Nükleer Fisyon Nedir? Nükleer Füzyon nedir?

Nükleer Fisyon Nedir? 

Nükleer fisyon, atom çekirdeklerinin bölünmesi (yarılması) işlemidir. Bu süreç, genellikle ağır atom çekirdeklerinin, özellikle uranyum-235 veya plütonyum-239 gibi izotopların, bir nötron tarafından vurularak iki daha küçük çekirdeğe ayrılmasıdır. Bu bölünme işlemi sırasında çok miktarda enerji açığa çıkar. Nükleer fisyon, genellikle nükleer enerji üretimi ve nükleer silah teknolojilerinde kullanılır.

Mesela Uranyum-235 nötron bombardımanına tutulur. Bombardımanda uranyum bir adet nötron alarak Uranyum-236 haline geçer ve kendiliğinden parçalanarak baryum-142 ve kripton-91'e dönüşür. Bununla birlikte üç nötron salar. Eğer salınan 3 nötron ortamdan alınmazsa bu nötronlar diğer Uranyum-235 atomlarının yapısına katılır ve bu tepkime zincirleme olarak devam eder. Her bir Uranyum-236 atomu parçalandığı sırada saldığı 3 nötron yanında enerji de açığa çıkarır. Açığa çıkan bu enerji 20.000 ton TNT'nin enerjisine eşittir. Fisyon tepkimelerinde açığa çıkan enerji, nükleer reaktörlerde kontrollü olarak kullanılarak enerji elde edilebilir. Ayrıca açığa çıkan alfa ve gama ışınları bilimsel deneylerde kullanılır.

Nükleer fisyonun bazı temel özellikleri ve kullanım alanları şunlardır:

Nükleer Enerji Üretimi: Nükleer fisyon, enerji üretimi için kullanılan bir yöntemdir. Nükleer reaktörlerde, kontrol altında gerçekleştirilen fisyon reaksiyonları, su veya başka bir soğutucu madde tarafından taşınan ısıyı üretir. Bu ısı enerjisi, elektrik üretimi için kullanılır. Nükleer enerji, karbon salınımlarını azaltan bir enerji kaynağı olarak görülebilir, ancak nükleer atıklar ve güvenlik endişeleri gibi sorunları da beraberinde getirir.

Nükleer Silahlar: Nükleer fisyon, nükleer silahların çalışma prensibini oluşturur. Fisyon reaksiyonları, büyük miktarda enerji açığa çıkarır ve bu enerji, nükleer patlamalarda kullanılır. Bu nedenle, nükleer fisyonun kontrolsüz kullanımı tehlikeli olabilir ve küresel güvenlikle ilgili büyük endişelere yol açar.

Nükleer Tıp: Nükleer fisyon, medikal uygulamalarda da kullanılabilir. Özellikle ışın tedavisi gibi tedavilerde, kontrollü nükleer fisyon reaksiyonları kullanılarak kanser hücreleri hedef alınabilir.

Nükleer Araştırmalar: Fisyon reaksiyonları, nükleer fizik ve nükleer mühendislik alanlarında yapılan araştırmalarda önemli bir role sahiptir. Bu araştırmalar, nükleer reaktör tasarımı, yakıt döngüsü yönetimi ve nükleer enerji teknolojilerinin geliştirilmesi gibi konuları içerir.

Nükleer Fisyon, doğru şekilde yönetildiğinde enerji üretimi ve tıbbi uygulamalarda faydalı olabilir, ancak aynı zamanda ciddi güvenlik endişelerine neden olabilecek potansiyel tehlikeler içerir. Bu nedenle, nükleer fisyonla ilgili uygulamalar genellikle sıkı düzenlemeler ve güvenlik önlemleri altında gerçekleştirilir. 

Nükleer Füzyon Nedir?

Nükleer fisyon, atomun ikiye bölünmesiyle ortaya çıkar. Fakat Nükleer Füzyon ise iki atomun çeşitli reaksiyonlar sayesinde birleşmesi ve ortaya daha ağır bir atomun çıkması sürecine denir. 

Bu açıklamalardan, oluşum bakımından fisyon ve füzyonun karşıt iki süreç olduğu kabul edilmektedir.

Füzyon reaktörleri, güneş ve yıldızların enerji üretme mekanizmalarından esinlenen nükleer füzyon reaksiyonlarını kontrol altına alarak enerji elde etmeyi amaçlayan cihazlardır. Bu reaktörler, genellikle yüksek sıcaklık ve basınç altında hidrojen izotoplarını birleştirerek hafif elementlerin daha ağır elementlere dönüştüğü füzyon reaksiyonlarını kullanarak yüksek kapasitede enerji elde etmeye çalışırlar. Bu reaksiyonlar, atom çekirdeklerinin birleştirilmesiyle daha ağır bir çekirdek oluşturulmasını içerir. 

