Termonükleer Füzyon Enerjisinin Gerçekleri
Geçen ay Fransa’da yapımına başlandığı tüm dünyaya ilan edilen ITER (Uluslararası Termonükleer Deneysel Reaktör/International Thermonuclear Experimental Reactor) projesi için Çin’in de dahil olduğu dünya çapındaki en büyük uluslararası bilimsel işbirliği programı. Basında çıkan haberlere göre 850 personelin kadrolu istihdam edildiği 10 yıllık hazırlık çalışmasının bir ürünü olarak ortaya konan ve maliyeti şimdilik 20 Milyar Avro olan proje çevresel dışsallıkları ve bir atık sorunu bulunmadığı iddiasıyla temiz enerji olarak lanse ediliyor. Diğer bir deyişle füzyon reaktörde güneşte gerçekleşen çekirdek birleşmesi (füzyon)yöntemi ile elde edilecek füzyon enerjisinin barışçıl kullanımı amaçlanıyor. Peki gerçekten öyle mi? Gerçekten füzyon enerjisi temiz ve hayallerimizi süsleyen geleceğin enerjisi olabilir mi? Gelin bunun için önce termonükleer füzyon nedir ne değildir ona bakalım fakat, önce enerji konusunu dilimiz döndüğünce biraz açalım.
Bütün evren, madde ve enerjinin etkileşimi sonucunda oluşan kaotik yapının yarattığı denge üzerinde gelişir ve var olur. Enerji, hep vardır. Üretilemez ve yok edilemez. Yalnızca şekil ve biçim değiştirir. Termodinamik kanunları bize, hiçbir şeyin vardan yok, ya da yoktan var olmayacağını açıklar. Etrafımızda gördüğümüz ya da göremediğimiz her süreç, madde ile enerjinin etkileşiminin bir ürünüdür.
Enerji birimi Joule’dür. 1 kg lık bir cismi, 1 Metre yukarı kaldırmak için kullanılan enerji miktarını ifade eder. Görüldüğü üzere enerjiyi tanımlamak için kütleden faydalanmak zorundayız.Başta da söylediğim gibi enerji üretilemez sadece teknolojinin imkanları doğrultusunda kullanışlı hale getirilebilir. İnsanlığın teknolojisi büyük ölçüde kimyasal bağ enerjisini ısı, ışık ya da elektrik enerjisine çevirmek ile sınırlıdır.
Endüstri Devrimi, ile önceleri atölyelerde yapılan üretim, yerini büyük fabrikalara bırakmış; birim zamanda daha fazla mal üretiminin zorunlu bir sonucu olarak daha çok enerji kullanılmaya başlanmıştır. Özellikle 19. yüzyıl sonlarından itibaren insanın ilgisi kimyasal bağ enerjisinden daha yüksek enerji içeren nükleer enerjiye çevrilmiştir.
Bilindiği üzere standart tanecikler açısından bir atomda üç temel tanecik bulunur. Nötron( Elektriksel olarak yüksüz ve kütleli), proton (Elektriksel olarak pozitif yüklü ve kütleli) ve elektron ( elektriksel olarak negatif yüklü ve kütleli). Bilinen bütün kimyasal reaksiyonlar, birden fazla atomun elektronları ile yaptıkları alış-veriş sonucunda gerçekleşir. Bu alış-verişin tek bir amacı dengedir. Atomlar kendilerini dengeye ulaştırabilmek için elektron alış verişi yaparlar.
Bazı atomlar sadece elektronlarından kaynaklı değil, çekirdeklerinde bulunan aşırı nötron ya da proton miktarına bağlı olarak dengesizdir. Bu dengesizliklerini, ya parçacıkları (proton ya da nötron) dışarı atarak veya abserve edereek- Capture- ya da parçacıkların sahip olduğu enerjiyi boşaltarak Alfa, Beta, Gama ve X ışınımı şeklinde dengeye gelmeye çalışırlar. Bu tür elementlere de radyoaktif elementler adı verilir. Aynı zamanda dengeli bir atoma fazladan nötron eklenerek kimyasal olarak aynı özelliği gösteren izotopu oluşturulabilir. İzotop atomların, çekirdek ağırlıkları farklıdır. Bu tür atomlar günümüzde Enerji çevriminden tıp biliminde, Nükleer silah üretiminden arkeolojiye kadar çok geniş bir yelpazede kulanılır.
