Hafif çekirdeklerin kaynaşması sonucunda çok büyük bir enerji açığa çıkar. Bu bütün yıldızlarda oluşan bir süreçtir, ama insanın denetimine girmesi daha çok zaman alacağa benzemektedir. Bir önceki yazımızda fisyon hakkında bilgi verdik. Bu yazımızda göz atabilirsiniz.
Daha ağır bir çekirdek vermek üzere kaynaşan iki hafif çekirdek enerji üretir. Ama bunu denetim altında oluşturmak zor bir iştir. Bu sonuca ulaşmak için iki çekirdeği, taşıdığı protonların elektrik yükleri arasındaki itme kuvveti çekirdek çekim kuvvetinin altına düşecek ölçüde birbirine yaklaştırmak gerekir.
Nükleer Kaynaşma – Füzyon Nedir?
Bu yöntemde çekirdeklere, yaklaşık 0,15 MeV dolayında olan coulomb itmesini yenebilecek bir kinetik enerji vermek için yeterli bir ısıl çalkalanma sağlamak gerekir; bu enerjinin sıcaklık olarak karşılığı, 2 milyar derece dolayındadır. Gerçekte, tünel etkisi denen kuantum olayı yüzünden gereken sıcaklık daha düşüktür. En yaygın olarak kullanılan döteryum-trityum karışımı için en azından 100 milyon dereceye ulaşmak gerekir. Böyle bir sıcaklıkta, doğal olarak, atomlar elektronlarını kaybeder; madde çekirdek ve elektronlardan oluşan bir plazma biçiminde ortaya çıkar. Buradaki sorun, oldukça sıcak ve yeterince yoğun bir plazmayı, çekirdek-çekirdek darbelerinin oluşmasına fırsat verecek kadar bir süre depolamaktadır. Toplam enerji bilançosunun pozitif olabilmesi için iyon yoğunluğunun hapsolma süresiyle, çarpımının belirli bir değerden yüksek olması gerekir: buna, Lawson ölçütü denir (1957’den beri uygulanıyor).
Hiçbir katı malzeme böyle olayda kap görevi yapamaz. Hidrojen bombasında kaynaşmaya elverişli gaz karışımı bir parçalanma bombası (atom bombası) patlatılarak ısıtılır; ama böyle bir yöntem, düzenli bir enerji debisi istendiğinden dolayı, hiçbir şekilde kullanılamaz. Yıldızlarda, karışımın yoğunlaşmasını ve ısınmasını sağlayan çekim kuvvetidir. Gelecekte, ucuz ve hemen hemen hiç bitmeyecek bir enerji kaynağı (yakıt olarak öngörülen döteryum, deniz suyunda oldukça boldur) elde etme düşüncesi 40 yıldan beri çok sayıda araştırma programının yürütülmesine neden oldu. İyonları hapsetmek için iki yöntem kullanılmaktadır.
Manyetik Hapsetme Nedir?
İyonlar, elektrik sargılarıyla oluşturulan bir manyetik alan içinde tutulur ve plazma indüklemeye ısıtılır. En yaygın manyetiktik sistem tokamak’tır. Plazma, bu sistemde simit biçiminde bir kap içinde tutulur (dairesel kesitli halka); bu kap içindeyse karmaşık bir manyetik alan egemendir. Plazma kararsızdır, ama aygıtın boyu arttıkça hapsetme süresi de artar ve bu da son tokamakların neden büyük boyutta yapıldığını açıklar. Birçok araştırma ekibi hem gereken sıcaklığa hem de Lawson ölçütüne ulaşmıştır. Zorluk her ikisini aynı anda elde etmekten kaynaklanır. Araştırıcılar yeni tokamak kuşağıyla bu amaca erişebileceklerini ummaktadırlar. Bir defa bu sonuç elde edildikten sonra, olayı kararlaştırmayı öğrenmek ve ısı üretmek amacıyla hızlı nötronlar biçiminde elde edilen enerjiyi toplamak gerekecektir.
Eylemsizlikle Hapsetme
Döteryum-trityum karışımı, ansızın sıkıştırılır ve ısıtılır. Bu amaçla yüklü parçacık demetleri veya (çoğunlukla) çok güçlü lazerler kullanılır. Bunlar, yakıt karışımından oluşan küçük bilyeler üzerine aynı anda birçok demeti, çok kısa flaşlar halinde (saniyenin milyarda birinden kısa sürede) ve çok yoğun (birçok terawatt, 1012 watt’lık bir güç) bir şekilde yönetilir. Böylece yakıt bilyeleri ansızın hem sıkıştırılır hem ısıtılır. Araştırmalar güçlü lazerler yapımı ve maddeyi sıkıştırma mekanizmaları üzerinde sürdürülmektedir. Bu çalışmalar aynı zamanda nükleer silahların yapımında da kullanılabileceğinden, araştırmalar gizli tutulmakta ve elde edilen sonuçlar konusunda pek bilgi edinilememektedir. 1975 ile 1985 yılları arasında elde edilen birkaç önemli başarıdan sonra eylem- sizlikle hapsetmenin çok büyük zorluklarla karşılaştığı sanılmaktadır.
