Nesillerden beri insanoğlu birbirinden farklı kaynakları kullanarak temel gereksinimlerini karşıladı. Beslenmek için çiğ et yedi. Barınmak için mağaraları mesken tuttu. Isınmak için de ağacı yaktı. Daha sonra zamanla daha lezzetli yiyecekler, daha makul meskûnlar keşfetti. Tabii bu durum ısınmaya da yansıdı. Odun, kömür, hidrokarbonlar, güneş ve daha bir sürü kaynaktan faydalanan insanlar bunlarla da yetinmediler. Rüzgarı, suyu, buharı… Kısacası ellerine geçen her şeyi kullandılar. Yine yetinmediler ve daha da ileriye gittiler. Önce atom çekirdeklerini ayrıştırarak (fisyon) sonra da birleştirerek (füzyon) devasa boyutlarda ısı enerjisi ürettiler. Tabii bu keşifler çok büyük kıyımlara da sebep oldu. Ancak yine de uzak gelecek için yadsınamayacak kadar önemliler. Bu yazımda ise sizlere füzyon tepkimesi ve onun ürünü olan yapay güneşlerden bahsedeceğim.
Fisyon
Kelime anlamı bilim dünyasında en basit tabiriyle ayrışma olarak bilinir. Fisyon aslında bir atom çekirdeği tepkimesi türüdür. Genel tanımıyla, ağır bir atom çekirdeğinin herhangi bir etkiyle daha hafif çekirdekli atomları oluşturması olayıdır. füzyon ile arasında ilintiler olduğundan fisyondan bahsetmek de fayda olacaktır.
Uranyum-235 (U-235) radyoaktif atomunu nötronlarla bombardıman edelim. U-235, nötronlardan birini alarak U-236’ya dönüşür. Bu durumda da uranyum atomu kararsız hâle geçer. Kısa süre sonra da U-236’nın çekirdeği kendiliğinden radyoaktif bozunma yaparak iki farklı çekirdeğe ayrışır. Ayrışma sonucunda baryum-142, kripton-91 ve 3 adet nötron oluşur. Tabii bir de 20.000 ton TNT’ye eşdeğer enerji… Yani baştaki uranyum atomu iki farklı atoma ayrışmış olur. Açığa çıkan nötronlar kontrollü bir şekilde diğer uranyumları da tetikleyerek yüksek enerji açığa çıkartır. Eğer bu üç nötron atomunu ortamdan almaz isek kontrolsüz fisyon tepkimeleri meydana gelir. Bu da atom bombasının ta kendisidir veya nükleer reaktörlerin çekirdeğinde patlamalara sebep olup felaketlere yol açabilir. Tıpkı Çernobil’deki gibi...
Denklem;
n + U-235 = U-236
U-236 = Ba-142 + Kr-91 + 3n
Füzyon
Füzyon neredeyse fisyonun tersi ve zıttıdır. Bilim dünyası kabaca anlamını kaynaşma veya birleşme olarak ifade etmekte. Yine bu da fisyon gibi çekirdek tepkimesi türüdür. Genel bir tanım yapacak olursak: Hafif çekirdekli atomların kaynaşarak daha ağır çekirdekli atomları oluşturması olayıdır. Füzyon, yıldızların yoğunlaşması sonucunda meydana gelen yüksek enerjili reaksiyonlardır. Bu reaksiyonlar aslında bizim bugüne kadar var olmamızın vazgeçilmez öğesidir. Çünkü füzyon yıldızların baskın enerji kaynağıdır. Dünyada alternatif-potansiyel enerji olarak görülmektedir. Mesela insanlık fisyon reaksiyonu sayesinde zincirleme tepkimelerle beraber nükleer reaktörler inşa etti. Ancak şu anki imkanlarla böyle bir şeyi füzyon için söylemek çok zor. Bunun sebebini ise bir örnek üzerinden açıklayalım.
Füzyon tepkimeleri birden fazladır. Ama hepsi aynı mantıkla işler. Döteryum-Trityum, Döteryum-Döteryum gibi tepkimeler füzyon tepkimelerine örnektir. Biz ise Döteryum-Trityum tepkimesini inceleyeceğiz. Döteryum ve trityum, hidrojen atomunun izotoplarıdır. Hidrojen atomunun çekirdeğinde sadece 1 tane proton vardır. Döteryumunkinde ise 1 adet proton, 1 adet de nötron vardır. Trityumunkinde de 1 adet proton, 2 adet nötron vardır. Fark ettiyseniz herbirini proton sayısı aynı, nötron sayısı farklıdır.
