“Nükleer enerjinin geleceği için kutsal kase”: Füzyon enerjisi

Geçtiğimiz hafta ABD Enerji Bakanlığı, insanlık için çığır açıcı bir bilimsel gelişme duyurdu. Buna göre, Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı’nda bulunan Ulusal Ateşleme Tesisi’ndeki (NIF) bilim insanları tarafından yürütülen bir füzyon reaksiyonu deneyinde ilk kez harcanan enerjiden daha fazla enerji üretilmiş; füzyonda ilk kez “net enerji kazancı” elde edilmişti.

^{Philip Saltonstall/Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı/REUTERS}

Enerji üretimi anlayışını yeniden şekillendirme potansiyeline sahip olan ve dünyayı yeni bir temiz enerji kaynağı ihtimaline daha önce hiç olmadığı kadar yaklaştıran bu başarı, ABD Enerji Bakanı Jennifer Granholm tarafından bir “kilometre taşı” olarak nitelendirildi.

Peki, bu tarihi başarı tam olarak ne anlama geliyor? Füzyon, yakın gelecek için güçlü bir ihtimal mi?

Başlamadan önce: Füzyon nedir?

İnsanlık çok, çok uzun zamandır Dünya’nın da içinde yer aldığı gezegen sisteminin merkezini, yani Güneş’in gücünü yaratmaya çalışıyor. Soluk mavi nokta üzerindeki her şeye hayat veren; yaklaşık 4,6 milyar yıldır içimizi ısıtmanın da ötesinde yaşamın kaynağı olan Güneş’in, daha doğrusu yıldızların baskın enerji kaynağını taklit edebilseydik bu, uzayda uzun mesafede seyahat etmemizi ve temiz enerjiye ulaşmamızı sağlayacak muazzam boyutlardaki enerjiyi kullanabileceğimiz anlamına gelirdi. Tabii bu noktada, yapılan deneylerde 2. Dünya Savaşı’nda Japonya’nın Nagazaki ve Hiroşima şehirlerine gerçekleştirilen saldırılarda kullanılan ve yaklaşık 220 bin kişinin ölümüne neden olan atom bombaları “Little Boy” ve “Fat Man”den yaklaşık 1.000 kat daha güçlü olduğu tespit edilen “hidrojen bombası”na giden yolun da füzyondan geçtiğini belirtmek gerekiyor.

"Güneşin gücü avucumun içinde"

Uzun zamandır devam eden bilimsel çalışmalara rağmen başarılı bir füzyon reaksiyonu elde etmek şu ana kadar ne yazık ki mümkün olmadı ve bunun pek çok geçerli sebebi mevcut. 

Aslında pozitif yüklü parçacıkların çarpıştırılıp zorla kaynaştırılmasıyla çok büyük boyutta ısı açığa çıkaran yapay bir nükleer füzyon reaksiyonun nasıl yaratılacağı 70 yıldan daha uzun bir süredir bilim insanları tarafından biliniyor. Gelgelelim, bu reaksiyonu elde etmek için şimdiye kadar yapılan deneylerin hepsinde protonların ısınmasını, çarpışarak birbirlerini itmelerini ve bunun sonucunda çok hızlı hareket etmelerini kontrol etmek amacıyla harcanan enerji miktarı, reaksiyon sonucunda üretilen enerjiden daha büyüktü. Bununla birlikte; tepkiyi kontrol altına almak, başka bir deyişle, tepkinin bombaya evrilmesinin önüne geçmek de oldukça tehlikeli olarak biliniyor.

Ancak tüm bunlar, bir avuç bilim insanının, donmuş hidrojenden oluşan küçük bir kapsülü 192 yoğun lazer ile bombardımana tutarak atomları kabın etrafında inanılmaz derecede yüksek bir hızda zıplamaya zorlamasıyla 5 Aralık’ta değişti. Deney sonucunda bilim insanları, yıldızlara güç veren zincirleme reaksiyonlar dizisinin aynısı olan sürecin tetiklenmesini ve bunu takiben reaksiyonun gerçekleşmesi için sarf edilen enerjiden 1,5 kat daha fazla ısı üretilmesini başardı.

