Nükleer Füzyon Geleceğe Umut Olabilir?

Nükleer Füzyon Üretimi Neden Kolay Değil.

Nükleer füzyon, Güneş’e ve diğer tüm yıldızlara güç veren süreçtir. Füzyon sırasında, iki atomun çekirdekleri birbirine yeterince yaklaştırılır ve büyük miktarda enerji açığa çıkararak bir araya gelirler.

Bu sürecin Dünya’da kopyalanması, neredeyse sıfır karbon emisyonu ve daha fazla güvenlik ile ve fisyonla aynı düzeyde nükleer atık olmadan neredeyse sınırsız elektrik sağlama potansiyeline sahiptir.

Ama aslında Dünya’da bir mini yıldız olan şeyi inşa etmek ve onu bir reaktörde bir arada tutmak kolay bir iş değil. Muazzam sıcaklıklar ve basınçlar ve son derece güçlü manyetik alanlar gerektirir. Dünyada nükleer füzyon reaksiyonlarını sınırlamanın birçok yolu vardır, ancak en yaygın olanı tokamak adı verilen halka şeklinde bir cihaz kullanır. Tokamak’ın içinde, reaksiyon için yakıtlar döteryum ve trityum adı verilen hidrojen izotopları bir plazma haline gelene kadar ısıtılır.

Plazma, atomlardaki elektronların çekirdeklerden kaçmak ve etrafta yüzmeye başlamak için yeterli enerjiye sahip olduğu zamandır. Normal bir gazın aksine elektrik yüklü parçacıklardan oluştuğu için manyetik bir alanda tutulabilir. Bu, reaktör yanlarına dokunmadığı anlamına gelir bunun yerine, ortada halka şeklinde yüzer.

Döteryum ve trityum yeterli enerjiye sahip olduklarında, birlikte kaynaşarak helyum, nötronlar oluşturur ve enerji açığa çıkarırlar. Büyük miktarlarda füzyonun gerçekleşmesi için plazmanın 100 milyon santigrat derece sıcaklığa ulaşması gerekir Güneş’in merkezinden on kat daha sıcak. Çok daha sıcak olmalı, çünkü Güneş çok daha yüksek parçacık yoğunluğuna sahip.

Çoğunlukla bir manyetik alan içinde yer almasına rağmen, reaktör yine de yüksek sıcaklıklara dayanmak zorundadır. 2035 yılına kadar inşa edilmesi beklenen dünyanın en büyük füzyon deneyi olan Iter’de, makinenin en sıcak kısmı 1.300 around civarına ulaşacak. Plazma çoğunlukla bir manyetik alanda tutulacak olsa da, plazmanın reaktörün duvarlarıyla çarpışabileceği zamanlar vardır. Bu, erozyona, yakıtın duvarlara yerleştirilmesine ve malzeme özelliklerinde değişikliklere neden olabilir.

Aşırı sıcaklıkların yanı sıra, aşırı yüksek enerjili nötronlar gibi döteryum ve trityumun füzyon reaksiyonunun yan ürünlerini de göz önünde bulundurmalıyız. Nötronların yükü yoktur, bu nedenle manyetik alan tarafından tutulamazlar. Bu, reaktörün duvarlarına çarparak hasara neden oldukları anlamına gelir.

Tüm bu inanılmaz derecede karmaşık zorluklar, yıllar içinde malzemelerdeki büyük ilerlemelere katkıda bulunmuştur. En dikkate değer olanlardan biri, çeşitli farklı füzyon projeleri tarafından kullanılan yüksek sıcaklıkta süper iletken mıknatıslardır. Bunlar, sıvı nitrojenin kaynama noktasının altındaki sıcaklıklarda süper iletkenler gibi davranırlar. Bu kulağa güzel gelse de, diğer süper iletkenlerin ihtiyaç duyduğu çok daha soğuk sıcaklıklara kıyasla yüksektir.

Füzyonda, bu mıknatıslar tokamak’ın içindeki yüksek sıcaklıklardan sadece birkaç metre uzakta olup, muazzam derecede büyük bir sıcaklık gradyanı yaratır. Bu mıknatıslar, geleneksel süper iletkenlerden çok daha güçlü manyetik alanlar üretme potansiyeline sahiptir ve bu, bir füzyon reaktörünün boyutunu önemli ölçüde azaltabilir ve ticari füzyonun gelişimini hızlandırabilir.

Bir füzyon reaktöründe onlara attığımız çeşitli zorlukların üstesinden gelmek için tasarlanmış bazı malzemelerimiz var. Şu anda ön koşucular, geleneksel çeliklere değiştirilmiş bir bileşime sahip olan azaltılmış aktivasyon çelikleri, böylece nötron hasarından kaynaklanan aktivasyon seviyeleri ve tungstendir.

Bilimdeki en harika şeylerden biri, başlangıçta potansiyel bir konu olarak görülen bir şeyin olumlu bir şeye dönüşebileceğidir. Füzyon buna bir istisna değildir ve çok niş ama dikkate değer bir örnek tungsten tüyü durumudur. Füzyon deneyleri sırasında helyum plazmasına maruz kaldığında tungsten üzerinde oluşan bir nano yapıdır. Başlangıçta erozyon korkularından dolayı potansiyel bir sorun olarak kabul edilen güneş suyunun bölünmesi de dahil olmak üzere füzyon dışı uygulamalarla ilgili araştırmalar var onu hidrojen ve oksijene ayırmak.

Bununla birlikte, hiçbir malzeme mükemmel değildir ve geriye kalan birkaç sorun vardır. Bunlar, büyük ölçekte azaltılmış aktivasyon materyallerinin üretilmesini ve tungstenin içsel kırılganlığını içerir, bu da çalışmayı zorlaştırır. Füzyon malzemeleri alanındaki büyük ilerlemelere rağmen, hala yapılması gereken çok iş var. Ana sorun, potansiyel reaktör koşullarını yeniden oluşturmak için birkaç vekil deneyine güvenmemiz ve bu verileri genellikle çok küçük numuneler kullanarak bir araya getirmemiz gerektiğidir. Ayrıntılı modelleme çalışması, malzeme performansı tahminlerinin tahmin edilmesine yardımcı olur.

Salgının malzeme araştırması üzerinde büyük bir etkisi oldu çünkü gerçek yaşam deneylerini gerçekleştirmek daha zordu. Malzeme performansını tahmin etmek için gelişmiş modeller geliştirmeye ve kullanmaya devam etmemiz gerçekten önemli. Bu, gelecekteki reaktörlerde odaklanmak ve iş için en iyi malzemeleri belirlemek için ihtiyaç duyduğumuz temel deneyleri belirlemek için makine öğrenimindeki gelişmelerle birleştirilebilir.

Yeni malzemelerin üretimi tipik olarak küçük gruplar halinde yapılmıştır ve yalnızca deneyler için yeterli malzeme üretmeye odaklanmıştır. İleride, daha fazla şirket füzyon üzerinde çalışmaya devam edecek ve deneysel reaktörler veya prototipler üzerinde çalışan daha fazla program olacak.

Bu nedenle, sanayileşme ve tedarik zincirlerinin gelişimi hakkında daha fazla düşünmemiz gereken aşamaya geliyoruz. Gelecekte prototip reaktörlere ve elektrik santrallerine yaklaştığımızda, sağlam büyük ölçekli tedarik zincirleri geliştirmek büyük bir zorluk olacaktır.