FÜZYON REAKSİYONLARI etiketine sahip kayıtlar gösteriliyor. Tüm kayıtları göster
FÜZYON REAKSİYONLARI etiketine sahip kayıtlar gösteriliyor. Tüm kayıtları göster

14 Ekim 2020 Çarşamba

Nötron üretmeyen D-He3 ve p-11B döngüleri

Polywell Fusor’a oldukça benzer. Bu modelde elektro mıknatıslar yoluyla elektronların yakalandığı bir manyetik alan ile negatif voltaj oluşturulur ve bu pozitif yüklü iyonları çeker. İyonlar negatif yüklü merkeze doğru hızlanırken kinetik enerjileri yükselir ve merkezde çarpıştıklarında füzyon reaksiyonları oluşabilir. Fikir babası olan Robert Bussard, füzyon araştırmalarının yanı sıra nükleer termal roketler ve kendi ismi verilen bussard ramjetleri üzerine araştırmalar yapmıştır. Bussard’ın kurduğuEnergy/matter Conversion Corporation (EMC2) şirketince yürütülen ve ABD silahlı kuvvetleri tarafından fonlanan araştırmalar, 2006’ya kadar gizli kaldıktan sonra günümüzde bilinir biçimde hala devam etmektedir. Birçok üniversite laboratuvarı da Polywell reaktörleri üzerinde çalışmaktadır. 
Tıpkı günümüz nükleer santralleri gibi, füzyon enerjisi de artan enerji ihtiyacının çevreye verdiği zararı, asit yağmurlarını ve sera etkisini azaltacaktır. Er ya da geç, füzyon tek başına bütün enerji ihtiyacını karşılayıp fosil yakıt kullanımını bitirecekse de, o zamana kadar uzun ve zorlu bir geçiş dönemine şahit olacak çocuklarımız ve torunlarımız. Sağlayacağı ucuz ve bol enerji şehirleri aydınlatmakla kalmayıp yüksek enerji gerektiren bilimsel araştırmaları da destekleyecek, uzayda ise yeterli optimizasyondan sonra enerji kaynağı ve itici olarak kullanılabilecektir. Teknoloji geliştikçe sırayla D-T ve D-D yakıt döngülerinin yerini nötron üretmeyen D-He3 ve p-11B döngülerine bırakıp daha gelişmiş teknolojiler üretilene kadar enerji üretimini tavan yaptıracaktır. Füzyonun Dünya’da bugünkü ve gelecekteki yerini incelediğimize göre şimdi de en yakın rokete atlayıp yörüngeye çıkalım. Yazı dizimizin bir sonraki bölümünde yörüngede bizi bekleyen füzyon roketli ve füzyon reaktörlü gemimizi inceleyeceğiz.

Hapislemeli Füzyon (Inertial Confinement Fusion – ICF)

Hapislemeli Füzyon (Inertial Confinement Fusion – ICF)
Bu yöntem ile yakıt yüksek enerjili lazerler ile ısıtılır ve sıkıştırılır. Alttaki şekilde gördüğünüz gibi, ısıtılan dış katman dışarı doğru genişlerken içeriye doğru şok dalgası göndererek yakıtı sıkıştırır. Bu sıkıştırma yeterli güçte olursa füzyon reaksiyonları oluşur. Bu reaksiyonlar yakıtın geri kalanını da füzyon reaksiyonlarına sokabilir. Böylesi yakıt parçaları yaklaşık 10 miligram yakıt içerir ve bu 10 miligram yakıt bir varil petrol ile aynı miktarda enerji açığa çıkarır(159.000.000 miligram petrol = 10 miligram D-T). ICF, manyetik hapislemeye göre daha yeni bir alandır ve 1970’lerde öne sürülmüştür. Öne sürüldüğü yıllardan bu yana reaktör modelleri büyümüş ve gelişmiştir. 

