Avrupa Birliği ülkeleri, ABD, Çin, Rusya, Japonya, Hindistan ve Güney Kore bulunmaktadır. ITER’in amacı 2035 yılında ilk plazma deneylerine başlamak ve 2050 yılında net enerji kazancına ulaşmaktır. ITER’in başarısı, ticari füzyon santrallerinin inşasına yol açabilir.
Nükleer füzyonun geleceği parlak görünmektedir. Ancak bu geleceği gerçekleştirmek için daha çok çalışma ve yatırım gerekmektedir. Nükleer füzyonun insanlığa sunduğu faydalar göz önünde bulundurulduğunda, bu çaba oldukça değerlidir.
Nükleer Füzyonun Türkiye’deki Durumu
Nükleer füzyon, Türkiye’de de ilgi gören bir araştırma alanıdır. Türkiye, 2008 yılında ITER projesine katılmıştır. Türkiye’nin ITER’deki rolü, füzyon reaktörünün inşası için gerekli olan bazı bileşenlerin tasarımı, üretimi ve testine katkıda bulunmaktır. Türkiye ayrıca, füzyon plazmasının özelliklerini incelemek için kullanılan bir cihaz olan tokamak tipi bir füzyon deney tesisi olan TURKEY-ITER’e sahiptir. TURKEY-ITER, 2012 yılında Ankara’da kurulmuştur ve halen çalışmalarına devam etmektedir.
Türkiye’nin nükleer füzyon alanındaki vizyonu, enerji ihtiyacını karşılamak için temiz ve sürdürülebilir bir enerji kaynağı olarak nükleer füzyondan yararlanmaktır. Bu amaçla, Türkiye nükleer füzyon araştırmalarına destek vermekte ve uluslararası işbirliğini teşvik etmektedir. Türkiye ayrıca, nükleer füzyon alanında nitelikli insan kaynağı yetiştirmek için eğitim ve burs programları sunmaktadır.
Nükleer füzyon, Türkiye’nin enerji güvenliği ve çevre koruma hedefleriyle uyumlu bir teknolojidir. Türkiye’nin nükleer füzyon alanındaki çalışmaları, hem ulusal hem de küresel düzeyde önemli katkılar sağlayabilir.
Nükleer Füzyon İle Temiz Enerjinin Geleceği
Nükleer füzyon, enerji üretimi için kullanılabilecek bir yöntem olarak büyük bir potansiyele sahiptir. Nükleer füzyon, temiz, güvenli ve ucuz bir enerji kaynağı sağlayabilir. Nükleer füzyon için yakıt olarak kullanılacak hidrojen izotopları da dünyada bol miktarda bulunur. Nükleer füzyon reaktörleri, sera gazı emisyonu yapmaz ve çok az miktarda radyoaktif atık üretir. Ayrıca, nükleer fisyona göre daha az riskli ve daha kolay kontrol edilebilir bir süreçtir.
Ancak nükleer füzyonun pratik olarak uygulanabilmesi için henüz çözülmesi gereken birçok bilimsel ve teknolojik sorun vardır. Bu sorunların çözümü için uluslararası işbirliği ve koordinasyon gereklidir. Dünyanın en büyük füzyon projesi olan ITER, bu amaçla kurulmuş bir konsorsiyumdur. ITER’in amacı 2035 yılında ilk plazma deneylerine başlamak ve 2050 yılında net enerji kazancına ulaşmaktır. ITER’in başarısı, ticari füzyon santrallerinin inşasına yol açabilir.
Nükleer füzyonun geleceği parlak görünmektedir. Ancak bu geleceği gerçekleştirmek için daha çok çalışma ve yatırım gerekmektedir. Nükleer füzyonun insanlığa sunduğu faydalar göz önünde bulundurulduğunda, bu çaba değerlidir.
Sonuç
Nükleer füzyon, güneşin sırrını çözmek ve temiz enerjinin anahtarını elde etmek için çalışan bilim insanlarının önemli bir hedefidir. Nükleer füzyonun çevre dostu, güvenli ve ucuz bir enerji kaynağı olması, elektrik üretimi, hidrojen yakıtı ve tıbbi tedaviler gibi pek çok alanda uygulanabilir olması, ticari reaktörler, küçük modüler reaktörler ve yıldızlara ulaşma gibi heyecan verici gelecek vizyonları sunması nedeniyle nükleer füzyon çok değerli bir araştırma konusudur.
Türkiye’de nükleer füzyon alanında mevcut çalışmalar yapmakta, uluslararası işbirlikleri kurmakta ve potansiyel fırsatlar yakalamaya çalışmaktadır. Nükleer füzyon ile temiz enerjinin geleceği arasında güçlü bir bağ vardır. Nükleer füzyon sayesinde küresel ısınma ile mücadele etmek, enerji bağımsızlığı sağlamak ve ekonomik kalkınma elde etmek mümkün olabilir.
Kaynakça:
APECSEC. (2015). 10 Advantages and Disadvantages of Nuclear Fusion.
Britannica. (2021). Nuclear fusion.
IAEA. (2021). What is Nuclear Fusion?
ITER. (2021). Turkey and ITER.
Lambda Geeks. (2021). 15+ Nuclear Fusion Examples: Detailed Explanations.
NS Energy Business. (2020). Nuclear fusion manufacturing: The challenges and opportunities for the industry.
Scribbr. (2021). Free APA Citation Generator | With APA Format Guide.
TÜBİTAK. (2012). ITER-TURKEY Project: Turkish Participation to ITER Project and Construction of a Tokamak Type Fusion Experiment Device in Turkey.