Döteryum=D=H-2
Trityum=T=H-3
Döteryum-Trityum reaksiyonu
Döteryum ve trityum, hidrojene göre daha kararlıdır. Füzyonun tanımına göre döteryum ve trityumun çekirdekleri birbirleriyle kaynaşıp daha ağır çekirdekleri oluşturmalı. Ancak bu ikisi o kadar kolay birleşemiyor. Belirli şartların sağlanması gerek. Bunlardan biri sıcaklıktır. Gerekli olan sıcaklık 4,4 keV’dir. 1 eV, yaklaşık 11600 K olduğuna göre bu sıcaklık değeri 51040000 K’dir. Bir diğeri ise plazmayı dağıtmadan hapsetmek... Bunu ise Lawoise kriterine uyarak çözeriz. Kriter, bize gerekli zaman ve plazma yoğunluğunun hesaplamasını verir. Kritere göre içeri giren güç = dışarı çıkan güç olmalı. Aynı zamanda döteryum ve trityumun nötronlarının yoğunlukları toplamı, elektronların nötronlarının yoğunlukları toplamı kadar olmalı.
Bir başka unsur da tesir kesitidir. Tesir kesiti, maddelerin çarpışma olasılığını belirtir. Ne kadar yüksek olursa o kadar iyidir. Bu temel şartlar sağlanınca döteryum ve trityumun çekirdekleri kaynaşır. Açığa da birer adet nötron ve helyum atomu çıkar.
Şimdi ben demeden siz füzyonun zorluğunu anlamışsınızdır. Mesela sıcaklık… Çok yüksek! Oradaki sayıyı okumakta bile zorlanırız. Ama neden bu kadar yüksek bir sıcaklık gerekli? Yani o sıcaklığa ulaştık mı zaten ne işimiz olur ki fazlasıyla? Çünkü biz bu iki izotop atomu birleştirirsek daha da yüksek bir enerji elde ederiz. D-T reaksiyonu sonucunda 17,6 MeV’lik bir enerji açığa çıkmakta! Bunun eşdeğer sıcaklığını buraya yazmaya gerek de yok. Çünkü karşınıza çok fazla rakam çıkacak. Gerekli olan 51040000 K de iki izotop atomu birbirine çarpıştırmak içindir. Zaten o kadar yüksek enerji ancak o kadar yüksek sıcaklıkta olur.
Denklem;
4,4 keV H-2 + H-3 = n + He-4 + 17,6 MeV
Kimyagerlerin tepkimelerde kütle kaybından haberi yoktu, bunu fark edemediler. Yıllardır da bilinmedi. Ta ki Einstein izafiyet teorisini ortaya atana kadar. Ona göre bir kütle kaybı vardı ama termodinamiğin 1. yasasına göre korunuma uyulmalıydı. Bunun sonucunda da ünlü E=m.c^2 formülünü keşfetti. Buna en önemli kanıtlardan biri de füzyon ve fisyondur.
ODTÜ Kimya Öğrencisi
Füzyon mu, Fisyon mu?
Sizlere iki tane çekirdek tepkimesi söyledim. Birinde ayrışma birinde kaynaşma meydana gelmekte. Peki aralarındaki fark neler?
Öncelikle füzyon atık madde oluşumundan dolayı fisyondan daha avantajlı. Çünkü fisyon reaksiyonları sonucunda azımsanamayacak kadar radyoaktif atık madde oluşur. Bu maddeler özel varillerle, su veya toprak altının derinliklerine gömülür. Haliyle bu durum doğa için pek de etik değil. Ancak füzyonda böyle bir şey söz konusu değildir. Hem füzyonda, fisyondakinden daha fazla enerji elde ederiz.
Dezavantaj olarak füzyon açısından kaynak temini ve güvenliği söyleyebiliriz. Füzyondaki trityum atomu zor elde ettiğimiz bir kaynaktır. Çok ender bulunan lityum çekirdeği izotoplarının çok zor gerçekleşen tepkimeleriyle üretmekteyiz. Füzyon reaksiyonlarının çok yüksek sıcaklıklarda gerçekleşmesi de hem uygulanabilirliğini hem de güvenlik unsurlarını zorlamaktadır.