Temel amaç Güneş gibi yıldızlarda olan doğal süreci yapay olarak Dünya’da gerçekleştirmek ve bu sayede sınırsız enerjinin kilidini açmaktır. En basit şekilde füzyon reaktörleriyle Güneş'in füzyon mekanizmasını taklit ederek hidrojeni helyuma dönüştürmek ve açığa çıkan muazzam enerjiyi pratik bir şekilde kullanmak amaçlanmaktadır.

Füzyon Reaksiyonu için gerekli maddeler deniz suyunda bulunmaktadır. Ayrıca bu reaksiyon sonucunda nükleer fisyon reaksiyonlarında olduğu gidi radyoaktif atıklar da oluşmamaktadır.

Bilim insanları ne üzerinde çalışıyor?

Bilim insanlarının nükleer füzyonu oluşturmak içi kullandığı yöntemlerden birinde tokamak adı verilen cihaz kullanılmaktadır. 

Simit şeklinde vakumlu bir odadan oluşan sistemde süper mıknatıslar kullanılarak 150 ila 300 milyon derece sıcaklığa ulaşılarak kullanılan yakıtta nükleer füzyon reaksiyonları başlatılmaktadır. 

Füzyon reaktörlerinin diğer enerji üretimlerine göre temel avantajları şunlardır:

Temiz Enerji Üretimi: Füzyon reaktörleri, nükleer füzyon reaksiyonları sırasında atmosfere zararlı gazları salmaz ve nükleer atık üretme riskini minimize eder.

Yüksek Enerji Verimliliği: Füzyon reaktörleri, yüksek sıcaklık ve basınç altında gerçekleşen reaksiyonlarla oldukça yoğun bir enerji üretir.

Sınırsız Yakıt Kaynakları: Füzyon reaktörleri, yakıt olarak geniş ölçekte bulunan hafif izotoplar olan deuterium ve trityumu kullanır.

Ancak, füzyon reaktörlerinin tasarımı ve kontrolü oldukça karmaşık ve zorlu bir teknik sorunlar dizisi içermektedir. Yüksek sıcaklık, plazma stabilitesi, manyetik alan kontrolü gibi birçok teknik engel, bu teknolojinin ticari olarak kullanılabilir hale gelmesini zorlaştırmaktadır. Yine de, birçok ülkede füzyon enerjisi araştırmaları devam etmekte ve gelecekte enerji üretiminde önemli bir rol oynaması beklenmektedir.

Füzyon reaktörleri, nükleer füzyon reaksiyonlarını kontrol altında tutarak enerji üreten cihazlardır.

Füzyon reaktörlerinin temel bileşenleri ve çalışma prensipleri:

Plazma: Füzyon reaktörlerinde, hidrojen izotoplarından oluşan bir plazma (yüksek sıcaklık ve basınç altında iyonlaşmış gaz) oluşturulur. Bu plazma, atom çekirdeklerini çok yüksek enerjilerle birleştirmek için gerekli koşulları sağlar.

Manyetik Alanlar veya Lazer Işınlama: Plazmanın istikrarlı bir şekilde tutulması için genellikle manyetik alanlar veya yüksek enerjili lazerler kullanılır. Bu alanlar veya ışınlar, plazmayı bir arada tutarak füzyon reaksiyonlarının kontrol altında gerçekleşmesini sağlar.

Yakıt: Füzyon reaktörleri, genellikle deuterium ve trityum gibi hafif hidrojen izotoplarını yakıt olarak kullanır. Bu izotoplar, dünya genelinde bol miktarda bulunur ve potansiyel olarak sınırsız bir enerji kaynağı sağlar.

Enerji Üretimi: Füzyon reaksiyonları gerçekleştikçe, hidrojen izotopları birleşir ve daha ağır bir çekirdek oluştururken, bu süreç sırasında enerji açığa çıkar. Bu enerji, elektrik enerjisi üretmek için kullanılabilir.

Çin’de bulunan Hefei Fiziksel Bilim Enstitüsü, EAST adını verdikleri, Deneysel İleri Derecede Süper İletken Nükleer Kaynaşım Halkası 100 milyon °C’ye ulaşarak yeni bir sıcaklık rekorunu kırmıştır. 

EAST temelinde suni bir güneş olarak tasarlanmış bir reaktör ve güneşten neredeyse 6 kat daha fazla sıcaklığa ulaşan bu reaktör ileride nükleer füzyondan enerji üretmeyi planlamaktadır.

