Uzun bir süredir, enerji için tek seçenek olarak nükleer füzyon gücü kabul edildi. Bir füzyon santrali, iklim değişikliğiyle mücadele etmek için gereken ölçekte karbon içermeyen enerji üretme yeteneğine sahiptir. Ve deniz suyundan elde edilen döteryumdan beslenebilir.
Milyarlarca dolarlık araştırma fonu ve onlarca yıllık çalışma birçok ilerleme sağladı, ancak sorunlar devam ediyor. TEPCO‘da nükleer bilim ve mühendislik profesörü ve MIT’de malzeme bilimi ve mühendisliği profesörü olan Ju Li, iki önemli sorunun devam ettiğini belirtiyor. Birincisi, içine konulandan daha fazla enerji üreten bir füzyon santrali inşa etmek. Bu hedefe ulaşmak için dünya çapında araştırmacılar çalışıyorlar.
Li, ikinci sorunun basit bir soru olduğunu söylüyor: “Isıyı nasıl dışarı atacağız?” Ancak sorunu anlamak ve bir çözüm bulmak için tam olarak net değil.
MIT Enerji Girişimi (MITEI) tarafından yürütülen araştırmalar, bu sorunların yanı sıra enerji geçişinin diğer çeşitli sorunlarının çözümüne yardımcı olabilecek gelişmiş malzemelerin geliştirilmesine ve test edilmesine odaklanmaktadır. MIT, füzyon enerjisini kullanmak için gereken teknolojileri geliştirme çabalarını destekleyen çok sayıda kurumsal üyeye sahiptir ve MITEI bu çabaları desteklemektedir.
Sorun: Helyum, yıkıcı bir güçtür
Bir füzyon reaktöründe iyonize bir gaz, vakumlu bir kabın içinde tepkimeye girer. Plazmadaki hafif atomlar daha ağır atomlar oluşturmak için birleştikçe, yakındaki vakum kabından bir soğutucuya fırlayan yüksek kinetik enerjili hızlı nötronlar salarlar. Bu süreç boyunca, bu hızlı nötronlar ısı üreterek ve radyasyon hasarı nedeniyle enerjilerini kaybederler. Soğutucuya aktarılan ısı, elektrik üreten bir türbini çalıştıran buharı yükseltir.
Problem, soğutucuyu ve reaksiyona giren plazmayı birbirinden ayıracak kadar güçlü kalırken, nötronların hızlı bir şekilde soğutucuya geçmesine izin veren vakum kabı için bir malzeme bulmaktır. Sadece nötronların metal yapıdaki atomları yerinden oynatması nedeniyle meydana gelen hasar düşünüldüğünde, vakum kabı tam on yıllık bir süre boyunca kullanılabilir. Ancak, vakum kabının hangi malzemelerden yapıldığına bağlı olarak altı ila on iki ay dayanacağı söyleniyor. Neden bu? Günümüz nükleer fisyon reaktörleri de nötron üretir ve bir yıldan çok daha uzun süre dayanır.
Füzyon nötronları, fisyon nötronlarından çok daha yüksek kinetik enerjiye sahiptir ve vakum kabı duvarlarına nüfuz ettikçe, bazıları yapısal malzemedeki atom çekirdekleriyle etkileşime girerek helyum atomlarına dönüşen parçacıklar salıyor. Bu, onları diğerlerinden ayırır. Bir fisyon reaktöründe bulunandan yüzlerce kat fazla helyum atomu ortaya çıkar. Bu helyum atomlarının emilmesi için ne kadar enerji gerektiğini gösteren bir ölçüt olan düşük “gömme enerjisi” olan bir yer ararlar. Li, “Helyum atomları düşük helyum gömme enerjisi olan yerlere gitmeyi sever” diyor. Ve füzyon vakum kaplarında kullanılan metallerde, helyum gömme enerjisi daha düşük olan tane sınırları olarak bilinen doğal açıklıklar bulunmaktadır.
Metaller, düzenli bir şekilde sıralanmış atomlardan oluşur. Tanelerin bir araya geldiği yerlerde atomların sıralanması aynı değildir. Bu açık alanın helyum yerleştirme enerjisi düşük olduğu için helyum atomları orada toplanır. Daha da kötüsü, helyum atomları tane sınırını iter çünkü helyum atomları diğer atomlarla itici bir etkileşime sahiptir. Vakum kabı zamanla kırılır ve açıklık sürekli bir çatlağa dönüşür.
