Füzyon Nedir, Nasıl gerçekleşir? Dünyada Füzyon Reaksiyonu

Füzyon (Nükleer Kaynaşma) iki hafif elementin birleşerek daha ağır bir element oluşturduğu tepkimelere denir. Bu tepkimelere genellikle yıldızlarda rastlarız, bu olay çok yüksek sıcaklık ve basınç altında hidrojen atomlarının çarpışıp helyum atomu oluşturması ile meydana gelir. Güneşten elde edilen bu enerji o kadar büyüktür ki 1 dakikada oluşan enerji, dünyanın 1000 yıllık elektrik gücünü çıkartabilir. Bu nedenle füzyon enerjisi üzerine günümüzde oldukça fazla araştırma yapılmakta.

Füzyon Nasıl Gerçekleşir

Füzyonu anlatmadan önce hidrojen elementinin izotopları olan Döteryum ve Trityumu tanıyalım. Döteryum (H²) 1 Proton ve 1 Nötron, Trityum (H³) ise 1 Proton ve 2 Nötron bulunan izotoplardır. D-D (Döteryum-Döteryum) veya D-T (Döteryum-Trityum) reaksiyonları 1 adet nötron, 1 adet helyum atomu ve yüksek düzeyde enerji oluşturur.

Bu birleşme (kaynaşma) için 4.4 keV (51040000 K) sıcaklığa  ihtiyaç duyulur. Birleşme sonucunda oluşan enerji 17.6 MeV değerindedir.

Yıldızlarda bu olay hidrojen bitene kadar devam eder. Hidrojen bittiğinde Helyum atomu ile daha ağır elementler oluşur. Buna üçlü alfa süreci denir. Hidrojen yakıt depolarını tüketmiş olan yıldızlarda görülür. Hidrojen atomları bittiğinde ve yalnızca helyum atomları kaldığında yıldız hidrostatik dengesini (kütle çekimine dayalı sıkıştırma basıncı) kaybeder ve yıldızın merkezi büzülmeye başlar. Yüksek basınca sahip olan yıldız çekirdeği aşırı derecede ısınır. Bu ısınma yeterli seviyeye ulaştığında helyum çekirdekleri aralarındaki itme kuvvetini yenerek helyum füzyonu başlar.

Helyum füzyonunda helyum atomları birleşerek berilyum atomunu oluştururlar. Daha sonra oluşan berilyum atomu ile helyum atomu benzer enerji düzeylerine sahip olduğundan birleşerek Karbon atomunu oluştururlar. Bu sürece Üçlü alfa süreci denir. Bu olaydan sonra üçlü alfa süreci daha ağır elementlerle devam eder.

1. basamak 1 berilyum (⁸Be) 1 helyum (⁴He) çekirdeği birleşerek 1 karbon (¹²C) atomu oluşturur.
2. basamak 1 karbon (¹²C) 1 berilyum (⁸Be) atomu atomu ile birleşerek 1 neon (²⁰Ne) atomu oluşturur.
3. basamak 1 neon (²⁰Ne) atomu 1 karbon (¹²C) atomu ile birleşerek 1 kükürt (³²S) atomu oluşturur.
4. basamak 1 kükürt (³²S) atomu 1 neon (²⁰Ne) atomu ile birleşerek 1 demir (⁵²Fe) atomu oluşturur.

4 Basamaktan oluşan bu süreçte demir en son basamaktır. Çünkü demirden sonraki elementin oluşturulması için füzyon tepkimesinin enerji ihtiyacı vardır. Bilimsel olarak açıklamak gerekirse demir, bağlanma enerjisi en yüksek elementtir. Bağlanma enerjisi nedir diye bir soru kafanızda oluşabilir. Bağlanma enerjisi (Nükleon başına düşen çekirdek bağlanma enerjisi de denir.) bir çekirdeğin proton ve nötronlarına ayırabilmek için gerekli olan enerji miktarıdır.

