Füzyon Ateşleme Atılımının Enerji Seviyesi

Kısa bir füzyon enerjisi patlaması üreten bir deney, bu zor ama potansiyel olarak devrimci, sıfır karbon güç kaynağı için cesaret vericidir.

Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı’ndaki bilim adamları, Aralık ayında, tetiklemek için kullanılandan daha fazla enerji üreten bir füzyon reaksiyonunu ateşlemek için 192 lazer kullanarak büyük bir füzyon kilometre taşını geçti. Dalgalanma sadece kısa bir an için sürdü, ancak sonuçları çok daha uzun sürüyor.

Başarı, 70 yıldan fazla bir süre önce termonükleer silah üreten ancak yine de elektrik gücü üretebilecek reaktör olmayan bir alan olan Fusion için yüksek su işaretidir. Kontrollü füzyonun bilimsel ve mühendislik zorlukları zorludur.

Ancak LLNL’nin Ulusal Ateşleme Tesisi, yani NIF’deki deney, bilim ve herhangi bir karbondioksit serbest bırakmadan evlerimize ve arabalarımıza güç verecek yeni bir enerji kaynağı hayali için ne anlama geliyor?

Kısacası, alkışlamak büyük bir anlaşma ve iyi, ancak yeşil bir enerji devriminin yakın olduğu anlamına gelmez. Fusion Power Progress’in meyve taşıması hala yıllar alacak – muhtemelen on yıl kadar – ve Fusion’un güç şebekemizi kökten dönüştürecek kadar ucuz olup olmayacağı hala net değil. Günümüzün güneş ve rüzgar yatırımlarına devam etmek, iklim değişikliğiyle mücadele için kritik öneme sahiptir.

Ticari Fusion Ventures, NIF deneyini alkışladı ve o zamandan beri kademeli ilerleme kaydetti. Commonwealth Fusion Systems, Massachusetts, Devens’de yeni bir karargah açtı ve burada güç şebekesine bağlanacak bir deneysel reaktör oluşturmayı bekledi. Tokamak Energy ve General Fusion, İngiltere’de Oxford yakınlarında yeni tesislerin inşa edildiğini duyurdu. Ve en önemlisi, Helion Energy, Microsoft’un füzyon gücünü 2028’de çevrimiçi olması planlanan Constellation adlı bir tesisten satın almayı kabul ettiğini duyurdu.

İşte neler olduğuna ve hala ne olacağına bir göz atın.

Füzyon nedir?

Ulusal ateşleme tesisi, biber boyutlu füzyon yakıt peletine sahip bir odada röntgenler üretmek için kızılötesi ve ultraviyole lazer ışığı kullanır.

Füzyon, hidrojen veya helyum gibi iki daha hafif element, tek, daha ağır bir elementle birleştiğinde ortaya çıkar. Bu nükleer reaksiyon, etrafındaki en büyük füzyon fırını, güneş tarafından sergilendiği gibi çok fazla enerji serbest bırakır.

Yine de füzyonun yeryüzünde meydana gelmesi daha zordur, çünkü atom çekirdekleri olumlu bir şekilde yüklenir ve bu nedenle birbirlerini iter. Güneşin muazzam kitlesi, bu itmenin üstesinden gelen muazzam bir baskı üretir, ancak yeryüzünde diğer güçler gereklidir.

Füzyon için iki genel yaklaşım vardır: atalet ve manyetik hapsetme. Ataletsel hapsetme genellikle çok fazla güce sahip bir peleti zaplamak için lazerler kullanır ve füzyon yakıtını sıkıştıran bir patlamayı tetikler. NIF’in kullandığı yöntem budur.

Diğer yaklaşım manyetik alanlar kullanır. Füzyon enerjisini ticarileştirmeye çalışan şirketler arasında daha yaygın.

NIF’deki deney ne başardı?

Füzyon reaksiyonunun ürettiği enerjinin – 3.15 milyon joule – reaksiyonu tetiklemek için pompalandığı 2.05 megajoule’yi aştığı füzyon için kritik bir eşik geçti. Füzyon araştırmacıları, q harfi ile çıkış enerjisinin enerjiye oranını belirtir ve bu ilk kez q = 1’i aştı.

Füzyon reaktörleri, enerji üretimi pratik olmadan önce Q = 10 eşiğine ulaşmak zorunda kalacaktır. Fransa’da ITER adı verilen başka bir devlet tarafından finanse edilen proje de dahil olmak üzere herkesin hedeflediği şey bu. Ve füzyon reaktörleri Q = 10’a NIF’den çok daha sık ulaşmaları gerekecektir.

