Nükleer Füzyon 21. Yüzyılın En Önemli Bilimsel Atılımlarından Biri Gerçekleşti!

Enerji konusunda bugüne kadar yaşanan en önemli gelişmelerden biri gerçekleşti. 

ABD’li bilim insanları füzyon gücünün hayalini kurmaya bir adım daha yaklaştı.

Artık gerçek bir füzyon enerjisi buluşumuz var!

Dünyanın en güçlü lazeriyle laboratuvarda gerçekleştirilen bir nükleer füzyon deneyinde ilk kez verilen enerjiden daha fazlası elde edildi. 

Tüm bunlar iki anlama geliyor:

1. 21. yüzyılın en etkileyici bilimsel başarılarından biriyle karşı karşıyayız. 
2. Bu bilimsel başarının teknolojik başarıya dönüşüp kullanılabilir hale gelmesi için daha yapılması gereken çok şey var.

Fakat aynı zamanda artık geleceğe dair şu hayalleri kurarken bilimsel bir dayanağımız da var: Bir gün arabalarımız böyle bir gücü kullanan Mr. Fusion benzeri motorlarla çalışabilir. Hatta Iron Man’in göğsündeki ark reaktörünü evlerimizde kullanmaya başlayabiliriz. 

Deniz suyuyla bile çalışan, yani neredeyse sınırsız bir enerji kaynağından söz ediyoruz. Üstelik çevreye yine neredeyse hiç zararı yok! 

Peki geçen hafta ne oldu da flaş haberlerle duyuruldu, canlı yayınlarda üst düzey yetkililerle anlatıldı? Neden böylesine büyük bir olay olarak kabul ediliyor? Gerçekten abartıldığı kadar var mı? Nedir bu nükleer füzyon? Neden önemli? Ne kadar güvenli? Ve ne zaman evlerimizdeki elektriği bu nükleer füzyon reaktörlerinden elde edeceğiz? Kısa bir aradan sonra tüm bu soruları ayrıntılı olarak konuşacağız. 

5 Aralık 2022. Gece yarısı sabaha karşı saat 1’de, California’daki Lawrence Livermore Laboratuvarı’ndaki araştırmacılar, dünyanın en güçlü lazerini ateşlediler. Bu laboratuvar lazerleriyle ünlü. O kadar ki adını oluşturan kelimelerin baş harflerini (LLL) Lazer, Lazer, Lazer diye söyleyenler var 🙂

İşte o 192 lazer ışınını küçük bir hidrojen yakıtı peletini zaplamak için kullandılar. Lazerler hedeflerini 2,05 megajoule enerjiyle vurdu ve pelet kabaca 3,15 megajul saldı. Yani 2 koyduk, 3 aldık! Bu çok önemli bir dönüm noktası.  Füzyon bilimi alanında neredeyse 70 yıldan beri bu noktaya ulaşılmaya çalışılıyordu. Hatta öyle ki hiçbir zaman bunun gerçekleşmeyeceğini, boşu boşuna uğraştıklarını söyleyenler bile oldu. 

Fakat son yıllarda giderek artan bir şekilde dünyanın önemli noktalarındaki füzyon denemelerinde rekorlar kırılmaya başlandı. Hatta bu konuda Çin’de gerçekleşen bir rekor vesilesiyle ben de konunun ne kadar önemli olduğuna dair bir video hazırladım. Ayrıca Avrupa’da kurulmakta olan dev bir reaktörden söz ettim orada. Tüm bu gelişmeler sırasında da hep henüz verdiğimizden fazlasını alamıyoruz konusunu konuştuk. Evet rekor üstüne rekorlar kırılıyor. Bakın füzyon enerjisinin tarihçesini inceleyip “rekor” kelimesini ararsak ne çıkıyor karşımıza?

İlk kez 1991’de rekor kırılmış. Ardından 2020’lere kadar tek tük gelişmeler var ama sadece 2021’de 3 ve içinde bulunduğumuz 2022’de yine 3 tane rekor daha kırılmış. Tabi bunların hepsi de gelişmelere dair kırılan rekorlar. En son gerçekleşense: nükleer füzyon yoluyla ilk net enerji üretimi. 