Bugün bu yöntemin en önemli örneği ABD’deki National Ignition Facility’de (NIF) bulunan reaktördür. Bu yöntemin uygulanışında; hedefe gönderilen enerji seviyesi, şok dalgaları ile içe çöken yakıtın simetrisini korumak ve maksimum yoğunluğa erişilmeden yakıtın fazla ısınması gibi birçok problemin geçen on yıllar içerisinde az ya da çok üstesinden gelinmiş olsa bile, hedefe gönderilen lazerler arasındaki güç eşitsizliğinden doğan Rayleigh-Taylor instabilitesi bugün aşılması gereken en önemli sorundur. Bu yöntemin en büyük temsilcisi NIF, 2009’da tamamlanmış ve deneylere 2010’da başlamıştır. NIF reaktöründe, 192 yüksek enerjili lazeri tek bir noktada kesiştirerek 500 terawattlık bir enerji odağı yaratma amacına 2012’de erişilmiş olsa da, ateşleme (ignition) sağlanamamıştır. Ancak 29 Eylül 2013’te 5×1015 nötron salınımı ile önceki deneylerden 75% daha fazla nötron üretilmiş, Alfa ısıtması (füzyon sonucu oluşan helyum izotoplarının salınımı) sağlanmış ve reaksiyon, ateşleme için harcanandan daha fazla enerji üreterek tarihi bir rekor kırmıştır. Ancak bu reaksiyon için kullanılan lazerlerin enerjisinin bir kısmı yakıtı tutan “hohlarum” denen dış tabaka tarafından soğurulmuştur. 

Yani lazerleri ateşlemek için daha yüksek enerji harcanmış, ancak yakıta ulaşan soğurulmuş enerji daha düşük olmuştur. Yakıt bu soğurulmuş enerjiden daha fazla füzyon enerjisi açığa çıkarmıştır. Günümüzde NIF’de, ödeneğin kesilmesi ile birlikte füzyon yerine materyal araştırmalarına odaklanılmaktadır. NIF dışında, Fransa’daki Laser Mégajoule tesisi de Ekim 2014’te ICF deneylerine başlamıştır. Japonya’da Osaka Üniversitesi de GEKKO XII ICF lazer aygıtıyla 1983’ten beri ICF testleri sürdürmektedir.



D-D ve D-T reaksiyonlarında üretilen nötronlar

D-D ve D-T reaksiyonlarında üretilen nötronların sağladığı ısıtma esas enerji üretim yöntemidir. Bu nötronların sağladığı ısı, reaktörlerin iç duvarlarındaki seramik kaplamalar ile yalıtılır. Elektro mıknatısları korumak için ayrı sıvı-helyum veya sıvı-nitrojen katmanları mevcuttur. Şu anda farklı ülkelerde işler halde 30 kadar deneysel tokamak reaktöründe araştırmalar sürmektedir. 

En büyük ve en ünlü olan proje Joint European Torus (JET), İngiltere’de 1984’ten beri aktif araştırmaların en büyük parçalarından biridir. Bu reaktörün enerji üretim rekoru, 1997’de 24 MW enerji girdisi ile, 16 MW füzyon enerjisi elde etmesidir. 2014’te Avrupa Komisyonu’nun imzaladığı 5 yıllık uzatma kontratı ve sağladığı 283 milyon Euro’luk ödenek ile bilim insanları ve mühendisler yeni bir rekor kırmaya hazırlanmaktadırlar. JET projesinden edinilen bilgi birikimi ve deneyim ile 2019’da tamamlanacak olan“International Thermonuclear Experimental Reactor” ITER, Avrupa Birliği, Hindistan, Japonya, Rusya, Çin, Amerika ve Güney Kore’nin katılımıyla bir mega projeye dönüşmüştür. 50MW enerji girdisiyle 500MW füzyon enerjisi üretilmesi planlanmaktadır. 

ITER kompleksinin yapımına 2013’te Fransa’da başlanmış ve inşa ücreti şimdiden planlanan ücretin üç katına çıkarak 16 milyar dolar ile tavan yapmıştır (Bu ücret Türk silahlı kuvvetlerinin yıllık askeri harcamasına oldukça yakındır). 2019’da tamamlandıktan sonra ilk plazma deneyleri 2020’de başlayacak ve 2027’de D-T füzyon deneyleri ile devam edilecektir. Böylece ITER, “füzyon 10 yıl uzakta” muhabbetlerini sonlandıracaktır... ITER’i takip ederek 2033’te tamamlanacak olan DEMO santrali de tokamak modelini kullanacaktır.

 


2-4 GW arası enerji üretimi ile günümüz nükleer santralleri ile eşdeğer olacaktır. Bu projeler yanında Güney Kore, K-STAR projesi ile 2008’de ilk plazma üretimini gerçekleştirdi ve şu anda ITER için bir test yatağı olarak kullanılıyor. K-STAR’ı takiben 2037’de hayata geçmesi planlanan K-DEMO isimli proje de, 2033’te tamamlanacak DEMO ile bağlantılı halde geliştirilecek.