Füzyon reaktörlerin klasik nükleer sanrallerden farkı
Termonükleer füzyonda aşina olunan nükleer reaktörlerdeki gibi radyoaktif bir elementin kullanılması öngörülmüyor. Yani gerçekleşen reaksiyon radyoaktif başka bir ürün oluşturmuyor. Zira klasik nükleer santraller fizyon adını verdiğimiz büyük kütleli bir atomun kütle ve enerji kaybederek daha küçük kütleli atomlar meydana getirmesi üzerine dizayn edilir. Füzyon ise bu durumun tam tersidir. Küçük atomların birleşerek daha büyük bir atom oluşturması prensibine dayanır(Bizim yıldızımız güneşin çalışma prensibi) 2 adet hidrojen(Ya da izotopları olan trityum veya döteryum bu izotoplar hakkında daha sonra gerekli bilgiyi vereceğim) birleşerek 1 adet helyum atomu oluşturur. Bu birleşimden açığa çıkan enerji ise devasa boyutlardadır.
Bir örnek ile açıklarsak, 100 Gram su molekülü içinde 10,11 Gram hidrojen bulunur. Bu kadar hidrojenin yeterli şartlarda oksijen ile tepkimesinden açığa çıkacak kimyasal bağ enerjisi yaklaşık olarak 68,8 Joule’dür. Aynı miktardaki hidrojenin birleşerek Helyum oluşturması ile açığa çıkan enerji ise 96,2 kat trilyon Joule’dür. Yani 1 rakamının yanına 15 adet 0 ekleyiniz. Bu konuda yapılacak kısa bir araştırma size gösterir ki; bu enerjiyi açığa çıkarabilmek için devasa miktarlarda enerji kullanmak gerekir.
Evet, iddia edildiği üzere yakıt olarak kullanılacak hidrojen izotopları trityum ve döteryum okyanus suyunda bulunuyor fakat o kadar az ki, saptaması, elde edilmesi başlı başına bir süreç. Zenginleştirilmesi ve kullanılır hale getirilmesi öyle cımbızla toplar gibi olmuyor. Önce molekül oluşturduğu sudan ayırmak onu hidrojen atomu haline getirmek gerekiyor.
Trityum ve döteryum, hidrojenin aynı kimyasal özelliklerini taşıyan ve çekirdeklerinde sıra ile 2 ve 3 adet fazla nötron bulunduran izotoplarıdır. Bu izotopların da aynı hidrojen gibi 1 adet protonu ve bir adet elektronu vardır. Kütlesini artıran şey ise yapılarında bulunan fazladan nötrondur. Helyum atomunun ise 2 adet protonu ve 2 adet nötronu vardır. İşte hidrojenden helyum üretiminde hidrojen izotoplarının kullanılmasının sebebi bu yüzdendir. Ancak öncelikle bu tepkime için yapılması zorunlu olan bir adım var ki bu kısım son derece hayati.
Enerji üretmek için aşırı enerji tüketmenin mantığı?
Maddenin bir çok kişinin bildiği 3 temel hali vardır. Katı, sıvı ve gaz. Fizik söz konusuysa buna bir de 4. hali eklemek gerekir: plazma(iyonlaşmış gaz)hali. Plazma hali atomun aşırı sıcak bir ortamda bir elektronu kaybederek iyonize hale gelmesidir. Trityum ve döteryumun çekirdek tepkimesi yapabilmesi için uygun çarpışma koşullarını yaratabilmek amacı ile 1 adet olan elektronu koparılarak plazma haline getirilir. Aynı zamanda bu izotoplar elektriksel açıdan pozitif yüklü ve dengesiz bir hale getirilir. Bu işlem çok yüksek sıcaklıklarda ( 1.5 Milyon santigrad derecede) yapılır. Bu kadar ısı enerjisinin evinizde minyatürü olan mikrodalga fırınında çok büyük bir enerjiyle gerçekleştirildiğini farz edebilirsiniz.
