Nükleer Füzyon nedir, nasıl gerçekleşir? Nükleer Füzyonun özellikleri, yıldızlardan gelen elementler ve ilk yıldızlar, füzyon reaktörleri hakkında bilgi.
Nükleer Füzyon
Çevremizdeki bütün elementler, hatta bedenlerimizdekiler bile, nükleer füzyonla oluşmuştur. Hidrojenden ağır bütün elementler füzyon tepkimesiyle oluşur ve füzyon tepkimeleri tıpkı Güneş’in olduğu gibi, bütün yıldızların enerji kaynağıdır. Gerçekten de bizler yıldız tozundan oluşuruz. Eğer yıldızlara enerji veren bu güçten Dünya’da yararlanabilirsek, sınırsız temiz enerjiye ulaşabiliriz.
Nükleer füzyon hafif atom çekirdeklerinin birleşerek ağır atom çekirdekleri oluşturmasıdır. Yeteri kadar güçlü sıkıştırıldığında hidrojen çekirdekleri helyum çekirdeklerine dönüşür ve bu sırada da enerji -hem de çok büyük miktarda bir enerji- yayar. Giderek daha ağır çekirdeklerin oluşturduğu bir dizi füzyon tepkimesiyle çevremizde gördüğümüz bütün elementler sıfırdan üretilebilir.
İyice Sık
En hafif çekirdekler olan hidrojen çekirdeklerini bile birbirine kaynatmak olağanüstü zordur. Bunun için muazzam bir sıcaklığa ve basınca gerek vardır. Dolayısıyla doğada füzyon yalnızca Güneş’in ve diğer yıldızların içi gibi uç koşulları olan yerlerde gerçekleşir. İki çekirdeğin birleşmesi için her birini bir arada tutan kuvvetin yenilmesi gerekir. Çekirdekler güçlü çekirdek kuvvetiyle kenetlenmiş proton ve nötronlardan oluşur. Güçlü kuvvet, çekirdek gibi küçük bir ölçekte egemen kuvvettir. Çekirdeğin dışında çok zayıflar. Protonlar artı elektrik yüklü olduklarından birbirlerini iterler. Ama güçlü kuvvetin yapıştırma etkisi daha güçlüdür; bu nedenle çekirdek bir bütün olarak durur.
Güçlü çekirdek kuvveti böylesine kısa bir aralıkta etkili olduğuna göre küçük çekirdeklerde büyüklere oranla daha etkili olmalıdır. Uranyum gibi 238 nükleonu olan ağır bir çekirdek için çekirdeğin zıt tarafında bulunan nükleonların birbiri üzerindeki karşılıklı çekimi pek güçlü olmayacaktır. Öte yandan elektriksel itme kuvveti daha büyük uzaklıklarda bile hissedilir ve bu nedenle büyük çekirdeklerde (bütün çekirdek boyunca etkili olduğu için) daha güçlüdür. Ayrıca büyük çekirdeklerde bulunan çok sayıdaki proton nedeniyle gücü daha da büyüktür. Bu dengenin net etkisi şudur: Çekirdeği bir arada tutmak için gereken nükleon başına düşen enerji miktarı atom ağırlığıyla birlikte çok kararlı elementler olan nikel ve demire kadar artar. Sonra da büyüyen çekirdeklerle birlikte düşmeye başlar. Yani hafif bir darbeyle bile dağılabilen ağır çekirdeklerde fisyon tepkimesi görece kolay gerçekleşir.
Füzyon için aşılması gereken enerji duvarı tek bir proton içeren hidrojen için en düşüktür. Hidrojen üç tipte bulunur. “Normal” hidrojen atomları, çevresinde bir elektronun döndüğü tek bir protondan oluşur. Ağır hidrojen denen döteryumda bir proton ve bir elektrona ek olarak bir de nötron bulunur. Trityumdaysa fazladan iki nötron olur; yani daha da ağırdır. Dolayısıyla en basit füzyon tepkimesi döteryum ile trityumun birleşip helyum ile serbest bir nötron oluşturmasıdır. En basiti bu olsa da bu tepkimeyi bile başlatabilmek için 800 milyon kelvin gibi olağanüstü bir sıcaklığa gereksinim duyulur.
Füzyon reaktörleri
Fizikçiler bu olağanüstü koşulların benzerini Dünya’da füzyon reaktörlerinde güç üretmek için gerçekleştirmeye çalışıyorlar. Ne var ki pratik olarak kullanılabilecek bir füzyon reaktörü yapımına daha onlarca yıl var. En gelişmiş füzyon makinelerinde bile enerji üretimi için gereken enerji, üretilen enerjiden birkaç büyüklük mertebesi daha fazladır.
Füzyon enerjisi, enerji üretimindeki herkesin peşinde koştuğu bir şeydir. Fisyon teknolojisi ile karşılaştırıldığında füzyon tepkimeleri görece temiz ve (eğer çalışırlarsa) verimlidir. Muazzam miktarda enerji elde etmek için çok az miktarda atoma ihtiyaç vardır – Einstein’ın E=mc2 denklemine göre. Hem çok az atık oluşur hem de fisyon reaktörlerinde yan ürün olarak ortaya çıkan aşırı ağır elementler gibi istenmeyen atıklar oluşmaz. Ayrıca füzyon reaktörlerinde sera gazları da oluşmaz ve yakıt olarak kullanılan hidrojen ile döteryum üretilebilen malzemeler olduğu için kendi kendine yeterli, güvenilir bir enerji kaynağıdır. Ama tabii ki o da mükemmel değildir ve ana tepkimede nötronlar salındıkça temizlenmesi gereken birtakım radyoaktif yan ürünler oluşur.