Gelecekteki kullanımı açısından, füzyon reaktörleri potansiyel olarak temiz, sürdürülebilir ve yüksek enerji verimliliği sunan bir enerji kaynağı olarak görülmektedir. Ancak, bu teknolojinin geliştirilmesi ve ticari olarak kullanılabilir hale getirilmesi bir dizi teknik zorluk içermektedir. Yüksek sıcaklık ve basınç, plazma stabilitesi, manyetik alan kontrolü gibi sorunlar üzerinde çalışılmaktadır. Halen, füzyon reaktörlerinin ticari ölçekte kullanılması için birkaç on yıl sürecek gibi görünmektedir, ancak birçok ülkede devam eden araştırmalar ve projeler bu alanda ilerlemeler kaydedilmesini sağlamaktadır.

Aslında bilim insanları uzun süredir nükleer reaksiyonların meydana gelme prensibini çözmüş durumdadır ve 1930'lu yıllardan beri bunu kontrollü bir şekilde taklit etmeye çalışmaktadırlar. 

Fakat bu reaksiyonu tetiklemek için harcanan enerji, reaksiyon sonucu elde edilen enerjiden daha fazla olduğu için verimli bir kaynak haline bugüne kadar dönüştürülememiştir.

Dünyada Füzyon teknolojisi ile ilgili çalışan ülkeler ve çalışmaları:

Nükleer füzyonun gelecekte sürdürülebilir ve temiz bir enerji kaynağı olarak tesis edilmesi amacıyla Avrupa Birliği ve Japonya arasında gerçekleştirilen ortak girişimi temsil eden "JT-60SA" reaktörü Japonya’da resmi faaliyetlerine başlamıştır. Avrupa Enerji Komisyonu tarafından yapılan basın açıklamasında, açılış töreni sırasında hem AB hem de Japonya'nın JT-60SA için verdikleri desteklerin altı çizilmiştir. JT-60SA, ekim ayında ilk plazma üretimini gerçekleştirmiştir.

Dünyanın en büyük ve en gelişmiş tokamak füzyon reaktörü, AB/Japon 370 tonluk JT-60SA reaktörü Japonya'nın Ibaraki Eyaletinde düzenlenen bir açılış töreniyle ilk kez ateşlenerek devreye girmiştir.

İlk olarak 1950'lerde Sovyet bilim adamları tarafından tasarlanan tokamaklar, ticari olarak uygulanabilir ilk füzyon enerji santralleri olma yolunda önde gelen yaklaşımlardan biri olan toroidal reaktörlerdir. Bu reaktörlerde füzyon reaksiyonları halka şeklindeki bir oda içinde gerçekleşir ve aşırı sıcak plazmayı hapsetmek için manyetik alanlar kullanılır. Bu deneysel reaktör plazmanın sıcaklığını inanılmaz bir şekilde 200 milyon santigrat dereceye yükseltmek ve sadece 100 saniye boyunca orada stabil bir şekilde tutmak için inşa edilmiş durumdadır.

Bu süre kendisinden önce imal edilmiş büyük tokamakların kapasitesini önemli ölçüde aşmaktadır.

Tokomaklar kavram olarak basit ve inşaları nispeten kolay olsa da pratikte onları sürdürülebilir halde tutmak, yani verilen enerjiden daha çoğunu almak son derece zor bir süreçtir. Japonya Torus-60 (JT-60) projesine 1970 yılından beri devam ederken JT-60SA bu projenin en son ve en büyük güncellenmiş veya yenilenmiş hali olarak karşımıza çıkmaktadır.

JT-60SA'nın faaliyete başlaması, 1 Aralık 2022 tarihinde AB'nin Enerjiden Sorumlu Komisyon Üyesi Kadri Simson ve Japonya Eğitim, Kültür, Spor, Bilim ve Teknoloji Bakanı (MEXT) Masahito Moriyama tarafından resmi bir törenle kutlanmıştır. Geliştirilmiş reaktör hala pratik bir enerji jeneratörü olmaya yakın olmasa da, ticari istasyonlar için ihtiyaç duyulacak malzeme ve işlemlerin test edilmesinin yanı sıra pek çok sorunun üstesinden gelmek için kullanılması planlanmaktadır.

Son 75 yıl boyunca bizlere füzyon gücünün sadece 25 yıl uzakta olduğu söylenmiştir ve bunu pratik hale getirmek için de milyarlarca dolar harcanmıştır. Günümüzde ise bu güce ulaşmak sadece zaman meselesidir. Çin, Japonya, AB ve ABD başta olmak üzere ülkeler çeşitli füzyon projeleri yürütmektedir. Birkaç kez net enerji fazlası elde edilebildi ancak bu konuda daha fazla test gerekiyor ve bu reaktörler de bunun için inşa ediliyor.

Sonuç 

Günümüzde Fisyon yoluyla elde edilen enerjiler Nükleer enerji reaktörlerinde elde edildiğinden nükleer kazalar ve yaydıkları radyasyon nedeniyle tehlikeli olabilir ama gerçekte fosil yakıtlar yaydıkları karbon temelli kirlenmeler nedeniyle daha da tehlikelidir.