Üretilen plazma bu sıcaklık korunarak yine yüksek miktarda elektromanyetizma içeren ve buna bağlı olarak manyetik alan oluşturan özel mıknatısların bulunduğu bir hacim içine gönderilir. Bu manyetik alan, üretilen plazmanın dengede durmasını sağlar. Plazmayı dengede tutmanın ise temelde iki amacı vardır: Birincisi pozitif yüklü izotopların aşırı sıcaklıklarda yaratacağı basıncın bir felakete dönüşmemesi, ikincisi ise uygun çarpışma koşullarını sağlamaktır. Zira bu oda içinde çarpışan izotoplar tepkime gereğince helyum atomu oluşturur ve bu kaynaşma sonunda devasa enerji açığa çıkar. İşte elektrik enerjisine dönüştürülmesi umulan termonükleer enerji budur!
Şimdi gelelim termonükleer füzyonun etki ve risklerine…
Helyum hiçbir radyoaktif özellik göstermez lakin, ne güvenli üretilebilir ne de atıksız!
Bu iddiamız 2 temel bilgiye dayanıyor:
1) Füzyon tepkimesi sonucunda sadece helyum atomu ve ısı enerjisi açığa çıkmaz. Girişte bahsettiğim trityum ve döteryum izotoplarının sahip olduğu fazladan nötronlar da açığa çıkar. Basit bir matematik hesabı yapalım: 2 trityumun çarpıştığını düşünelim. trityumda 2 nötron, 1 proton vardır. 2 trityum bir araya gelirse 4 Nötron ve 2 protonlu bir yapı oluşturur. Ama şunu biliyoruz ki, helyum atomunda 2 proton ve 2 nötron bulunur. Sonuçta tepkime sonrasında 2 nötron fazlalık olacaktır. Her ne olursa olsun helyum çekirdeği kararsız kalmamak için bu 2 nötronu dışarı atmak zorundadır. Açığa çıkan fazla nötronlar tepkimenin geçtiği hacim içinde elektromanyetik alandan asla etkilenmez çünkü elektriksel açıdan yüksüzdür. Bulunduğu ortamın üretildiği malzemenin çekirdek yapısına katılır. Zira hem onu sınırlayan bir etki yoktur hem de mekan çok sıcak olduğu için çarpışma sonrası kazandığı hareket enerjisine ek bir enerji yükler. Ya da tepkime kabını atomlar arası boşluktan faydalanarak delip geçer ve dışarıya nötron ışıması yolu ile etki eder. Bu kaçak nötronu tutabilmek için yoğunluğu yüksek bir malzeme kullanma zorunluluğu vardır, bu noktada da akla kurşun gelir. Çünkü nötron aynı gama radyasyonu gibi 1 Metre kurşun duvarı ya da metrelerce kalınlıktaki beton duvarı rahatça delip geçebilir.
“Ne var yani güneşte yapılıyorsa burada da yapılır”
2)Bunu diyen arkadaşlara hatırlatmak isterim ki güneşin kütlesi dünyadan 300 000 kat daha ağırdır. Bu ağırlığın oluşturduğu kütleçekimsel kuvvetler tepkime sonucu ortaya çıkan nötron parçacıklarının uzaya kaçmaması hatta güneşin merkezine çekilmesini sağlar. Böylece güneşin merkezinde daha ağır atomların oluşması sağlanır (demir, karbon, azot vs.) Eğer nötron ışıması olsa idi dünyada canlılık hiç olmazdı. Detaylı bilgi için evrende rastlanılabilecek en tehlikeli gök cisimlerinden belki de listenin başında olan nötron yıldızları (Kuasar ya da Atarca) hakkında biraz araştırma yapmanızı önerebilirim .