Başlıca zor iş yüksek sıcaklıklarda olağanüstü sıcak gazları kontrol etmektir. Yani füzyonu gerçekleştirmek mümkün olmuştur ama bu canavar makineler her seferinde yalnızca birkaç saniyeliğine çalıştırılır. Bir sonraki teknoloji duvarını aşmak için uluslararası biliminsanlarından oluşan bir ekip Fransa’da Uluslararası Deneysel Termonükleer Reaktörü (İTER -International Thermonuclear Experimental Reactor) adında daha büyük bir füzyon reaktörü yapmaya çalışıyor. Bununla fuzyonun ticari olarak uygulanabilirliği sınanacak.
Soğuk füzyon
1989’da bilim dünyası tartışmalı bir iddiayla sarsıldı. Martin Fleischmann ile Stanley Pons nükleer füzyonu büyük bir reaktörde değil de bir deney tüpünde gerçekleştirdiklerini duyurdular. Ağır su (hidrojen atomları yerine döteryum kullanılan) dolu bir deney kabından elektrik akımı geçiren ikili “soğuk” füzyonla enerji ürettiklerini iddia ediyordu. Gerçekleşen füzyon nedeniyle deneye verdiklerinden daha çok enerji elde ettiklerini ileri sürüyorlardı. Bilim dünyasında hemen bir çalkantı oluştu. Biliminsanlarının çoğu Fleischmann ile Pons’un enerji bütçesini yanlış hesaplamış olduğunu düşündü. Bu tartışma hâlâ dinmemiştir. Bundan sonra laboratuvarda füzyon gerçekleştirmeye yönelik başka iddialar da zaman zaman ortaya atıldı. 2002’de Rusi Taleyarkhan ultrason dalgalarıyla sürekli titreştirilen (ve ısıtılan) bir akışkandaki kabarcıkların ışık yaymasının (sesli ışıldama) arkasında da füzyon olduğunu ileri sürdü. Laboratuvar tüplerinde füzyonun gerçekleştirilip gerçekleştirilemeyeceği konusunda hâlâ son söz söylenmiş değildir.
Yıldız tozu
Yıldızlar doğanın füzyon reaktörleridir. Alman fizikçi Hans Bethe onların hidrojen çekirdeklerini (protonları) helyum çekirdeklerine (iki proton ve bir nötron) dönüştürerek ışıdığını açıklamıştır. İki protonun iki nötrona dönüştüğü bu süreçte başka parçacıklar da (pozitronlar ve nötrinolar) yer alır.
Yıldızların içindeki füzyon mutfağında ağır elementler sanki bir tarife uyarcasına yavaş yavaş oluşur. Birbirini izleyen bir dizi “yanma” ile -önce hidrojenin, sonra helyumun ve sırayla demire kadar olan elementlerin “yanması”yla- giderek daha ağır elementler oluşur. Daha sonra da demirden ağır elementler gelir. Bütün yıldızlar gibi Güneş’in de parlamasının nedeni ağırlıklı olarak hidrojeni helyuma dönüştüren füzyon tepkimeleridir. Bu süreç öyle yavaş ilerler ki ağır elementler çok az miktarlarda oluşabilir. Büyük yıldızlarda bu süreç daha sonraki tepkimelerde oluşan karbon, azot ve oksijenin de tepkimelere dahil olmasıyla hızlanır. Dolayısıyla daha çok miktarda ağır element daha hızlı üretilir. Ortamda helyum varsa, ondan karbon üretilir (üç helyum-4 atomu kararsız berilyum-8 atomu üzerinden kaynar). Ortamda karbon oluştuğunda helyum ile birleşerek oksijen, neon ve magnezyum üretilir. Bu yavaş dönüşümler yıldızın ömrünün büyük bir bölümünü alır. Demirden daha ağır elementler biraz farklı tepkimelerle, periyodik tablodaki çekirdek dizilişini izleyecek şekilde üretilir.
İlk yıldızlar
En hafif elementlerin ilk birkaçı yıldızların içinde değil, Büyük Patlama sırasında oluşmuştur. İlk başta Evren o denli sıcaktı ki atomlar bile kararsızdı. Soğudukça ilk önce hidrojen atomları ile bir miktar helyum ve lityum, bir de eser miktarda berilyum oluştu. Yıldızların ve diğer her şeyin içeriği yalnızca bunlardan oluşuyordu. Bunlardan ağır diğer bütün elementler yıldızların içinde ve çevresinde yaratıldı ve süpernova denen yıldız patlamalarıyla da uzaya saçıldı. Ne var ki ilk yıldızların nasıl ışımaya başladığını hâlâ tam olarak bilemiyoruz. İlk yıldızda hiçbir ağır element yoktu; yalnızca hidrojen bulunuyordu. Dolayısıyla çöküp füzyon “motorunu” çalıştıracak kadar hızlı soğuyamazlardı. Kütleçekimin etkisiyle içe çökme, hidrojen gazının çok fazla ısınmasına ve genişlemesine neden olur. Ağır elementler ışık yayarak onun soğumasını sağlar. Bu nedenle ilk kuşak yıldızlar yaşadıktan ve içeriklerini süpernovalarla uzaya saçtıktan sonra yıldızların oluşumu kolaylaştı. Ama ilk yıldızların hızlı oluşumunu açıklamak teorisyenler için hâlâ zor bir iştir.
Füzyon Evren’deki temel güç kaynaklarından biridir. Eğer onu kullanmayı becerebilirsek, enerji sorunumuz ebediyen çözülür. Ama bu, yıldızların muazzam gücünü yeryüzünde kullanmamız demektir ve gerçekte hiç de kolay değildir.