Bağlanma enerjisi en yüksek element 56 kütle numaralı demir olduğundan bu elemente en kararlı element denilmiştir. Diğer bütün elementler; hafif olanlar Füzyon (kaynaşma) , ağır olanlar Fisyon (bölünme) yaparak demirin 56 atom kütlesine gelmeye çalışırlar. Burada bir parantez açalım, yukarıda demirin atom kütlesini 52 olarak verdiğim değer demirin kararsız haldeki değeridir. Kararlı hale gelebilmek için demir, atom kütlesini 56 yapması gerekir. Ancak füzyon için gerekli olan enerji, füzyon sonucu açığa çıkacak olan enerjiden daha fazla olacağı için güneş enerji veremez bir hale gelerek söner.

Hidrojen elementi ile başlayan füzyon tepkimesi daha ağır elementlerle yapıldığında harcaması gereken sıcaklık, enerji ve atom miktarı çok daha fazladır. Yani hidrojen füzyonu ile elde edilen enerji daha yüksek olduğu gibi daha az ısıya ve basınca ihtiyaç duyar.

Dünyada Füzyon 

Peki Dünyada neden füzyon tepkimesi yapılamıyor? Bilindiği üzere hidrojen çekirdekleri pozitif elektrik yükü taşır ve birbirlerine yaklaştırılmak istenildiğinde çok şiddetli bir şekilde birbirlerini iterler. Bunların kaynaşmasını sağlamak için aralarındaki itme kuvvetini yenebilecek büyüklükte bir kuvvetin olması gerekmektedir. Güneşte bu olay çok yüksek sıcaklık ve basınç altında atomların aşırı derecede hızlı hareket etmesi ile gerçekleşir. Bu kinetik enerji, 20-30 milyon derecelik bir sıcaklığa eş değerdir. Yüksek hız sayesinde + yüküne sahip hidrojen çekirdekleri itme kuvvetini yenerek çarpışır.

Bu olağanüstü bir sıcaklıktır ve kaynaşma tepkimesine girecek maddeyi taşıyacak hiçbir katı malzeme bu sıcaklığa dayanamaz. Bu nedenle şimdilik dünyada güneşteki gibi füzyon tepkimesi oluşturulamıyor.

Bilim adamları füzyon reaksiyonu ile ilgili deneyleri sayesinde bu tepkimeyi çok kısa bir süreliğine gerçekleştirilebiliyor. Tokamak reaktörü denilen cihaz çok güçlü bir manyetik alan ve yüksek bir sıcaklık oluşturup bu manyetik alan içine hidrojen gazı geçirilmesi ile kısa bir süreliğine plazma halinde füzyon tepkimesi oluşturabiliyor. Bilim adamları bu deneylerin ayrıntılarını kamuoyuna açıklamasalar da olay basitçe şu şekilde gerçekleşiyor:

Hidrojen atomları manyetik alan etkisiyle yüzeyden uzaklaşarak ortada toplanır. Orta bölümde ipe bağlı boncuklar gibi hareket eden hidrojen gazı çok yüksek hız ile hareket etmeye başlar. Bu hareket esnasında hidrojen atomları birbirleri ile çarpıştığından çok yüksek sıcaklığa sahip plazma görüntüsü açığa çıkartırlar. Bu olay oldukça kısa süreli (max 60 sn) olduğundan ve bu plazma halinden bir enerji elde edilemediğinden işe yaramıyor olsa da bilim adamları bu deneyler sayesinde füzyon reaksiyonu hakkında oldukça fazla bilgi topladıklarını söylüyorlar.

Bu yüksek sıcaklıklarda enerji üretmenin oldukça zor olduğunu anlayan bilim adamları çok daha uygun bir sıcaklık ile füzyon tepkimesini gerçekleştirmek adına çalışmalar yapıyorlar. Soğuk Füzyon olarak adlandırılan bu tepkime şuan için sadece teoriden ibaret. Üzerinde oldukça fazla konuşulan, gerçekleştirilmesi için çok fazla araştırma yapılan ve en son bu reaksiyonun şu an için imkansız olduğuna kanat getiren bilim adamları hala bunu gerçekleştirmenin hayallerini kurmaktalar.

Eğer soğuk füzyon yapılabilirse periyodik tabloda olan/olmayan elementler oluşturulabilir, elektrik enerjisinin çok ucuza üretebilir ve başka enerji elde etme yöntemlerine ihtiyaç kalmayabilir. Aşağıdaki videolar size füzyon hakkında daha fazla fikir verebilir.