Nükleer Füzyon Nedir? Ne Zaman Kullanılacak?

Bugünkü nükleer güç santrallerinden 4 kat fazla enerji üretecek olan temiz nükleer füzyon reaktörleri ne zaman kullanıma girecek? Başta belirttiğim gibi dünyada iki tür nükleer enerji bulunuyor: Atomu birleştirerek enerji üreten nükleer füzyon ve atomu parçalayarak çalışan nükleer fizyon. Nükleer fizyon santralleri ile yaklaşık 70 yıldır nükleer enerji üretiliyor. Ancak, küçük atomları birleştirip büyük atomlar oluşturarak çalışan nükleer füzyon çok daha fazla enerji açığa çıkarabiliyor. Peki nükleer füzyon reaktörleri nasıl çalışıyor? Neden hala deneme aşamasında ve hep 30 yıl sonra kullanılacak deniyor?

Nükleer füzyon reaktörleri klasik nükleer reaktörlerden daha az radyasyon yayıyor ve çok daha az nükleer atık üretiyor. Üstelik nükleer reaktörler radyoaktif olan zenginleştirilmiş uranyum yakıtıyla çalışırken füzyon reaktörleri çok daha az radyoaktif olan döteryum ve trityum gazı kullanıyor (Döteryum [D] fazladan bir nötron ve trityum [T] iki nötron içeren hidrojen izotopudur)

Füzyon reaktörleri temiz olduğu için klasik nükleer reaktörlerden 100 kat ucuza enerji üretme potansiyeline sahip bulunuyor. Bir kez füzyon teknolojisi ticarileştiğinde yeni reaktörlerin işletilmesi inşaat aşamasından hurdaya çıkma aşamasına dek tüm yaşam döngüsünde, bakım-onarım açısından çok daha ucuza gelmektedir. Oysa sorunca hep aynı cevabı alıyorsunuz: Füzyona 30 yıl var!

Hatta bu söz 60 yıldır söylendiği için bilim insanları arasında nükleer füzyon artık şaka konusu oldu: Füzyona her zaman 30 yıl vardır 😀

Güneş enerjisi

Güneş enerjisi panelinde güneş ışığı elektriğe çevriliyor. Ama asıl güneş enerjisi nükleer füzyondur; çünkü Güneş çekirdeğinde gerçekleşen füzyon reaksiyonlarıyla ısı ve ışık üretiyor. Güneş'in çekirdek basıncı Dünya deniz seviyesinin 250 milyar katı ve buna rağmen füzyon için 15 milyon santigrat derece sıcaklık gerekiyor. Neyse ki Güneş'in merkezi o kadar sıcak ama Dünya'da bu basınca ulaşamayacağımız için  en az 100 milyon derecelik yanma sıcaklığına ve sürekli yanma için de belki 200 milyon dereceye erişilmesi gerekiyor. Bu zor olduğundan insanlar uzun süredir güneş ve rüzgar enerjisine bel bağladılar. Bunlar temiz yenilenebilir enerji kaynakları ama güneş ve rüzgar santralleri de çevreye bir miktar zarar veriyor aslında. Her şeyden önce güneş paneli ile pil üretimi ve santral inşaatı çevreyi kirletiyor.

Gerçi güneş tarlaları arazide petrol şirketlerinin öne sürdüğü kadar yer kaplamıyor. Ancak doğal araziyi işgal ediyor. Bunun dışında rüzgar türbinlerinin pervaneleri ve güneş altında çok ısınan güneş panelleriyle kuşlar, kaplumbağalar ve diğer canlıları öldürüyor ne yazık ki. Ayrıca güneş paneli ve rüzgar gülleri fosil yakıtlardan daha düşük verimlilikte çalışıyor.

Pratikte güneş paneli verimliliği yüzde 12 ve rüzgar türbini verimliliği de yüzde 35-45 oluyor. Ancak bu yazdıklarım güneş enerjisine karşı olduğum anlamına gelmesin. Sadece bu teknolojinin sanıldığı kadar çevreci olmadığını ve ticari açıdan yaygın doğal gaz santralleriyle rekabet etmesinin şimdilik zor olduğunu belirtiyorum.

Geleceğin enerji sistemlerinin, güneş enerjisi, hidrojen yakıt hücreleri ve nükleer füzyondan oluştuğunu yazdım. Ancak şuna dikkat edelim: Nüfus artışı ve yeni teknolojiler enerji gereksinimini de hızla artırıyor. Güneş enerjisi bu ihtiyacı karşılayacak kadar  yeterli değil.