Bazı açılardan, akademik bir kilometre taşı, bir füzyon deneyleri onlarca yıldır sürüklendi. Ancak Fusion’un oraya gelmediği için itibarı göz önüne alındığında, neyin mümkün olduğunun önemli bir kanıtı. Füzyonun geleceğin enerji kaynağı olduğunu ve her zaman olacağını söyledi.

NIF deneyi yeşil güç için ne anlama geliyor?

Birkaç nedenden dolayı büyük bir miktar değil. Birincisi, çoğu ticari füzyon enerjisi projesi, NIF’in lazer tabanlı yaklaşımını değil, çeşitli manyetik hapsetme formlarını kullanıyor, bu nedenle mühendislik zorlukları farklı. Bir diğeri için NIF, nükleer silahları araştırmak için finanse edilen, ızgara için güvenilir enerji üretmek için tasarlanmış bir proje değil, nükleer silahları araştırmak için finanse edilen 3,5 milyar dolarlık bir ulusal laboratuvar projesidir.

Princeton araştırmacısı Wilson Ricks, “Gelecekteki füzyon bitkilerinin NIF gibi bir şeye bakmasını beklemeyin,” dedi. NIF’in lazerlerinde ve füzyon ısısının elektrik gücüne dönüştürülmesinde büyük verimsizlikler, tasarımının doğal olarak pratik olmadığı anlamına gelir. Buna karşılık, “Manyetik hapsetme füzyonu gerçek bir söz veriyor” diye tweetledi.

Fusion’ın maliyetini düşürmek, başarısı için kritik öneme sahiptir, çünkü günümüzün fisyon tabanlı nükleer reaktörler gibi, daha ucuz ama aralıklı olan rüzgar ve güneş gibi istikrarlı bir güç ve yenilenebilir enerji kaynağı üretebilen sıfır karbon alternatiflerine karşı rekabet etmek zorunda kalacaktır.

Princeton plazma fizik laboratuvarındaki araştırmacılar, Fusion’ın elektrik şebekesi üzerindeki beklentilerini değerlendiren henüz hakemli bir araştırma makalesinde sonuçlanan “Fusion’ın ilk rakibi Fisyon”. Fusion’ın yüksek maliyetleri yeterince düşebilirse, gelecekteki fisyon tesislerine olan ihtiyacın yerini alabilmesini ve daha fazla düşürülürse, güneş ve enerji depolama kombinasyonuna karşı da rekabet edebileceğini umuyorlar.

NIF büyük, karmaşık bir site. Füzyon santralleri, fabrika çizgisinden çıkan bir şeye benzeyen daha ucuz, daha küçük birimlerde inşa edilebilirse, üretim maliyetleri azalmalıdır. Bu, Wright’ın Yasası, deneyim eğrisi veya öğrenme eğrisi adlı bir fenomen sayesinde, güneş ve rüzgar için maliyetleri sürekli düşüren. Bir füzyon tesisi ne kadar büyük ve daha özelleştirilmişse, daha az maliyet düşer ve daha az rekabetçi füzyon olacaktır.

NIF’in sonuçlarından en azından daha az doğrudan fayda var mı?

Evet. Bilim adamları, endüstri için bir savunuculuk grubu olan Fusion Endüstrisi Derneği genel müdürü Andrew Holland, dış kaynaklara güvenmek yerine kendi ısısını sağladığını açıklamak için füzyon fizik modellerini güncelleyerek NIF deneyinden biraz fayda sağlayabilirler.

Ve dikkat, özellikle füzyon enerjisi hakkında uzun süren şüphecilik göz önüne alındığında yardımcı olabilir.

Tae Technologies CEO’su Michl Binderbauer, NIF’in sonucunu “füzyon çağının başlangıcına büyük bir basamak taşı” olarak nitelendirdi ve füzyon enerjisinin gerçekten akla yatkın olduğu önemli bir örnek olduğunu söyledi.

Yatırımcılar da fark etti. Holland, Fusion Endüstrisi Derneği’nin Fusion Energy girişimlerine risk sermayesi yatırımlarında 4,8 milyar dolarlık risk sermayesi yatırımlarını detaylandıran indirmelerin, NIF başarısının açıklanmasından bu yana on kat arttığını söyledi. Yetkili, talep edenlerin çoğunun yatırım firmalarından olduğunu da sözlerine ekledi.

Fusion NIF’de nasıl çalışır?

NIF, 4 megajoule kombine enerji seviyesine sahip 192 güçlü kızılötesi lazer kullanarak füzyonu tetikler-yaklaşık 100mph’de seyahat eden iki tonluk bir kamyonla aynı. Bu önce 2 megajoule’ye ultraviyole ışık haline getirilir, daha sonra biber boyutlu bir füzyon yakıtı peletine sokan röntgene dönüştürülür.