Bu, insanlığın asırlardır gücünü kıskandığı “yıldızlara” sonunda ulaştığı; güneşin gücünü “avucunun içinde” tuttuğu anlamına geliyordu.

^Tenor

Öte yandan, bu tarihi adımın atılmış olması, iklim krizini çözmeye çok yaklaştığımız anlamına gelmiyor. Hatta, yeşil, güvenli ve bol miktarda füzyon enerjisine giden yolun hâlâ oldukça bulanık olduğunu söylemek mümkün. 

İnsanlığın fosil yakıtlara duyduğu endişe verici bağımlılık, sanayi devrimi öncesine kıyasla küresel sıcaklıkta 2 derecelik bir sıçramanın tetiklenmesi tehdidinin doğmasına neden oldu. Bunun gerçekleşmesi hâlinde sel, yangın, ölümcül fırtınalar, eriyen buzullar, yükselen deniz seviyeleri ve salgın hastalıkların olduğu tanıdık kıyamet senaryolarının senaryodan öte bir gerçeğe dönüşmesi oldukça olası.

Hâl böyleyken bilim insanlarının hemen hemen hepsinin hemfikir olduğu tek bir nokta var gibi duruyor: Füzyon, dünyayı ve insanlığı kurtarmak için zamanında gerçekleşmeyecek. Konuya ilişkin olarak Manchester Üniversitesi’nde nükleer füzyon alanında araştırma görevlisi olan Aneeqa Khan, “Hâlâ ticari füzyondan çok uzaktayız ve şu an iklim krizinde bize yardımcı olamaz” ifadelerini kullanıyor. Bir başka nükleer araştırmacı olan Cambridge Üniversitesi’nden Tony Roulstone ise bu sonucun bilim için bir başarı olduğunu; ancak yararlı ve bol miktarda enerjiden hâlâ çok uzakta olduğumuzu belirterek Khan’ın söylediklerini destekliyor.

Aşılması gereken engeller

IEEE Spectrum’a konuşan uzmanlara göreyse füzyonun insanlığı iklim krizinden kurtarması için önce gerçekleşmesi gereken 5 şey bulunuyor:

^NASA/SDO/AIA

İlk olarak, reaksiyonun NIF’deki lazer atışından en az 100 kat daha etkili olması gerekiyor. Kendisine yöneltilen lazer enerjisini aşmış olsa da NIF'te üretilen enerji, her atış için şebekeden yaklaşık 300 MJ enerji çeken lazerleri ateşlemek için gereken enerjinin oldukça gerisinde kalıyor. Lawrence Livermore'un ataletsel füzyon enerjisi alanındaki kurumsal girişiminin lideri Tammy Ma, duyuru sırasında bu durumun NIF'in bilimsel deneyleri için bir faktör olmadığını belirtse de herhangi bir çalışan reaktör için çok daha iyi olması gerektiğini kabul ediyor.

İkinci olarak, herhangi bir reaktörün lazerlerini hidrojen kapsüllerine ateşleme hızının çok daha yüksek olması gerekiyor. İdeal olarak, lazerlerin saniyede birkaç kez ateşlenebilmesi gerekiyor. Ancak mevcut durumda NIF, araştırmacıların her atıştan sonra ince ayar yaparak deneylerini tekrar tasarlaması nedeniyle lazerlerini yılda sadece birkaç kez ateşleyebiliyor.

Üçüncüsü, eylemsiz füzyon süreci daha verimli olsa dahi, üretilen enerjinin kullanılabilir elektriğe dönüştürülmesi gerekiyor. Bunun için önerilen çoğu teklif, ısı üretmek ve buhar türbinini çalıştırmak için fırlatılan nötronları emen bir “battaniye” ile tüm kurulumun sarıldığı bir tasarıma dayanıyor. Bu konuyla alakalı olarak Princeton Plazma Fiziği Laboratuvarı yöneticisi Steven Cowley, “Modeller yaptık, ama asla çalışan bir battaniye yapamadık” şeklinde konuşuyor.