Peki nedir bu nükleer füzyon? Önce nükleerden başlayalım isterseniz. Çünkü nükleer reaktörlerle zaten enerji üretiliyor. Nükleer, nüklei kelimesinden geliyor. Çekirdek demek. Şu anda enerji üreten nükleer reaktörler atomun çekirdeğini parçalayarak enerji üretiyor. Bölerek enerji çıkartan bu işleme de nükleer fisyon deniyor.  

Füzyon bunun tersi. Hafif çekirdekler birleştirilerek ağır bir çekirdek oluşturuluyor. Birleştirerek enerji çıkartan bir işlem bu. 

Nükleer fisyon da füzyon da çok büyük bir güç kaynağı. Ama kontrolsüz güç, güç değildir derler ya… Bunlar da bombaya dönüşme potansiyeline sahip. Eğer nükleer fisyonu kontrol edemezseniz atom bombası ya da Çernobil gibi facialara yol açabiliyor. Nükleer füzyon yoluyla da hidrojen bombası yapılabiliyor.

Çünkü nükleer füzyonda Hidrojen atomlarının çekirdekleri birleştiriliyor. Hidrojen evrendeki en yaygın şey. Milyarlarca yıldır tüm yıldızlarda Hidrojen atomları birleşerek Helyum’a dönüşüyor. Güneşimiz dahil. Bu işlem sonucunda meydana gelen ışıkla görüyoruz, ısıyla ısınıyoruz. Yeryüzündeki canlılığın kaynağı bu doğal nükleer füzyon reaktörü. 

Aynısını Dünya’da yapıp kontrol edebilirsek neredeyse sınırsız bir enerji kaynağına kavuşmuş olacağız. Çünkü böyle bir reaktörün yakıtı yani girdisi mesela deniz suyu olabilir. Çıktısıysa çok güçlü bir enerji. Üstelik sera gazı da çıkarmadığı için tertemiz, çevreye hiçbir zararı yok. O zaman niye hala nükleer fisyon gibi tehlikeli reaktörlerle uğraşıyoruz? Nükleer füzyon reaktörü yapamaz mıyız?

1960’lı yıllardan beri 50’den fazla ülkedeki binlerce bilim insanı bunu yapmaya çalışıyor zaten. Fakat bu çözmesi son derece karmaşık olan bir problem. Atomları bölmek, onları parçalayarak enerji üretmek nispeten kolay. Birleştirmek çok zor.

Fizikle felsefe arasında bir ilişki kuracak olursak, atomlar da biz insanlar gibi diyebiliriz. Hepimiz birbirimize benziyoruz ama bizi çatıştırmak, bölüp bölüp enerji elde etmek daha kolay. Benzerlikleri öne çıkarıp birleştirici olmak daha zor. Oysa bunun sonucunda ortaya çıkan enerji diğerinden daha yüksek. Atomlarda da insanlarda da. İnsanlar birleşince sinerji, atomlar birleşince enerji ortaya çıkıyor. Hem de füzyon enerjisi. 

Şunu düşünün. İki Hidrojen atomunu birbiriyle kaynaştırmak ve onlardan bir Helyum yaparak enerji çıkarmak istiyorsunuz. Hidrojen atomunun çekirdeğinde 1 proton var. + yüklü bir parçacık. Diğer Hidrojen atomunda da aynı şekilde. Bunlar aynı pozitif yüke sahip oldukları için doğal olarak birbirlerini itiyorlar.  Peki doğal olarak birbirini iten iki şeyi nasıl kaynaştıracaksınız? 

Bununla ilgili çok güzel bir benzetme yapılıyor. Bir topu bir dağın tepesine çıkarmak için ne yaparız? Onu iteriz değil mi? Yani enerji harcarız. Öyle bir tekmeyle topu zirveye çıkaramazsınız. Siz onu ittikçe o doğal olarak geriye gelme eğiliminde olacaktır. Onun bu eğilimiyle mücadele etmek için belli bir miktardaki enerjiyi bir eşiğe kadar vermeye devam etmeniz gerekir. İşte siz enerjinizi o eşiğe ulaştırınca top da zirveye çıkar ve sonrasında bir dönüşüm yaşanır, dağın öbür tarafından aşağıya doğru gitmesi için artık pek bir şey yapmanıza gerek kalmaz. 

