Termonükleer Enerji

Prof. Dr. Ordal DEMOKAN ^*

Mevcut fosil yakıtlarının (petrol, kömür vs.) önümüzdeki 30-40 yıl içinde tükeneceği beklentisinden hareket edilerek, geleceğin enerji gereksinmesinin yarısına yakın bir kısmının nükleer enerji ile karşılanması umulmaktadır. Nükleer enerjinin ortaya çıkarılması iki temel sürece dayanır. Bunlardan birincisi, günümüzdeki reaktörlerin kullandığı fisyon sürecidir. Bu sürecin yakıtları uranyum, toryum gibi ender bulunan elemanlar olup, mevcut teknik olanaklarda bir gelişme olmadığı takdirde elde edilebilen miktarın bu gereksinmeyi ancak bir asır mertebesinde bir süre için karşılaması beklenebilir. Zararlı artıkları da göz önüne alınınca, bilim adamlarının çabaları ikinci süreç olan füzyon, ya da başka bir deyişle, termonükleer enerji üzerinde yoğunlaşmaya başlamıştır.

Termonükleer Enerjinin İlkeleri :

Bu enerjinin dayandığı nükleer süreçler şu şekilde gösterilebilir:

Bu denklemlerin anlamı şöyle açıklanabilir: Deuterium (D) ve tritium (T), hidrojen elema-nının izotoplarıdır. İki deuterium çekirdeği birleştirliebilirse ya 1.01 Mega-elektron volt enerjisinde bir tritium çekirdeği ile 3.03 Mega-elektronvolt enerjisinde bir proton, ya da 0.82 Mega-elektronvoltluk bir helyum çekirdeği ile 2.45 Mega-elektronvoltluk bir nötron oluşur. Diğer iki denklem de buna benzer biçimde açıklanabilir. Bu denklemlerden görüleceği üzere, 3 deuterium çekirdeğiyle yola çıkılırsa, sonunda bir helyum çekirdeği (alfa taneciği bir nötron, bir proton ve toplam olarak 21.61 Mega-elektronvotluk enerji elde edilir. Bu enerji ise, 9.62x10^-19 kw-saat olarak ifade edilebilir. Bir gram deuterium'da 3x10²³ çekirdek bulunduğuna ve her 3 çekirdek bu kadar enerji verebileceğine göre, 1 gram deuterium yaklaşık olarak 100 Megavat saat enerji üretebilecek demektir, deuterium izotopunun doğal hidrojen içinde % 0.02 oranında bulunduğu anımsanırsa, 1 gram deuterium'un 50 litre sudan elde edilebileceği görülür. Dolayısıyla, okyanuslardaki suyun dünyanın enerji gereksinmesini 70 milyar sene boyunca karşılayabileceği görülür. Yukarıdaki denklemlerle gösterilen tüm reaksiyonların son ürünü. enerjinin yanı sıra. alfa, nötron ve proton tanecikleri olup, bu tanecikler kolaylıkla soğurulablleceklerinden herhangi bir uzun ömürlü, zararlı, radyoaktif artık da oluşturmazlar.

Şekil 1 : Manyetik ayna yöntemi: Bu şekildeki kareler, iki manyetik alan sarımının kesitlerini göstermektedir. B, manyetik alan çizgilerini, F ise yüklü tanecikler üzerindeki manyetik gücü temsil etmektedir. Bu konfigürasyon içindeki bir yüklü tanecik, şekilde görülen helezon tipi bir yörüngeyi izler.

Termonükleer Reaktör İçin Koşullar :

Çok çekici görünen bu sürecin denetimli bir şekilde gerçekleştirilebilmesinde çeşitli zorluklar vardır. İki pozitif yüklü deuterium çekirdeğini, aralarındaki elektrostatik itme gücüne rağmen kaynaşabilecekleri bir yakınlığa kadar birbirlerine yaklaştırabilmek için bu çekirdeklere yaklaşık 10 kilo-elektronvolt mertebesinde kinetik enerji verebilmek gerekir. Bu enerji sıcaklıkla ifade edilirse, çekirdeklerin 100 milyon dereceye kadar ısıtılması anlamına gelir. Yakıtın böylesine yüksek bir sıcaklığa ısıtılabilmesi için reaktöre büyük bir enerji sağlanması gerektiği açıktır. Reaksiyonlardan elde edilecek nükleer enerjinin en az enerjiye eşit olması da ekonomik bir zorunluktur. Bu düzeyde bir nükleer enerji elde edilebilmesi için çok sayıda çekirdeğin reaksiyona sokulabilmesi gerekmektedir. Bu sayı Lawson tarafından saptanmış olup, gerçekleştirilebilmesi için her santimetreküp başına 10¹⁴ çekirdeklik bir yoğunluğun en az 1 saniye süresince tutulabilmesi gerektiği ortaya çıkmıştır.