Yapay Güneşler
Az önce de bahsettiğim gibi Güneş de dahil yıldızlar baskın enerjilerini füzyon ile karşılamaktadır. Artan küresel sorunlardan sonra temiz enerji kaynaklarına yönelmeye başladık. Bilim insanları da füzyon reaksiyonlarından faydalanarak reaktör tasarlamaya katar verdiler. Hem teorik hem de deneysel birçok çalışma yaptılar. Bu çalışmalar yoğun olarak Asya’da yürütülüyor. Son zamanlarda gerçekleştirdikleri testler ve deneyler füzyon sayesinde yapay güneşlerin(!) önünü iyice açtı. Bunlardan biri de Kore Süper İletken Tokamak İleri Araştırması isimli (KSTAR) reaktörü. Güney Kore’deki Seul Ulusal Üniversitesi tarafından üretilen reaktör bir rekora imza attı. Altyapı tam 100 milyon santigrat dereceye çıktı ve 20 saniye boyunca çalışmayı başardı. Son bir deneme daha yapıldı ve bu seferde 30 saniye boyunca çalıştı. KSTAR 2019 yılında sadece 8 saniye çalışmayı başarabilmişti. Süre olarak saniye ölçeğinde konuşmak füzyonda hangi aşamada olduğumuzu gösteriyor zaten. Ancak teknoloji geliştikçe, bilim ilerledikçe bu süre artmakta. KSTAR’ın şimdiki hedefi ise 2025 yılında 5 dakika boyunca çalışabilmek.
Bir diğer yapay güneş ise Çin’deki EAST sistemi. Bu da aslında KSTAR gibi bir tokamak sistemi. Xinhua’nın haberine göre EAST 70 milyon santigrat derecede 17 dakika 36 saniye boyunca çalıştı. Az önce KSTAR’ın rekorundan bahsetmiştim. Ancak tanınmış bir kaynağın 05/01/2022’de internet adresinden yayımladığı habere göre KSTAR’in rekoru sadece kendi içerisinde kabul görmekte. Yani dünya genelinde kırılmış bir rekor değil. Haberde EAST’in Mayıs ayında -büyük ihtimalle 2021’in mayısı- 120 milyon derecede 101 saniye çalıştığı belirtiliyor. Aynı zamanda 160 milyon derece tepe sıcaklığına çıktığı ve bunun 20 saniye sürdüğü de belirtilmekte. Bu Güneş’in 10 katı sıcaklığı demek oluyor. KSTAR ise Güneş’in 6 katına ulaşmıştı.
Ne kadar doğru?
Medyada bu konuyla ilgili daha birçok haber yer almakta. Ancak hangisinin doğru olduğunu öğrenmek de zor. Çünkü insanların çoğu bu anlattıklarımla ilgili pek de bilgi sahibi değiller. E haliyle de duydukları bu dehşet verici haberleri büyük bir ilgiyle okuyorlar. Sonrasında ortalıkta “Çinliler yapay güneş yaptı.” diye bir abartı alıp başını gidiyor. Güneş’in sıcaklığı 15 milyon derece. Çinliler 150 milyon dereceye kadar çıkmış. Ama 2020’de toplum nedense bu haberi çok abarttı. Halbu ki 150 milyon dereceye ulaşmak bir başarı sayılamaz. Esas iş o 150 milyon dereceyi uzun sürede -saniye ölçeğinde bile olsa- sürdürebilmekte. EAST veya HL-2M tokamakları 150 milyon dereceye geliyor, tık diye sönüveriyor. Bunu bir marifet olarak kabul edemeyiz. Zaten Avrupa’daki birkaç ülkede bu sıcaklıklara termodinamik reaktörlerle ulaştılar. Ama yine onlarınki de ani bir şeydi, hemen sönüverdi. Topluma sunulan veya sunulmayı bekleyen bu tarz bir sürü haber yer almakta. Ancak KSTAR için aynı şeyi söyleyemem. Çünkü kaynak, bilimsel bir makaleye dayanmakta. Ayrıca Güney Koreli bilim insanları da kendi ağızlarından bu deneyin gerçekleştiğini onayladı. Şimdilerde ise füzyon ile enerji üretiminde gelişmiş ülkelerin neredeyse tamamı çalışmalar yapmakta. Ülkemizde bununla ilgili herhangi bir çalışma yok ve daha önce de yapılmadı.