Yoğun X-ışınları, peletin dış tabakasının patlayıcı bir şekilde patlamasına, pelet iç kısmını sıkıştırmasına ve füzyonu tetiklemesine neden olur. Bu füzyondan gelen ısı, yakıt bitene veya eğimli hale gelene ve bitene kadar reaksiyonu sürdürür.

Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı’ndaki Ulusal Ateşleme Tesisi üç futbol sahası büyüklüğündedir.

Çekirdekler? Hidrojen? Beni atom fiziğine yakalayın, lütfen

Elbette! İşte hızlı bir tazeleme.

Yeryüzündeki her şey, her biri merkezi bir çekirdek ve negatif yüklü elektronlar bulutundan oluşan küçük atomlardan yapılmıştır. Çekirdek nötronlardan ve pozitif yüklü protonlardan yapılmıştır. Çekirdekte ne kadar protonlar olursa, element o kadar ağır olur.

Hidrojen genellikle bir proton ve bir elektrona sahiptir. Deuterium adı verilen alışılmadık bir çeşidin de bir nötronu vardır ve nükleer reaktörler veya füzyon reaktörleri kullanarak, iki nötron ile trityum adı verilen üçüncü bir çeşitlilik kazanabilirsiniz.

Demir paslama veya odun yanma gibi kimyasal reaksiyonlar, pozitif ve elektrik yükleri atomların etkileşime girmesine neden olduğunda ortaya çıkar. Buna karşılık, nükleer reaksiyonlar, atomların çekirdekleri parçalandığında veya bir araya geldiğinde ortaya çıkar. Burada yeryüzünde, nükleer reaksiyonların gerçekleşmesi için gerekli güçlerin mareşal edilmesi daha zordur, bu yüzden bir buhar motoru yapmak nükleer bombadan daha kolaydır.

Atomları yeterince ısıttığınızda, o kadar enerjik hale gelirler ki elektronlar gevşer. Ortaya çıkan negatif yüklü elektronlar ve pozitif yüklü çekirdekler bulutuna, burada oda sıcaklığında alışık olduğumuz katılar, sıvılar ve gazlardan daha egzotik bir madde durumu olan plazma denir.

Güneş plazmadan yapılmıştır ve füzyon reaktörleri de bu hidrojen çekirdeklerinin enerjik bir şekilde sıçramasını sağlamak için buna ihtiyaç duyar. Plazmaların uygun bir özelliği, elektrik yüklü parçacıklarının manyetik alanlarla manipüle edilebilmesidir. Bu, birçok füzyon reaktör tasarımı için çok önemlidir.

Füzyon yakıtı için ne kullanıyorsunuz?

NIF ve diğer birçok füzyon projesi, DT yakıtı adı verilen hidrojen, deuterium ve trityumun iki ağır versiyonunu kullanır. Ancak, daha yaygın iki yerine sadece bir nötronu olan bir helyum biçimi olan hidrojen-boron ve deuterium-helyum-3 gibi başka seçenekler de vardır.

Deuterium ve trityumun kaynaşmasını sağlamak için, bir plazmayı yaklaşık 100 milyon santigrat dereceye (180 milyon derece Fahrenheit) kadar ısıtmanız gerekir. Diğer reaksiyonlar daha da yüksektir, örneğin hidrojen-boron füzyonu için yaklaşık bir milyar derece.

Deuterium sıradan sudan filtrelenebilir, ancak birkaç yıl boyunca radyoaktif olarak çürüyen trityumun gelmesi daha zordur. Nükleer reaktörlerde ve prensip olarak gelecekteki füzyon reaktörlerinde de üretilebilir. Bununla birlikte, trityumun yönetilmesi karmaşıktır, çünkü nükleer silah patlamalarını artırmak için kullanılır ve bu nedenle dikkatle kontrol edilir.

Bu füzyon reaksiyonunu güce nasıl dönüştürüyorsunuz?

Deuterium-trityum füzyon reaksiyonu, hızlı hareket eden solo nötronlar üretir. Kinetik enerjileri, füzyon reaktör odasını çevreleyen ve nötronlar çarpıştıkça ısınan bir sıvı “battaniyesinde” yakalanabilir.

Bu ısı daha sonra kaynaşan ve geleneksel buhar türbinlerine güç veren suya aktarılır. Bu teknoloji iyi anlaşılmıştır, ancak kimse henüz bir füzyon reaktörüne bağlamamıştır. Gerçekten de bugün inşa edilen ilk nesil füzyon güç reaktörleri Q = 1’i aşacak şekilde tasarlanmıştır, ancak gücü yakalamak için değil. Bu, bir sonraki gelişim dalgasına gelmesi beklenen pilot bitkileri bekleyecektir.