Hidrojen atomlarını birleştirmek için ısı veriliyor. Isınınca hareketleri hızlanıyor ve birbirlerine yaklaşıyorlar. Ama yine de itme eğilimindeler. O yüzden daha fazla ısı veriyorsunuz. Biraz daha yaklaşıyorlar. Ama birleşmiyorlar. İşte topun zirveye ulaşması için harcamanız gereken o eşik enerjisinde olduğu gibi burada da öyle bir sıcaklık var ki onu verdiğinizde artık atom çekirdeklerinin birleşmekten başka bir seçenekleri kalmıyor. O yüzden kırılan rekorlardan söz edip duruyoruz. Güneş’in sıcaklığından şu kadar kat fazla bir ısı şu kadar süre boyunca verildi ve yeni bir rekor daha kırıldı diyoruz. Atomların çekirdeklerini birleştirecek kadar bir ısı verdiğinizde yeni bir güç ortaya çıkıyor. Tıpkı topu zirveye çıkardıktan sonra tepenin diğer tarafından aşağıya yönelmesi için bir şey yapmanıza gerek kalmaması gibi. O yeni ortaya çıkan güç birleşen çekirdeği bir arada tutan doğanın en temel güçlerinden biri. Kütle çekimi gibi, elektomanyetizma gibi fizikteki temel kuvvetlerden biri: Güçlü etkileşim.

Güneşte bu olay her an oluyor. İnanılmaz bir sıcaklık, kütle ve basınç sayesinde. İşte böyle bir şeyi Dünya’da cam bir silindirin içine yerleştirdikleri karabiber tanesi kadar küçük bir kapsülün içinde yaptılar. O kapsülün içine Hidrojenleri doldurdular. Dünyanın en güçlü 192 lazer ışınıyla kapsüle nişan aldılar ve ateşlediler. Tüm bunlar ışığın 3 metre yol alabileceği kadar kısa bir sürede gerçekleşti. Işığın saniyede 300.000 km hızla ilerlediğini düşünecek olursak epeyce kısa bir sürede gerçekleştiğini söyleyebiliriz. İşte o kadarlık bir anda karabiber tanesi kadar bir alanda sıcaklık 100 milyon santigrat dereceye çıktı. Dünya atmosferinin 100 milyar katı kadar bir basınç oluşturuldu. Böylece kapsülün içe doğru patlayıp oradaki Hidrojen atomlarının birleşmesi sağlandı. Daha önce yüzlerce kez yapıldığı gibi. Fakat 5 Aralık 2022’de yapılan o tarihi deneyde ilk kez bu işlemde kullanılan lazerlerin enerjisinden fazla enerji ortaya çıktı. 2 verildi 3 alındı. 1,5 katlık bir kazanım demek bu. Deneyin enerji üretim kısmıysa çok çok daha kısa sürede gerçekleşti. Işığın 3 cm yol kat edebileceği kadar kısa bir sürede! 

Peki bu deneyde, bu kadar kısa sürede ortaya çıkan bu kadarlık enerjiyle ne yapılabilir? 15-20 tane kettle ısıtılabilir. Yani hiç pratik değil, şu anda. Zaten bu laboratuvar ortamındaki bir deney, sadece. Çıkan enerjiyi korumak ve kullanmak için düzenlenmemiş. Ayrıca özellikle geçen hafta ABD’de bunun resmi duyurusu canlı yayınla yapılırken pek üzerinde durulmadı ama ben o yayın sonrasında düzenlenen paneli de takip ettim ve merak ettiğim çok önemli bir sorunun cevabını orada cümle arasında yakaladım. Deneyde kullanılan o lazer için kullanılan toplam enerji ne kadar? Yaklaşık 400 Megajülmüş! Yani evet 2 koyup 3 kazanıldı. İşin füzyon kısmındaki verimlilik tamam. Ancak lazer kısmında 400 koyup 2 alınabildi. Şimdi bir de oradaki verimlilik problemini çözmek gerekiyor. Dolayısıyla şimdi konuya bir de bu tarafından daha serinkanlı bir şekilde bakıp değerlendirecek olursak: 3 futbol sahası büyüklüğündeki bir tesiste, milyarlarca dolar harcananarak geliştirilen, dünyanın en gelişmiş lazerleriyle ışığın 3 cm yol kat edebileceği kadar kısa bir süre boyunca enerji üretildi. Onunla da 15-20 kettle su kaynatabiliyoruz ancak. Peki bunun neresi başarı? 

