FÜZYON REAKSİYONLARI, He3 Döteryum (2H) – Helyum-3 (3He) Çevrimi

FÜZYON REAKSİYONLARI, D-He3 (Döteryum (2H) – Helyum-3 (3He)) Çevrimi

Reaksiyonda döteryum ve Dünya’da nadir bulunan helyum-3 izotopu birleşmektedir. Helyum-3’ün ne kadar nadir olduğunu anlatmak için, bu izotopu Ay yüzeyinden ve hatta Jüpiter’den toplanmasına dair fikirler olduğunu örneklememiz yeterli olur sanırız. 

Helyum-3 ayrıca Trityumun beta bozunması geçirmesi sonucu da oluşur. Daha önce de döteryum için yazdığımız gibi, uzayda hali hazırda asteroidlerde, kuyuklu yıldızlarda, gaz devlerinin halkalarında ve uydularında bolca bulunan buzdan döteryum elde edip, bu döteryumu nötron bombardımanına tutarak Trityum üretimi yapılabilir. Bu reaksiyonun bir diğer ve esas zorluğu ise reksiyonun en verimli noktaya ulaşması için 58 keV enerji girdisi gerekmektedir.

2H + 3He = 4He (3.6 MeV) + 1H [p+] (14.7 MeV)

Bu dönüşüm, D-T reaktörlerinde ikincil reaksiyon olarak gerçekleşebilir. Ancak sadece D-He3 reaksiyonu gerçekleştirecek bir reaktör, çoğunlukla Dünya dışından getirilecek stoklara dayanacağı için, en azından gezegenimizdeki kullanımı pek ekonomik olmayacaktır. Ancak Ay’da yeterli stok bulabilirsek, Ay üzerinde enerji üretimi ve teknolojimiz geliştikçe ve gaz devleri civarında enerji üretimi için vazgeçilmez olabilir. Tabi reaksiyonu başlatacak enerji ihtiyacı sorununun üstesinden gelebilirsek.  

D-He3 ayrıca yazımızın bir sonraki bölümünde bahsedeceğimiz füzyon roketleri için biçilmiş kaftan diye niteleyebileceğimiz bir reaksiyondur. Enerji ihtiyacının p-11B’ye göre düşük olması ve anötronik olması çok büyük avantajlardır.

FÜZYON REAKSİYONLARI D-D Döteryum (2H) – Döteryum (2H) Çevrimi

FÜZYON REAKSİYONLARI D-D [Döteryum (2H) – Döteryum (2H)] Çevrimi
Sadece döteryum kullanan bu reaksiyon, edinimi zor olan başka bir yakıt gerektirmemesi ile öne çıkan bir diğer araştırma konusudur. D-D reaksiyonu, sürdürülebilir “ateşleme” için gereken reaksiyon oranının tepe noktasına 15 keV değerinde enerji ile ulaşır. Bu D-T’den daha yüksek ve dolayısıyla daha zorludur. Bu reaksiyon eşit oranlarda iki farklı ürün verir;

50%: 2H + 2H = 3H [Trityum] (1.01 MeV) + 1H [p+] (3.02 MeV)

50%: 2H + 2H = 3He (0.82 MeV) + n (2.45 MeV)

Hydrogen_Deuterium_Tritium

Hidrojen ile, onun izotopları olan (fazladan bir ve iki nötrona sahip) döteryum ve trityum.

Reaksiyon sonucu üretilen Trityum ve Helyum-3, geri dönüştürülerek yüklü parçacık miktarı arttırılıp nötron miktarı azaltılacaktır. Şöyle ki; reaksiyon sonucu oluşan Trityum toplanabilirse, aksi taktirde oluşacak nötron salınımı oldukça düşük olur ve reaktör D-He3 reksiyonu devam ettirebilir. Bunun yanında Trityum D-T reaksiyonlarında kullanılır veya bozunup Helyum-3’e dönüşünce D-He3 reaksiyonlarında da kullanılabilir.

Anötronik Reaksiyonlar

Aşağıdaki reaksiyon çeşitleri nötron salınımı içermez ve çok daha verimlilerdir ancak zorlukları da bununla doğru orantılı artmaktadır. En büyük avantajları nötron kalkanlaması gerektirmemeleri ve direkt enerji dönüşümünü mümkün kılmalarıdır.

Füzyon Araştırmalarının Reaksiyonlar

 D-T [Döteryum (2H) – Trityum (3H)] Çevrimi
İşte şimdi dünyada kullanabileceğimiz ve üzerinde birçok araştırma-geliştirme yapılan bir çevrimden bahsedebiliriz. D-T en düşük enerjiye ihtiyaç duyan, en kolay reaksiyon tipidir. Yakıtlara bir bakalım;

Döteryum deniz suyunda metreküp başına 30 gram kadar bulunan oldukça yaygın bir izotoptur. Sadece Dünya’daki döteryum rezervlerini binlerce yıl füzyon reaksiyonlarında kullanabileceğimiz gibi, uzayda da diğer gezegenlerde, uydularda ve kuyruklu yıldızlarda da bolca bulunur bu hidrojen izotopu. Trityum yaklaşık 12 yıl yarı ömrü olan radyoaktif bir hidrojen izotopudur. Doğada fazla bulunmaz ve kozmik ışınların atmosferimiz ile etkileşimi sırasında üretilir. Şu anki teknolojimiz ile normal nükleer reaktörlerde de trityum üretimi yapılmaktadır. Yakın gelecekte ise füzyon esnasında açığa çıkan nötronların Lityum elementini bombalaması ile Trityum üretimi yapılacaktır (Dünya’daki bilinen Lityum rezervleri en az bin yıl yetecek miktardadır). D-D çevrimlerinde de trityum üretimi yapılabilir.

D-T Reaksiyonları şu şekilde gerçekleşir; 2H + 3H = 4He (3.517 MeV) + n (14.069 MeV)

Reaksiyon sonucunda açığa çıkan enerjinin 20%’si 3.5 MeV değerinde Helyum izotopu (alfa parçacığı) ve 80%’i 14.1 MeV değerinde nötrondur.

D-T, Tokamak tipi reaktörlerde kullanıma en uygun reaksiyon tipidir. Az sonra anlatacağımız D-D reaksiyonuna kıyasla daha yoğun oranda gerçekleşir ve reaksiyon oranının tepe noktası olan 13,6 keV enerji ile D-D’den daha düşüktür. Avantajları arasında diğer füzyon reaksiyonları gibi temiz ve güvenli olması yanısıra, teknolojik ve mühendislik olarak kolay olan bu döngünün dezavantajları şunlardır; Daha öncede yazdığımız gibi Trityum üretimi gerektirmektedir, bu sebeple “Lityum örtüsü” denen bir tabaka, reaktörde üretilen nötronlar ile bombalanarak Trityum üretecektir. Bu yöntemin de ayrı zorlukları vardır. Bir diğer dezavantajı da, nötronlar %80 enerji taşıyacağı için reaksiyonun enerjisinin beşte biri plazma içerisinde kalacaktır. Bu da “ateşlemenin” sürekliliğini zorlaştırmaktadır.