Özellikle kuzey şehirlerinin güneydekiler  kadar gün ışığı almadığını, dünyanın birçok yerinin bulutlu olduğunu düşündüğümüzde bunu anlıyoruz. Nükleer enerji ise 7/24 elektrik üretebiliyor. Nükleer füzyon santralleri  Çernobil gibi klasik nükleer güç santrallerinden daha az yer kaplayacak. Ürün ticarileştiğinde inşaat ve bakım-onarım harcamaları çok daha az olacak.

Özetle nükleer füzyon bırakın daha temiz bir nükleer enerji teknolojisi olmayı, karbon ayak izi açısından da en çevreci seçim olacak. Az yakıtla bol enerji üretebilebilecek. Buraya kadar güneş-rüzgar enerjisi sektörü ile petrol şirketlerinin nükleer füzyona neden sıcak bakmadığından bahsettim. Zaten petrol şirketleri hem güneş enerjisini küçümsüyor hem de temiz enerji sektörünü geleceğin nükleer füzyon sektörüne karşı kışkırtıyor. Peki nükleer füzyon atomu parçalamakla rekabet edebilir mi?

Nükleer füzyon ve nükleer fizyon

Bugün nükleer santraller yüzde 30 verimlilikle çalışıyor. Tipik rüzgar enerjisi verimliliği ise yüzde 35-45'tir; yani rüzgar her yerde 7/24 esse (Dünya'nın yaşanmaz bir yer olması dışında) nükleer enerji asla temiz enerjiyle rekabet edemezdi.

Ancak, nükleer enerjiyle ilgili çok ciddi üç sorun var:

1) Radyoaktif atıklar, 2) Çernobil ve Fukuşima nükleer kazası gibi felaketler ve 3) Nükleer savaş tehlikesi. İlk ikisini açıklamaya çalıştım. Fakat nükleer savaş tehlikesi hayati önem taşıyor. Bütün nükleer reaktörlerde plütonyum üretebilirsiniz, yeter ki isteyin. Plütonyum nükleer silahlarda kullanılır. Dolayısıyla ABD, Fransa, Japonya, Çin, İngiltere gibi ülkeler nükleer enerjiye ekonomik sebeplerle ve temiz enerji olduğu için değil, nükleer silah üretmek için geçtiler deniyor. Ayrıca ABD, İran daha fazla nükleer silah üretirse Ortadoğu'da sözüm geçmez diye mücadele ediyor ve aynısı Kuzey Kore için de geçerli. Bölgesel nükleer savaş bile ölümcüldür.

Özetle nükleer güç santralleri stratejik rezervdir ve bunlara her ülkenin sahip olması istenmez. Buna uranyum kaynaklarının sınırlı olmasını da ekleyelim. Nükleer silah çekincesi yüzünden uranyum ticareti dünyada sıkı bir şekilde kontrol ediliyor. Sonuçta kamuoyu, nükleer savaş ve nükleer kaza endişesi yüzünden haklı olarak nükleer enerjiye karşı oluyor. Peki bu nükleer füzyon için ne anlama geliyor? Füzyon da klasik nükleer enerji gibi dışlanacak mı?
 

Nükleer enerji verimliliği

Nükleer füzyon sektörünü, küresel ısınma ve çevre kirliliğini anlamak istiyorsak enerji üretiminin maliyetini anlamamız çok önemli. Yoksa takım tutar gibi güneş enerjisinin tarafını tutuluyor ve petrol sever politikacılar da algı yönetimiyle onları ekarte ediyor.

Net verimlilik enerji sektörü için tek başına anlamlı değildir. Atomu parçalayarak atom başına daha çok enerji üretiliyor ama nükleer füzyon 1 kg yakıtla 4 kat fazla enerji üretiyor. Uranyumun sınırlı olduğunu biliyoruz, oysa füzyonda hidrojen izotopları kullanılıyor. Bunları ağır sudan elde ediyor ve ağır suyu da okyanus suyundan alıyorlar. 2020 yılı tüketim verilerine göre Dünya'da nükleer füzyona 26 milyon yıl yetecek kadar ağır su var.

Fukuşima Nükleer Santrali

Japonya, komşu ülkelerin itirazlarına rağmen Fukuşima nükleer santralinde biriktirilen ve radyoaktif maddeler içeren bir milyon tondan fazla atık suyu 24 Ağustos Perşembe günü Pasifik Okyanusu'na boşaltacak.