Sadece helyum atomlarının sayısına dayanarak, bu helyum atomları topluluğu yapının beklenenden çok daha erken çökmesinin nedenini açıklıyor. Li, bu durumu açıklamak için bir örnek sunuyor. Babil, bir milyon insanın yaşadığı bir şehir. Bununla birlikte, iddiaya göre yüz kötü insan tüm şehri yok edebilir – tüm bu kötü insanlar belediye binasında çalışıyorsa.Çözüm? Bu kötü kişilere, ideal olarak kendi köylerinde, başka, daha çekici yerler önerin.
Li, füzyon reaktörünün sorunu ve potansiyel çözümü aynıdır. Çok sayıda helyum atomu aynı anda tane sınırına giderse, metal duvarlarını parçalayabilirler. Bir çözüm? Tane sınırından bile daha düşük helyum gömme enerjisine sahip bir malzeme eklemek. Li ve ekibi, son iki yılda hem teorik hem de deneysel olarak dikkat dağıtma stratejilerinin etkili olduğunu gösterdiler.
Dikkatlice seçilmiş bir ikinci malzemenin nano ölçekli parçacıklarını metal duvara ekleyerek helyum atomlarının metalin yapısal olarak savunmasız tane sınırlarında toplanmasını önleyebileceklerini keşfettiler.
Helyum emici maddeler
Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bölümü’nden So Yeon Kim PhD ’23 ve Nükleer Bilim ve Mühendisliği Bölümü’nden Haowei Xu PhD ’23, biri diğerinden daha düşük helyum gömme enerjisine sahip iki “faz”dan numuneler alarak fikirlerini test ettiler. Daha sonra, füzyon reaktöründeki sıcaklığa yakın bir sıcaklıkta helyum iyonlarını numuneye yerleştirdiler ve helyum kabarcıklarının oluşumunu gözlemlediler. Helyum kabarcıklarının ağırlıklı olarak düşük helyum gömme enerjisine sahip fazda meydana geldiğini gösteren transmisyon elektron mikroskobu görüntüleri doğruladı. Li, “Tüm hasar o fazdadır – daha yüksek gömme enerjisine sahip fazı koruduğunun göstergesidir.”
Yaklaşımlarını onayladıktan sonra araştırmacılar, vakum kabı duvarlarının ana metali olan demirle iyi çalışacak helyum emen bileşikler aramaya başladı. Kim, “Ancak her türlü farklı malzeme için helyum gömme enerjisini hesaplamak hesaplama açısından zorlayıcı ve pahalı olurdu.” Helyum gömme enerjisinin güvenilir bir göstergesi olan ve hesaplanması kolay bir metrik bulmak istedik.”
Atomik ölçekte serbest hacim, helyum atomlarının potansiyel olarak yerleşmesi için mevcut olan iç boş alanın maksimum boyutudur. Kim’in açıklaması, “Bu, belirli bir kristal yapıya sığabilecek en büyük kürenin yarıçapıdır”. Bu bir hesaplamadır.Birkaç helyum emen seramik malzemenin araştırılması, atomik serbest hacmin helyum gömme enerjisiyle güçlü bir şekilde ilişkili olduğunu doğruladı. Ayrıca, inceledikleri seramiklerin çoğu tane sınırlarından daha yüksek serbest hacme sahiptir, bu da gömme enerjisini düşürür.
Bununla birlikte, nükleer füzyon uygulaması seçeneklerini belirlemek için taramanın ek bazı değişkenleri de içermesi gerekiyordu. Örneğin, atom serbest hacmine ek olarak, iyi bir ikinci faz mekanik olarak sağlam olmalı (bir yükü kaldırabilmeli), nötron maruziyeti nedeniyle çok radyoaktif olmamalı ve metale çok yakın olmamalı, böylece dağılır ancak metale çözünmez. Li, “Tüm tane sınırı bölgelerinin dağılmış seramik faza yakın olmasını ve bu bölgelere koruma sağlayabilmesini sağlamak istiyoruz” diyor. İki faz aynı anda olmalıdır, böylece seramik ya birbirine yapışmayacak ya da demirde tamamen çözünmeyecek.”