Gerekli koşulları sağlayabilmek için deuterium gazının söz konusu sıcaklıklarda ne durum aldığına bakmak gerekir. 150.000 derece mertebesinde bir sıcaklıkta, deuterium gazı tamamen iyonize olur. Maddenin bu şekilde iyonize olmuş durumuna "plazma" hali denir, elektrik alanları uygulandığında akım geçirir ve ısınır. Manyetik alan uygulandığı zaman ise sıkışır; çünkü yüklü tanecikler manyetik alana dik yönde serbestçe hareket edemez ve dairesel yörüngelere otururlar. Bu nedenlerle, plazmayı manyetik bir alan ile hapsedip sıkıştırmak ve elektrik alanları ile ısıtmak ilk akla gelen yöntemlerden biri olmuştur. Ancak, düzgün ve yeknesak bir manyetik alanın plazmayı hapsedemiyeceği açıktır: çünkü manyetik alana paralel yönde hareket durdurulamaz. Buna çare olarak manyetik alan şiddetini iki uçta arttıran sistemler geliştirilmiş ve bunlara "manyetik ayna" adı verilmiştir. Şekil 1'de görüleceği üzere, birbirinden belirli bir uzaklıkta, aynı eksen üzerine yerleştirilmiş, halka şeklinde iki sarım, manyetik ayna sisteminin en basit örneğidir. Böyle bir manyetik alan içindeki yüklü bir taneciğin aynalara (sarımlara) doğru yaklaştığında dairesel yörüngesinin çapının ufaldığı ve geriye doğru bir manyetik güç ile itildiği görülür. Bu güç, taneciklerin büyük bir kısmını iki ayna arasında tutabilmekle birlikte, manyetik alana paralel yöndeki hızları belirli bir değerin üstünde olan tanecikler bu göçü yenip aynadan kaçabilmektedirler. Bu kaçışı azaltabilmek amacıyla çeşitli yöntemler denenmekteyse de, bu yolla erişilen değerlerin hedeflerin henüz oldukça gerisinde olduğunu itiraf etmek gerekir.

Şekil 2 : Tokamak sistemi : Çevresinde sarım bulunan dikdörtgen çerçeve, transformatör çekirdeğini göstermektedir. Genel uygulamada, yüzeyleri birbirine dik ve birer kenarı plazma halkasının içinden geçen dört çerçeve kullanılır. Primer sarımı ise bu ortak kenarın çevresine sarılmıştır. BT, plazma halkasının çevresine eşit aralıklarla dizilmiş yassı sarımların oluşturduğu eksenel magnetlk alan. BP ise Ip plazma akımının oluşturduğu magnetlk alandır. Yüklü tanecikler. bu iki alanın bileşkesi olan Bnet çevresinde şekilde görülen helezon tipi yörüngeleri izler. I, transformatör primer akımını göstermektedir.