Bu karar, bir hafta önce Birleşmiş Milletler (BM) Uluslararası Atom Enerjisi Kurumu (IAEA) tarafından onaylanmıştı.

2011'deki şiddetli deprem ve tsunamide ağır hasar gören Fukişima tesisinde son 12 yılda 1,34 milyon ton, yani 500 olimpik havuzu dolduracak kadar atık su biriktirildi. Filtrelenip deniz suyuyla seyreltilen su, 30 yıl boyunca kademeli bir şekilde okyanusa boşaltılacak. Japonya Başbakanı Fumio Kişida yaptığı açıklamada, yetkililerin hava ve deniz koşullarının uygun olması halinde, tesisin işletmecisinden 24 Ağustos'ta başlayacak işlem için "derhal hazırlık yapmasını" talep edeceğini söyledi.
Hükümetin iki yıl önce onayladığı atık suyu denize boşaltma planı, Asya ve Pasifik bölgesinde endişeye neden oldu.

Uluslararası Atom Enerjisi Kurumu, Temmuz ayında atık suların çevre ve insanlar üzerinde "ihmal edilebilir" bir etkiye sahip olacağını söyleyerek planı onaylamıştı.

Ancak bölgedeki balıkçılar da dahil olmak üzere pek çok kişi, geçimlerinin etkileneceğinden korkuyor.

Greenpeace gibi bazı çevre örgütleri ise filtreleme sürecinin kusurlu olduğunu söylüyor ve önümüzdeki yıllarda "muazzam" miktarda radyoaktif maddenin denizde yayılacağı konusunda uyarıda bulunuyor.

Japonya hükümeti, Pasifik Okyanusu'na atılacak suyun güvenlik standartlarını karşıladığını söylüyor.

Dünyanın dört bir yanındaki nükleer santrallerin düzenli olarak Fukuşima'daki arıtılmış suyun üzerinde trityum seviyelerine sahip atık suyu denizlere boşalttığı belirtiliyor.

Bazı komşu ülkeler ise Japonya'nın planına şiddetle karşı çıkıyor.
Çin, Japonya'yı okyanusa "kendine ait kanalizasyon" muamelesi yapmakla suçladı. Hong Kong, bazı Japon gıda ürünlerine yönelik ithalat kısıtlamalarını "derhal devreye sokacağını" açıkladı.
Öte yandan planı onaylayan Güney Kore, protestocuları korku tellallığı yapmakla suçladı.

Nükleer füzyon güvenli midir?

Nükleer füzyon yapısı itibarıyla kontrollü bir reaksiyondur. Oysa nükleer fizyonda bir kez atomu parçalamaya başladınız mı zincirleme reaksiyon başlar ve bunu durduramazsınız.

Nükleer füzyon klasik nükleer enerjiden çok daha az radyasyon üretir. Sert nötron radyasyonu ölümcüldür ama füzyon reaktöründe çok sınırlıdır.

Özetle radyasyon açısından füzyon reaktörünün inşaat ve bakımı çok güvenlidir.

Nükleer füzyon nasıl çalışıyor?

Bunun için yanma odasında en az 100 milyon derece sıcaklığın korunması lazım. Ardından D+T reaksiyonu ile helyum üretilmektedir. Bu sırada büyük enerji açığa çıkmaktadır ve D+T sonrası açıkta kalan serbest nötronlar da daha fazla D+T reaksiyonunu katalize etmektedir. Ayrıca helyum çekirdeği de D+T kaynaşmasından kalan enerji fazlasını elektronlara vermektedir.

Sonuç olarak 100 milyon derecelik D-T gazı aslında gaz değil, plazmadır. Yüksek sıcaklıkta elektronlar atomlardan kopar ve atom çekirdekleri çıplak kalırken elektronlar gazın içinde serbestçe yüzerler. Buna maddenin plazma hali denir. Helyum füzyonu sırasında elektronlara enerji verirseniz bunlar gazın geri kalanını da ısıtarak zincirleme füzyon reaksiyonu başlatacaktır. Buna alfa ısınması deniyor ve bir kez bunu başarırsanız ilk ateşlemeden sonra yanma kendi başına devam ediyor. Yanma odasına yakıt eklenmeye devam ettikçe sürer. Şimdi diyebilirsiniz ki "Buraya dek nükleer füzyonu mucize çözüm gibi anlattınız. Peki eksileri yok mu?"Tabii ki var.