Dördüncüsü, bir atalet füzyon reaktörünün çalıştırılması ve bakımının yapılması için gereken maliyetin önemli ölçüde düşmesi gerekiyor. Şu anki hâliyle NIF'in hidrojen kapsüllerinin her biri yüz binlerce dolara mal oluyor ve geliştirilmesi birkaç ay sürüyor. Aşırı küçük kusurların bile performansı büyük ölçüde etkilediği gerçeği, kapsüllerin en ufak bir hata olmadan yapılması gerektiği anlamına geliyor. 

Son olarak, her şeyden önce atalet füzyonun ticari olarak rekabete açık olup olmayacağı hâlâ gizemini koruyor. Teknoloji henüz çok yeni ve tam potansiyeline ulaşması için de önünde uzun bir yol bulunuyor. Bu da teknolojinin ticari uygulanabilirliğine ilişkin ileriye dönük sağlam tahminler yapılmasını engelliyor.

Bütün bunlar hesaba katıldığında bu, hâlâ yapılması gereken çok iş olduğunu söylemenin bile “yetersiz” kaldığı anlamına geliyor. Öte yandan, projenin tamamen umutsuz vaka olduğu da söylenemez. Duyurunun yapıldığı sırada NIF yetkilileri, günün sonunda temiz ve bol enerji hedefinin, olası her çözüme yatırım çekecek kadar önemli olduğunun altını çiziyor ki elde edilen son sonuçlar da atalet füzyonun güçlü bir ihtimal olduğunu gözler önüne seriyor. Konuya ilişkin olarak Cowley, “Manyetik füzyon yoluyla ticari füzyon enerjisi elde etmek için yapılacak çok iş var; ancak bunun yapılabileceği oldukça kesin. Ancak bu sonuç, atalet füzyonunun aynı zamanda ticari füzyona giden bir yol olabileceğini de gösteriyor. Ve bunu iki hafta önce bilmiyorduk,” ifadelerini kullanıyor.

Artıları ve eksileriyle füzyon

2019'da Nükleer füzyon, 2019'da National Geographic tarafından "nükleer enerjinin geleceği için kutsal kase" olarak tanımlandı. Buna göre füzyon, sadece daha güvenli bir şekilde daha fazla enerji üretmekle kalmayacak, aynı zamanda fisyona göre çok daha az zararlı radyoaktif atık üretecekti.

Buna ek olarak, füzyon fisyona kıyasla çok daha az yakıt gerektirir ve yakıtın elde edilmesi çok daha kolaydır. Fisyon, çıkarılması ve zenginleştirilmesi gereken nadir bir madde olan uranyum gerektirir; füzyon ise deniz suyundan kolayca elde edilebilen döteryum ve reaktörde lityumdan elde edilen trityum gerektirir. Lityumum elde edilmesi ise uranyuma kıyasla çok daha kolay ve daha az maliyetlidir. Uluslararası Termonükleer Deneysel Reaktör (ITER), "karasal lityum rezervlerinin füzyon enerji santrallerinin 1.000 yıldan fazla çalışmasına imkan tanıyacağını, deniz kaynaklı lityum rezervlerinin ise milyonlarca yıl boyunca ihtiyaçları karşılayacağını" tahmin etmiştir.

Öte yandan; lityumun son birkaç yıldır elektrikli bataryalar için hammadde üretmek amacıyla artan kullanımı, büyük ölçekli madenciliğin etkileri konusunda endişelere yol açmıştır. Ne var ki, nükleer füzyon güç istasyonlarının ihtiyaç duyduğu lityum miktarlarının nispeten küçük olması ve elbette daha fazla enerji üretimine yol açması, bu endişelerin görece yersiz olduğunu gösteriyor. Ayrıca, füzyon reaktörlerinin karbondioksit veya diğer sera gazları gibi toksinler yaymadığı gerçeği de karşımıza füzyonun bir başka artısı.

Nükleer fisyonla ilgili en büyük endişelerin başında, daha önce Çernobil ve Fukuşima'da gördüğümüz üzere erime ihtimali olarak karşımıza çıkıyor. Ancak, nükleer füzyonda bu tür bir kontrolsüz zincirleme reaksiyonun meydana gelemeyeceği ifade ediliyor.

Nükleer füzyonun en büyük dezavantajı, 1950’den beri faaliyette olan nükleer fisyon santrallerine kıyasla füzyona ulaşmanın korkunç derecede zor olması olarak karşımıza çıkıyor.