“Hepimiz yıldız tozuyuz…”
Carl Sagan bu yüzden demiştir ki: hepimiz yıldız tozuyuz. Patlayan yıldızlar, bu nötron göçünün oluşturduğu ağır atomları uzaya püskürtür. Bu gaz bulutları evrenin başka bölgelerinde bir araya gelerek gezegenleri oluşturur. ITER de bahsettiğim prensipler doğrultusunda çalıştırılacak fakat tepkime süresi 50 dakika ile sınırlandırılacaktır. Umarım ve dilerim herhangi bir kazaya uğramadan çalıştırılabilir zira dünyadaki yaşamımız yine risk altında görünüyor…Felaket tellalığı yapmak istemem ama, okurun aklında şunun da bulunması gerekir ki, termonükleer bomba(hidrojen bombası) ile Hiroşimaya atılan atom bombasını karşılaştırmaya kalkacak olursak, 1 termonükleer bomba yaklaşık olarak 1000 adet Hiroşima atom bombasının yaptığı tahribatı yapar. Özellikle füzyon reaktörleri yukarıda anlatmaya çalıştığım gibi etkili, karlı veya atıksız değildir ayrıca bünyesinde çözülmesi gereken bir çok başka problemi barındırır. Bu konuyu izninizle Priceton Plazma Fiziği Laboratuvarı’nda akademik çalışma yapmış bir öğretim görevlisi olan Danile Jassby’ nin bu santrallerin elektrik tüketimi, trityum yakıt kayıpları, nötron aktivasyonu ve soğutma suyu kullanımıyla ilgili ciddi sıkıntılar bulunduğunu açıkladığı makalesinden[1] çeviri ve alıntılar yaparak açmaya çalışayım. Zira Jassby 25 yıl boyunca nükleer füzyon deneyleri üzerinde çalışmış, emekli olduktan sonra füzyon çalışmalarına daha tarafsız bakmayı başaran biri. Açıkçası Jassby’in emekli olmasına rağmen füzyon gücünün “mükemmel” enerji kaynağı olarak lanse edilmesine karşı bilgisini paylaşma ihtiyaç duyması füzyon enerjinin sorunlu yanlarına dair bilgi ve fikir sahibi olmamamızı sağlıyor.
Jassby her şeyden önce ITER tokamak reaktörünün ağırlığının üç Eyfel kulesi ağırlığına tekabül ettiğini bilmemizi istiyor. Miktar olarak ise tokamak kompleksinin temelleri ve binaları 340 bin ton ; tokamak ağırlığı 23 bin ton olan merkezi ITER ünitesinin toplam ağırlığı yaklaşık 400 bin ton civarında. Bu kadar devasa bir sistemin orta büyüklükteki bir şehri besleyen bölgesel elektrik şebekesinden 600 Megawatt’a kadar elektrik kullanacağını lakin ITER’in dahili yapısı füzyon ısısını elektriğe dönüştürmeyi imkansız kıldığından, hiçbir zaman dışarıya güç akmayacağını da belirtelim. Zira Jassby’in önemli bir notu da şöyle: ITER’in, mühendislerin, atomları gerçek dünyada kontrollü bir şekilde bir araya getirmek için güneşin iç işleyişini nasıl taklit edebileceklerine dair yalnızca konsept kanıtını göstermek için tasarlanmış bir test tesisi olduğunu unutmayın; ITER elektrik üretmek için tasarlanmamıştır.