Nükleer füzyonun dezavantajları

1) LLNL füzyonda yüzde 48 güç verimliliği elde etti ama bu deneysel bir teknoloji. Henüz nükleer füzyonun nasıl elektriğe çevrileceğine karar verilmedi.  Kendi başına yanan nükleer füzyon reaksiyonları başlatmak en büyük zorluktur ama ondan sonra füzyonu elektriğe çevirmek geliyor. Bunun için ek yatırım ve Ar-Ge gerekecektir.

2) Nükleer füzyon pek az radyasyon ve düşük düzeyde radyoaktif atık üretecek fakat çok fazla atık çıkaracak. Radyasyon düzeyi düşük olduğu için bunları taşımak ve gömmek kolay olacak, ancak radyasyonun yeraltı suyuna karışarak kanser vakalarını artırma riski var. Teknik olarak radyasyon düzeyi düşük olabilir ama ne kadar düşük olsa da radyoaktif atıklar öldürücüdür. Buradaki asıl risk eser miktarda da olsa suya ve havaya radyoaktif maddenin karışacak olmasıdır.

3) Füzyon reaktörlerinin içine uranyum koyarsak nükleer silah yakıtı olan plütonyum 239 üretebiliriz. Bu da nükleer silahlanmaya yol açabilir. Özellikle de ağır su ticaretini sınırlı uranyum gibi kontrol edemeyeceğimiz için... Yalnız füzyon santrallerini sadece gelişmiş ülkeler üreteceğinden ve onlar da ya nükleer silahlara sahip olduğu veya nükleer silah üretmediğinden bu gerçek bir risk değildir.

4) Füzyon reaktörleri büyük miktarda soğutma suyu kullanacak. Doğrudan soğutma yöntemiyle, güç üretiminde tonlarca su tüketilecek. Bu da yeraltı sularını tüketerek kuraklık riskini artıracak.

Bu bilgileri nükleer füzyona karşı olan ve klasik nükleer güç santrallerini savunan kaynaklardan aldım. Füzyon gösterildiği kadar dezavantajlı değildir. Bir kere bu sorunları klasik nükleer enerjiden daha kolay, hızlı, güvenli ve ucuza çözebiliriz. İkincisi füzyon klasik nükleer enerjiden daha hızlı ölçeklenecek. Kullanıma girince istihdam ve işletme masrafları hızla azalacak.
 
Nükleer füzyon ve ITER

Dünyadaki bütün deneysel füzyon reaktörlerin en önemlisi olacak ITER'e gelelim:  Uluslararası Termonükleer Deneysel Reaktör (İngilizcesi: International Thermonuclear Experimental Reactor) ITER, uluslararası araştırma ve mühendislik projesidir ve Fransa'nın güneyinde Saint-Paul lès Durance'ta bulunmaktadır.

ITER bütçesini AB karşılıyor ve diğer ülkelerin reaktör verilerinden de yararlanacak olan ITER birçok devlet tarafından destekleniyor (başta Çin, Hindistan, Japonya, Güney Kore ve ABD olmak üzere 35 diğer ülke). Brexit yapan İngiltere AB ile bilimsel araştırma işbirliği statüsünü korumazsa füzyonda geri kalacak.

25 bin tonluk dev ITER reaktörünün inşaatı 2025'te tamamlanacak. ITER 50 megavat ısıtma enerjisiyle 500 megavat güç üretmek üzere tasarlandı. Kısacası tükettiğinden 10 kat fazla enerji üretecek. Bunu başarırsa füzyona çamur atan nükleer fizyon santrali şirketlere güzel bir cevap verecek.

Diğer sorun ise nükleer füzyondan elektrik üretmek. Enerji üretmek için önce nükleer reaksiyonlar reaktör duvarlarını ısıtacak. Duvarlar da reaktörü saran suyu ısıtıp yüksek basınçlı buhara dönüştürecek ve bu da türbinleri döndürüp elektrik üretecek. Kısacası elektrik üretim teknolojisi nükleer fizyon santralleriyle aynıdır. 

Helyum 3 füzyonu tek gerçek temiz nükleer enerjidir ve gelecekte şehir içinde neredeyse doğal gaz santrali kadar güvenli olacaktır. Reaktörleri yıpratan nötron radyasyonu yaymadığı için füzyondan güvenli elektrik üretmeyi sağlayacak ve nükleer atık sorununu kesin olarak çözecektir.

Yakın gelecekte elektrikli araç şarj eden akıllı yollarla temiz enerji sektörünün nükleer füzyonla nasıl işbirliği yapacağını görebilmek umuduyla...