Kim ve Xu, analitik araçlarını kullanarak yaklaşık 50.000 bileşiği incelediler ve 750 potansiyel aday belirlediler. Demir silikatı, esas olarak demirden yapılmış bir vakum kabı duvarına yerleştirmek için iyi bir seçenekti.
Deneysel çalışmalar
Laboratuvarda örnekler incelemeye hazırdı. Kavram kanıtı gösterileri için kompozit bir malzeme oluşturmak için Kim ve arkadaşları, demir silikat nanometre ölçeğindeki parçacıkları demire dağıtarak helyum ekledi. Helyum yerleştirilmeden önce ve yerleştirildikten sonra X-ışını kırınımı (XRD) görüntülerini aldı ve XRD desenlerini hesapladı. Yerleştirilen helyum ile dağıtılan demir silikat arasındaki oran, deneysel ve hesaplanan XRD desenleri arasında doğrudan bir karşılaştırma yapmak için dikkatlice kontrol edildi. Hesaplamaların tahmin ettiği gibi, helyum yerleştirme XRD yoğunluğunu değiştirdi. Kim, “Bu uyum, atomik helyumun demir silikatın toplu kafesi içinde depolandığını doğruluyor.”
Kim, kompozitteki helyum kabarcıklarının miktarını doğrudan saydı. Birçok helyum kabarcığı, demir silikat eklenmemiş demir numunelerinin tane sınırlarını çevreleyen birçok helyum kabarcığı oluşturdu. Bununla birlikte, demir silikat seramik fazı eklenmiş demir numunelerinde helyum kabarcıkları malzeme boyunca yayılıyordu ve tane sınırları boyunca çok daha az kabarcık vardı. Sonuç olarak, demir silikat, helyum atomlarını tane sınırlarından uzaklaştırarak düşük helyum gömme enerjisine sahip yerler sağladı. Bu hassas açıklıklar, çatlakların açılmasını ve vakum kabının çökmesini engelledi.
Araştırmacılar, vakum kabının demir duvarlarına hacimce sadece 1% demir silikat eklemenin helyum kabarcıklarının sayısını yarıya indireceğini ve kabın çapını %20 azaltacağını keşfettiler. Li’ye göre, “Tanecik sınırlarında değillerse çok sayıda küçük kabarcık olması sorun değil.”
Daha sonraki adımlar
Şu anda Li ve ekibi, sorunun hesaplamalı çalışmalarından ve olası bir çözümden deneysel gösterilere geçtiler. Ve parçaların ticari üretimi için iyi yolları var. Li’ye göre, “Mevcut ticari 3D yazıcılarla uyumlu ve önceden helyum emen seramiklerle yüklenmiş tozlar ürettik.” Helyum emen nanopartiküller kap duvarlarının yapısal metallerindeki hassas tane sınırlarını korumak için iyi dağılmış olmalıdır. Li, yapılması gereken daha fazla bilimsel ve mühendislik çalışmasının gerekli olduğunu onaylarken, Nükleer Bilim ve Mühendislik Bölümü’nden Alexander O’Brien PhD ’23 ve aynı bölümde eski bir doktora sonrası araştırmacı olan Kang Pyo So ile birlikte, bir füzyon reaktörü içindeki vakum kabının karşılaştığı tüm zorlukları karşılayabilecek yapısal malzemeleri 3D yazdırmaya hazır bir girişim şirketi kurdular.
Bu araştırma, MIT Enerji Girişimi aracılığıyla Eni SpA tarafından desteklenmiştir. Ek destek, Kwajeong Bursu; Idaho Ulusal Laboratuvarı’ndaki ABD Enerji Bakanlığı (DOE) Laboratuvar Yönetimli Araştırma ve Geliştirme programı; ABD DOE Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı; ve Kore Ulusal Araştırma Vakfı aracılığıyla Yaratıcı Malzemeler Keşif Programı tarafından sağlanmıştır.
Haberin devamı için kaynakları inceleyebilirsiniz…
Kaynaklar:
https://news.mit.edu/2024/more-durable-metals-fusion-power-reactors-0819
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645424000077?via%3Dihub
Derleyen: Atalay Bozdoğan – Akdeniz Üniversitesi Makine Mühendisliği Öğrencisi