Öte yandan ITER’in üretim planları yılda en az 1 kilogram trityum alımını ve tüketimini gerektiriyor. Ne var ki ITER projesinin yeterli miktarda trityum sağlayabildiğini ve onu kullanacak kadar cesur olduğunu varsayarsak, gerçekten 500 Megawatt füzyon gücü elde edilecek mi? Kimse bilmiyor… Jassby’e göre füzyon savunucularının size söyleyemeyecekleri şey, bu füzyon enerjisinin iyi huylu güneş benzeri bir radyasyon olmadığı ve %80 radyoaktif atık üreten nötron akımlarından oluştuğu…
Helyum üretmek uğruna reaktörün kendisi atık olurken
Bununla birlikte füzyon enerjisinin en önemli dezavantajı, nötron radyasyonunun maruz kalan malzemelere verdiği zarardır öyle ki reaktörde üretilen enerji reaktörün içinde şişme, kırılganlık ve ısıdan kaynaklı metal yorgunluğuna neden olur yani reaktörün iç sistemi yapısal zarar görür. ITER’deki yüksek nötron üretim hızlarında toplam çalışma süresi, yapısal bütünlüğe zarar verecek oluşturacağı tehlikeli atık 30 bin tona çıkarken yarılanma ömrü 100 yıl olan yani 10 tane yarılanma ömrünü tamamlayarak radyoaktivitesi sonlananacak şekilde tehlikeli oacaktır. Kaldı ki üretilen aşırı yüksek enerji reaktörün altyapsına, boru sistemine de zarar vereceği için bu atık miktarı daha da yüksek olacaktır. Dolayısıyla bugüne dek 300 Milyon Dolar gibi bir rakam olarak öngörülen hizmetten çıkarma maliyetinin aşılacağı da kabul edilmelidir.
Yüksek miktarda soğutma suyu ihtiyacı
ITER’in yüksek güç kullanımının aynı zamanda yüksek hacimde su kullanmak anlamına geldiğini de belirtelim. Zira füzyon enerji üretimi 1000 Megawatt olduğunda sıfır füzyon gücüyle bile reaktör tesisi 500 Megawatta kadar tüketirken soğutulmasını gerektirecektir.
Nitekim Fransa’daki ITER, füzyon reaktörlerinde Durance Nehri’nden 1 günde 1 Milyon nüfuslu şehrin ihtiyacı olan soğutma suyu kullanılarak soğutma kuleleri tarafından atmosfere atılacaktır.*
Yine şunu da belirtmek isterim ki ITER, nötronlardan başka bir şey üretmiyor olsa bile, maksimum soğutucu akış hızı, 1000 Megawatt elektrik gücü üreten, tam olarak çalışan bir kömür yakan veya nükleer santralin neredeyse yarısı kadar olacaktır. Üstelik bu reaktör (ITER) adından da anlaşılacağı üzere deneysel bir reaktördür ve yazının başında da belirttiğim üzere maaliyetinin şimdilik 20 Milyar Dolar civarında olacağı tahmin edilmektedir.
Dünyada çözülmesi gereken bu kadar sorun varken, ve bunca zamandır üretilen nükleer atıklara bir çözüm üretilememişken bu kadar yüksek meblağlı bir yatırımın deneysel bir reaktöre neden ayrıldığını sormak da hakkımızdır. Bilimin gelişmesi şüphesiz hepimiz için çok değerlidir lakin çevrilen enerjiden hepimizin eşit yararlanması gibi bir durum söz konusu olmadığına göre termonükleer füzyonun nükleer lobi için yeni bir yarış pisti olacağını öngörmek çok da isabetsiz olmayacaktır. Dünyamız bir çok nükleer felaket yaşamış durumda. Olası yeni felaketleri yaşamak için ne kadar hazırız?
Son notlar
*“Füzyon işlemleri sırasında, tüm soğutma suyunun birleşik akış hızı saniyede 12 metreküp (sürekli çalıştığı düşünülürse 864 000 Metreküp/gün ya da Megawatt başına 1728 Metreküp/gün) veya kanalın akış hızının üçte birinden fazla olacaktır. Bu su akışı seviyesi 1 Milyonluk bir şehri ayakta tutabilir. Bu kullanılan soğutma suyu miktarı Megawatt başına klasik nükleer santrallerin bile onlarca katı su kullanımına denktir”. Ersoy, C.
[1]Jassby Daniel, Füzyon reaktörler Nisan 19, 2017 https://thebulletin.org/2017/04/fusion-reactors-not-what-theyre-cracked-up-to-be/
Bu yazıya verdikleri destekten dolayı Prof. Dr. Hayrettin Kılıç’a ve Pınar Demircan’a çok teşekkür ederim.
Cihan Ersoy
Çevre Mühendisi