Füzyon çalışması hükümet veya özel sektör tarafından finanse ediliyor mu?

İkisi birden. NIF, ABD hükümetinin nükleer silah programı tarafından finanse edilmektedir. Hükümet finansmanı ayrıca, her ikisi de füzyon enerji üretimi hedefiyle daha yakından uyumlu olan İngiltere’deki ve Fransa’daki ITER ortak Avrupa Torus’u (jet) için ödeme yapıyor.

Ancak giderek daha fazla füzyon enerjisi özel olarak finanse edilmektedir. Fusion Endüstrisi Derneği’nin 2022’de daha önce yayınlanan yıllık raporuna göre, yatırımcılar füzyon enerji girişimlerine toplam 4,8 milyar dolar döktüler. 2021’de bir finansman turunda 1.8 milyar dolardan fazla para topladı.

Hükümet şimdi özel sektöre de yardım ediyor. ABD Enerji Departmanı, füzyon enerji pilot tesisleri oluşturmak için 50 milyon dolara kadar sağlayan bir kilometre taşı programı duyurdu. Bir füzyon savunucusu olan Biden yönetimi, Kasım ayında Fusion Energy’nin 2030 yılına kadar karbon emisyonlarını yarıya indirmek ve 2050 yılına kadar net sıfır emisyona ulaşmanın beş temel yaklaşımından biri olduğunu söyledi.

Fusion Endüstrisi Derneği’nden Holland, “Sam Amca ciddileşiyor” dedi. NIF’in başarısı “bilim ve ulusal laboratuvarlardan ticari sektöre geçtiği bir torç anıdır.”

Füzyon fisyondan nasıl farklıdır?

Bugünün nükleer reaktörlerine güç veren fisyon, füzyonun tam tersidir. Fisyonda, uranyum gibi ağır elemanlar daha hafif elementlere ayrılır ve süreçte enerji serbest bırakır.

İnsanlar termonükleer silahlarla onlarca yıldır füzyona ulaşabiliyorlar. Bu tasarımlar, bir fisyon patlamasını tetiklemek için uranyum veya plütonyum gibi malzemeyi bir araya getirir ve bu, ikincil ve daha güçlü füzyon reaksiyonunu başlatmak için gereken muazzam enerjiyi sağlar.

Bombalarda, işlem bir saniyenin bir kısmında meydana gelir, ancak enerji üretimi için füzyon kontrol edilmeli ve sürdürülmelidir.

Füzyon reaktörleri radyoaktif atık oluşturur mu?

Evet, genel olarak, ama fisyon reaktörlerinde olduğu kadar zahmetli değil. Bir kere, radyoaktif emisyonların çoğu kısa ömürlü alfa parçacıkları-bir çift protonlu helyum çekirdekleri ve bir çift nötron-kolayca bloke edilir. Hızlı hareket eden nötronlar diğer malzemelerle çarpışabilir ve diğer radyoaktif malzemeler oluşturabilir.

Füzyon reaktörlerinin nötron çıkışı genellikle bileşenleri bozar, bu da birkaç yılda bir belki de birkaç ay kalma süresi gerektirebilecek periyodik değiştirme gerektirir. Bununla birlikte, fisyon santrallerinin yüksek seviyeli nükleer atıklarından daha kolay.

Hidrojen-boron füzyonu, deuterium-trityum füzyonundan daha zordur, ancak çekiciliğinin bir kısmı herhangi bir nötron ve görevli radyoaktif malzeme üretmemesidir. Bu yaklaşımı takip eden en önemli şirket TAE Technologies’tir.

Füzyon gücünün güvenlik riskleri nelerdir?

Fusion enerji santralleri, Fukushima ve Çernobil bölgeleri gibi fisyon reaktörleriyle ilgili sorunlara neden olan erime risklerine sahip değildir. Bir füzyon reaksiyonu ters gittiğinde, sadece patlar.

Ancak, çok fazla elektrik gücü ve yüksek basınçlı buhar da dahil olmak üzere büyük endüstriyel alanlarda göreceğiniz önemli operasyonel sorunlar var. Başka bir deyişle, büyük sorunlar, endüstriyel bir alanda bulabileceğiniz gibi, günümüz fisyon nükleer santrallerinden birinden daha çok.

Yani füzyon için gerçek avantajlar var. NIF, füzyon enerjisi için bir gelecek olduğunu göstermeye yardımcı olur. Ama hala çok uzun bir yol var.