Bu bilimsel bir başarı arkadaşlar. Hem de insanlığın ve gezegenin kaderini belirleyecek ölçüde önemli bir adım. Güneşin enerji üretim şeklini yeryüzünde de tekrarlayabileceğimiz artık bilimsel olarak kanıtlanmış oldu. Bundan sonra bunun pratiğe geçirilmesi gerekiyor. Bilimin sonuçlarını teknolojiye uyarlamak. Bilim insanlarının çalışmalarını mühendislik uygulamalarına dönüştürmek. Bunun için de zamana ve insan kaynağına ihtiyaç var. Bilmem anlatabildim mi sevgili genç arkadaşlar.

Ne kadar zaman derseniz? Vaktimiz var. Temkinli konuşan uzmanlar on yıllar sürer diyor. Daha şimdiden kurulmaya başlayan bazı özel girişimler birkaç yıl sonra o iş tamam, bizde diyor. Tabi bir yandan yatırımcılara göz kırparak… Bu iki ucun ortalamasını alırsak 2030’lu ya da 2040’lı yıllarda ilk füzyon reaktörlerinin aydınlattığı kent haberlerini duymaya başlayabiliriz sanıyorum.

Dönüm noktası olarak kabul edilen bu son deneyde kullanılan o lazerler öylesine güçlü ki günde sadece bir kez çalıştırılabiliyor. Inertial Confinement Fusion (ICF) denilen bu yöntemle sürdürülebilir enerji üretebilmek için günde bir değil saniyede birkaç kez ateşleme yapılması gerekiyor. Bunu resmi bir kaynaktan doğrulayamadım ama her bir ateşlemenin de $60k civarında bir maliyeti olduğu söyleniyor. Dolayısıyla bu sistemin sağlıklı olarak işleyebilmesi için her şeyin yeniden tasarlanması gerekecek.

Bu arada füzyon enerji sadece Amerikalıların kullandığı bu yöntemle elde edilmiyor. Çin’in yapay güneşinden bahsetmiştim ya hani. Orada, Güney Kore’de, Rusya’da, Avrupa’da bu iş için tokamak reaktörleri kullanılıyor. Bu yönteme de Magnetic Confinement Fusion (MCF) deniyor. Çünkü devasa mıknatıslar kullanıyorlar. Gel gör ki, bu yöntemde de o mıknatıslar için çok büyük miktarda enerji harcamak gerekiyor. 

Bir tarafta lazerlere, diğer tarafta mıknatıslara…

Yani o topu tepenin zirvesine çıkarmak iki yöntemle de kolay değil. Ama o zirve çok önemli. Çünkü o Kaf dağının ardında neredeyse sınırsız ve tertemiz bir enerji olasılığı var. Verimli bir şekilde çalışarak enerji üretecek nükleer füzyon reaktörleri için daha on yıllarca çalışacağız ama bunun sonuçları gezgenimizdeki yaşamın daha sürdürülebilir hale gelmesini sağlayacak. Bu gezegenin en büyük problemi olan küresel iklim değişikliği konusunda en önemli çözüm yollarından biri olacak. 

Ve şunu da unutmamak lazım. Bunun teknolojik uygulamalarını gerçekleştirenler, geleceğin en büyük gücünü de kontrol edecekler. Yeryüzündeki minyatür güneşlerin gücüne sahip olacaklar.