Manyetik alanın uçlarından tanecik kaybını önlemek amacıyla, manyetik alan çizgilerinin kapalı birer daire oluşturdukları manyetik torus konfigürasyonu akla gelen ikinci çare olmuştur. Simit şeklinde bir nüve üzerine sarılan bobinden geçirilen akım yoluyla oluşan manyetik alan, bu konfigürasyonun en basit örneğidir. Bu tür alanın kullanıldığı araştırmalar, "Tokamak" ve "Stellerator" adlarıyla tanımlanan iki ana grupta toplanmıştır. Tokamaklar, şekil 2'de gösterilmiş olup, karmaşık bir transformatörden ibarettir. Transformatörün sekonder sarımı, simit şeklinde bükülmüş paslanmaz çelikten bir borunun içine doldurulmuş deuterium gazıdır. Alçak güçte bir radyo frekans alanı ile gaz önce iyonize edilerek iletken durumuna sokulur. Hemen sonra, transformatörün çok sarımlı primer devresine akım verilir ve tek sarımlık bir sekonder oluşturan gazdan çok yüksek bir akım geçmesi sağlanır. Bu akımın çelik boru ile paylaşılmasını önlemek için, boru çeşitli yerlerinden yalıtkan şeritlerle kesilmiştir. İçinden geçen yüksek akım nedeniyle deuterium plazması çok yüksek derecelere kadar ısıtılabilir. Isınan taneciklerin çelik cidara kaçarak nötralize olmalarını önlemek amacı ile de çelik boru çevresince dizilmiş yassı sarımlardan geçirilen akım yoluyla toroidal magnetik alan (B_T) oluşturulur. Bu arada deuterium gazından geçen akımın poloidal yönde oluştuğu manyetik alan (B_P)'de IxB_P gücü nedeniyle gazı daha da sıkıştırarak yoğunluğunu arttırır. Stelleratorların tek farkı, yassı sarımlar yerine heliks şeklinde sarımlarla hem B_T alanının tümünü, hem de B_P alanının bir kısmını üretmesidir. Bu şekilde B_P alanının plazma akımına bağımlılığı ve bu akımdaki bozulmalardan çok fazla etkilenmesi önlenir.

Şekil 3 : Tokamak sistemlerinin kronolojik durumu : Dikey eksen, tanecik yoğunluğu ile sürenin çarpımını, yatay eksen ise, tanecik sıcaklığını göstermektedir. Kesikli eğri ile gösterilen bölgenin içi, termonükleer reaksiyonların gerçekleştiği ve reaktörün ekonomik olabildiği bölgedir. Parantez içindeki sayılar, yılları göstermektedir.

Bu yöntemin amaca ulaşması yolunda iki önemli engel kalmıştır. Bunlar, gaz akımı halkasında bazı kararsızlıklardan oluşan dirsek ya da benzeri şekilde bozulmalar ile, plazma direncinin ısındıkça düşmesidir. Akım halkasının dışa doğru dirsekler yapması plazmanın cidara değip nötralize olması, elektrik direncinin düşmesi ise, belli bir sıcaklıktan sonra akımın plazmayı artık ısıtamıyacağı anlamına gelir. Bu engellere rağmen geçen 20 yılda aşılan yol şekil 3'de de görüleceği gibi oldukça ümit vericidir. DEMO ve STARFIRE reaktörlerinde, çelik boru üzerine yerleştirilen lityum tabakası, termonükleer enerjiyi taşıyan nötronları durdururken ısınacak ve bu tabakayı soğutan akışkanın buharından elde edilecek elektrik enerjisi insanlık hizmetine sunulacaktır. Bu reaktörler için öngörülen büyüklükleri de şöyle özetleyebiliriz: torus dış çapı: 12 metre, iç çapı: 4 metre, plazma akımı : 7 milyon amper ve manyetik alan : 6 tesla mertebesinde olacaktır.

Son olarak, güçlü lazer demetlerinin küçük deuterium hedefleri üzerine uygulanarak termonükleer sıcaklık ve yoğunlukların sağlanmaya çalışıldığı, ancak bu amaç için gereken lazer gücünün günümüzdeki lazerlerden 100 kat daha büyük olduğunu ve bu yöntemin tokamaklara göre daha yavaş ilerlediğini de belirtmekte yarar vardır.

-- Güneş rüzgarı olarak adlandırılan. Güneş'ten ayrılan yüklü partüküllerden oluşan ve Dünya'dan da geçen sürekli akıntının hızı, ses hızının 1.200 katıdır.

*ODTÜ Fizik Bölümü

Kaynak: Tübitak Bilim ve Teknik Dergisi, Mayıs 1983, Sayfa: 1-3

İlgili Diğer Yazılar

• "Soğuk Füzyon" - Ordal Demokan, Bilim ve Teknik, Haziran 1989
• "Ordal DEMOKAN" - İlker Fıçıcılar, http://bilim.ficicilar.name.tr/sayfa/Ordal_Demokan.html , Kasım 2004

Arama önerileri: plazma fiziği, nükleer füzyon, termonükleer enerji, MHD, magnetohydrodynamics, çekirdek birleşmesi, hidrojen bombası, atom fiziği, plasma physics,

© 2000-2008
ilker Fıçıcılar
F.U.E.L
Bilim
www . Bilim Bilmek . com