Bununla beraber nükleer enerji; fosil yakıtların daha az kullanılmasını sağlayarak, kanser ve akciğer rahatsızlıklarının sayısını dikkate değer bir şekilde azaltmaktadır. NASA’nın yaptığı bir araştırma ile 1976 ve 2009 yılları arasında nükleer enerjinin 1,8 milyon ölümü engellediğini ortaya çıkarmıştır.

Kömür ve petrol sessizce ve yavaş yavaş insanlığa zarar verirken, nükleer enerjinin devasa ölçütte ve tekil kazalarının etkileri daha çok hissedilir olması nükleer reaktörleri tehlikeli bir hale getirmektedir.

Berkeley Üniversitesi profesörlerinden Daniel Kammen, ticari olarak uygulanabilir bir teknoloji geliştirilmesi halinde nükleer füzyonun temelde sınırsız bir enerji kaynağı olabileceğini belirtmektedir. 

ABD Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı’na (LLNL) bağlı Ulusal Ateşleme Tesisi’nde (NIF) gerçekleştirilen bir deneyde, sınırsız temiz enerji teknolojisini yeni bir kilometre taşına ulaştırmıştır. Konuyla ilgili dün (13 Aralık 2022) yapılan açıklamada bilim insanları, füzyon teknolojisinde büyük bir engeli aşarak deneyde kullanılan enerjiden daha fazla enerji elde etmeyi başarmıştır.

LLNL Direktörü Dr. Kim Budil, “Bu tarihi bir başarı. Geçen 60 yıl boyunca insanlar bu çabaya katkı sağladı ve bu noktaya ulaşmamız için gerçek bir vizyon gerekti” diye konuşmuştur.

BBC’nin bir haberine göre Amerika Birleşik Devletleri’nin (ABD) Kaliforniya eyaletindeki lazer temelli nükleer araştırma merkezi Ulusal Ateşleme Tesisinde (NIF) gerçekleştirilen bu deneyde füzyon temelli enerji üretiminde büyük bir gelişme kaydedilmiştir. Bilim insanları, nükleer füzyon teknolojisinin geleceği konusunda tarihi bir başarı elde etmişlerdir.

Deneyin detayları

3.5 milyar dolar bütçeli deneyde, küçük miktarda hidrojen, bir karabiber tanesi boyutundaki bir kapsülün içine koyulmuş,  Hidrojen yakıtını ısıtmak ve sıkıştırmak için 192 ışınlı lazer kullanılmıştır. Kapsül, 100 milyon Santigrat dereceye kadar ısıtabilmektedir. Bu sıcaklık, Güneş’in merkezinden bile daha sıcak bir değere denk gelmektedir.

Bu sıcaklık ve sıkışıklık altında hidrojen içeriye doğru patlamak zorunda kalmakta ve hidrojen atomlarının birleşerek açığa enerji çıkarmasına yol açmaktadır.

Önemli gelişmeyi duyuran ABD Ulusal Nükleer Güvenlik İdaresi Başkan Yardımcısı Dr. Marvin Adams, deneyde kullanılan 2.05 megajul (MJ) enerjiye karşılık 3.15 megajul MJ enerji üretildiğini belirtmiştir.

Günümüzde dünyada yalnızca 20 füzyon reaktörü bulunmaktadır ve bunların büyük kısmı da deneysel niteliktedir. 

Türkiye için Öneriler:

Ortaya radyoaktif atık çıkarmadığı için çevre dostu olan nükleer füzyon teknolojisi, gelecekte enerji sürdürülebilirliği için büyük umut olarak görülmektedir.

Türkiye olarak Füzyon teknolojisi ile enerji üretimi konularına yatırım yaparak AR-GE faaliyetleri desteklenmeli ve Eğitim kurumlarında bu konuda araştırma ve çalışmalar yapılmalıdır.

Enerji üretimi konusunda Ay ve diğer gezegenler yüzeyine kurulabilecek enerji santralleri de dâhil edilmelidir.

Yenilenebilir enerji veya temiz enerji konularında Türkiye’nin elinde çok fazla seçenek olduğu için de her bir seçeneğin ayrı ayrı incelenmesi ve irdelenmesi gerekir. Uygun bulunan teknolojiler konusunda hızlıca eğitim, araştırma ve üretim projeleri öncelikle ele alınmalıdır. 

Bu konuda çalışma yapan ülkeler için ortak çalışma modelleri de değerlendirilmelidir. 

Unutulmamalıdır ki Füzyon enerjisinin temel kaynağı deniz suyudur ve Türkiye’nin üç tarafında da bolca deniz suyu bulunmaktadır.

https://www.donanimhaber.com/rolls-royce-gelecekteki-ay-reaktoru-gozler-onune-serdi--171841