Nükleer kaynaşma tükenmez ve ucuz enerji kaynağıdır ancak henüz elimizin ulaşabileceği bir noktada değildir. İlk kullanılabilir kilowattları elde etmeden önce hangi teknoloji kullanılırsa kullanılsın daha yıllarca araştırma ve geliştirme gerekecektir.
Tokamak Nedir?
Bir diğer tabir ile stellaratör. Tüm Dünya genelinde ki enerji üretimi ve tüketimi.
Buradan sonraki aldığım bilgiler ve kullandığım görseller 2014 tarihinde bir rus üniversitesinde yapılan seminer; “Stellarators and Nuclear Fussion Researches“, sunum: A.I.Meshcheryakov’den temin ettim.
- Gelişmiş ülkelerde, güç tüketimi – kişi başına 2 kW
- 2050 yılına kadar insan nüfusu 1,5 kat artacağı, enerji kullanımı ise 2,3 kat artacağı düşünülmektedir.
- Dünya’da üretilen toplam enerji yaklaşık olarak W =12*1012 B (yeryüzüne ulaşan güneş ısınım enerjisinin 5 de 2 si kadar)
Kontrollü nükleer füzyon tepkimelerinden elde edilen enerji miktarı;
- D + D = T + p + 4MeV,
- D + D = 3He + n + 3,3 MeV,
- 6D = 24He + 2p + 2n + 43 MeV
H2O molekülü 7000 at.Н + 1 at.D. ‘dan meydana gelir
- 1 L Su=400 L yakıt,
- D+T = 4He +n+17,6 MeV,
- Тi = 10 keV = 100 bil, Кelvin
Kontrollü nükleer kaynaşma tepkimelerinde ki sorunun çözümü;
- DT karışımı TDT = 10 keV , (1eV = 11600 Kelvin),
- PDT = PL , (PL= W/ Te ), Te = W/ PL – energy confinement time (enerji hapsetme süresi)
Ni x Te ≥ 2 x 10^20 m-3s, Ti = 10 keV için.
- Eylemsizlik hapsetme – Ni artırmak.
- Manyetik hapsetme – Te artırmak.
- Hemen üsteki görsel Toroidal bir manyetik birimdir.
- Tokamak: induktif akım ile toroidal manyetik alan bobini.
- Stellarator: toroidal manyetik alan bobini ve poloidal sargı.
Dünyanın en büyük tokamak santrali; (Stellarator) Joint European Torus
Plazma işlemi sonuçları ITER Merkezinde daha yakındır. (ITER:International Thermonuclear Experimental Reactor)
Divertor konfigürasyonu:
- Torus yarıçapı 3.1 m
- Vakum kabı: 3.96m yükseklik x 2.4m genişik
- Plazma hacmi 80 m3 – 100 m3
- Plazma akımı 5 MA’den fazladır
Günümüz konfigürasyonu:
- Manyetik çekim alanı 4 Tesla’ya kadar sınırlandırılmıştır.
- DT Füzyon enerjisi: 16 MW
- Te= 1-2 saniye (enerji hapsetme süresi)
ITER – tokamak
- R (m) – 6.2;
- a (m) – 2.0
- Plazma Akımı (MA) – 15
- Plazma Hacmi (m3) – 815
- Bо , (T ) – 5.3
- İşlem süresi, (s)> 400
- DT çıkış gücü,(MW) – 500
- <Ti>/<Te> (KeV) – 8.8/8.0
Bir sonraki yazımda stellarator (tokamak)’lar hakkında daha detaylı bilgiler vereceğim. Bu sene içerisinde Rusya’da bulunan stellarator santraline bir gezide bulunmuştuk. Reaktör sanırım 1960 civarında kurulmuş. Araştırmalar kısa bir süre önce bitirilmiş. Şuan herhangi bir deney yapılmamakta. Ortam biraz dağınık gelebilir. Bende anlam veremedim. Ama yine orada çalışma yapan öğrenciler bulunmakta. Orada çektiğim video ve görselleri sizler ile paylaşmak istedim. Hemen altta da kısa bir video hazırladım. Çekim pek başarılı olmadı ortam biraz dardı. Umarım beğenirsiniz.
Stellarator -Tokamak Füzyon Reaktörü Wendelstein 7-X