FÜZYON REAKSİYONLARI, p-11B, Proton – Boron-11 çevirimi

 p-11B,Proton – Boron-11 çevirimi
p-11B uzak gelecek için hedeflenen bir reaksiyondur, şu anda ve yakın gelecekte mümkün değildir. Anötronik füzyon amaçlanıyor ise ki er ya da geç füzyon teknolojisinin nihai hedefi olacak, proton/boron reaksiyonu da nihai hedeftir. Bu arada Boron, bildiğimiz “Bor” madenidir.

1H + 11B = 3x(4He) + (8.7MeV)

Bu reaksiyonda bir proton, Boron-11 ile birleşerek, Karbon-12 oluşturur. Karbon-12 ise üç helyum-4 olarak bozunur. Bu reaksiyon fisyon gibi gözükse de Helyum-4 evrendeki en kararlı izotoplardan birisidir. D-He3 reaksiyonundan dahi çok daha az nötron salınımı ile p-11B neredeyse tamamen temizdir. 0.001% nötron salınımı ile her bin reaksiyonda sadece 1 nötron üretilir. 

Anötronik bir reaksiyon verimliliğine sahip olmasının yanısıra, yakıtı da oldukça yaygın ve boldur. Tek (ve malesef büyük) dezavantajı, reaksiyon oranının tepe noktasına 123 keV’de ulaşması. Yani gerekli olan sıcaklık bir D-D veya D-T reaksiyonunda ihtiyaç duyulandan 10 kat fazlası olan 1 milyar santigrat dereceye yakındır. Enerji hapsedilmesini sağlayacak manyetik alanlar da doğal olarak 500 kat daha iyi olmak zorundadır. Tokamak ve lazer odaklı reaktör modellerinin limitleri dışında olan bu reaksiyon için daha radikal farklılıklar gösteren Polywell ve Dense Plasma Focus sıkıştırma yöntemleri düşünülmektedir.



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 REAKSİYONLARI / Proton-Proton Çevrimi

Güneşimizin kalbindeki iki reaksiyon çeşidine bakalım
Proton-Proton "p-p" Çevrimi
Yıldızları Anlamak yazı dizimizde detaylı olarak bahsettiğimiz gibi, güneşimizin kalbindeki ana reaksiyonlardan biri olan, ancak Dünya’da kullanmamıza pek uygun olmayan bir reaksiyon çeşididir. Güneşimizin çekirdeğindeki sıcaklık dahi,  protonların coulomb bariyerini klasik şekilde aşması için yeterli değildir. Ancak, kuantum mekaniklerini anlamaya başlamamız ile birlikte bu protonların quantum tünellemesi yolu ile birleştiğini keşfetmiş olduk.

Kuantum Tünellemesi Parçacıkların aradaki herhangi bir bariyeri aşıp, klasik fizik ile gidemeyecekleri bir yere gitmeleridir. Eski klasik fizik kuralları, parçacıkların bariyerleri aşacak enerjisi yoktur der. Ancak kuantum fiziği bize parçacıkların hem “parçacık” hem de “dalga” özelliklerine sahip olabildiğini göstermiştir. Böylece zaman zaman bir proton çevresinden enerji ‘ödünç’ alıp, bu enerji ile aradaki bariyeri aşacak bir olasılığa sahiptir. Bu hadise 1-3 nm veya daha ince bariyerlerde görülür. Beyinlerimizi daha fazla yakmadan, anlaması ve anlatması daha kolay olan füzyon konumuza geri dönelim

p-p döngüsü sadece kuantum tünellemesiyle işlediği için yavaştır. Tek bir protonun diğer bir proton ile füzyon reaksiyonu geçirmesi için bazen bir milyar yıl gerekebilir. Tünelleme yolu ile birbirlerine ulaşan protonların önündeki bir diğer engel de zayıf nükleer kuvvet etkileşimine ihtiyaç duymalarıdır ki, bunun da olasılığı azdır. Bu zayıf ihtimallere rağmen Güneş’teki ana reaksiyon tipi budur. Çünkü zayıf ihtimalin rahatlıkla yüksek ihtimale döneşebileceği trilyon x trilyon atom vardır. Sonucunda 4 proton birleşir, bir helyum çekirdeği (alfa parçacığı), biraz nötrino ve 26.73 MeV’lik enerji açığa çıkar.

Muz Kabukları Ayakkabıları parlaktır ve bakım yapar. – Toplum ve Bitkisel Tedavi

Muz Kabukları Ayakkabıları parlaktır ve bakım yapar. – Toplum ve Bitkisel Tedavi : Dolayısıyla muz kabukları ayakkabılarınız için harika bir...