Girdiden daha fazla enerji çıktısı Enerji kazanımı olarak bilinen bu zor hedef, yetmiş yıldır füzyon bilimcileri tarafından takip edilmektedir. Deney, Kaliforniya’daki Ulusal Ateşleme Tesisi’ndeki (NIF) bilim insanları tarafından 5 Aralık günü saat 01.00’de başarıyla tamamlandı. Bilim insanları 2,05 megajul lazer ışığını küçük bir füzyon yakıtı kapsülüne odaklayarak 3,15 MJ enerji ya da kabaca üç çubuk dinamit üretecek bir patlamaya neden oldular.
Massachusetts Teknoloji Enstitüsü’nde plazma fizikçisi olan ve araştırmada yer almayan Anne White’a göre, “Bu inanılmaz derecede heyecan verici, önemli bir buluş.”
Lawrence Livermore Ulusal Laboratuarı’nda silah fiziği ve tasarımı program direktörü olarak NIF’i denetleyen Mark Herrmann bunun “inanılmaz” bir duygu olduğunu söylüyor ve ekliyor: “Ekip ile gerçekten gurur duyuyorum.”
DOE(Enerji Bakanlığı) yetkilileri tarafından bugün kamuoyuna açıklanan sonuç, uzun süredir yüksek vaatlerde bulunup bunları yerine getiremedikleri için eleştirilen füzyon araştırmacıları için bir zaferdir. Fisyon temelli nükleer enerjinin radyoaktif sakıncalarının çok azına sahip olan füzyon, bol miktarda, karbonsuz enerjinin cazibesini sunmaktadır. Ancak hidrojen iyonlarının birleşerek helyuma dönüşmesi ve enerji açığa çıkarması için milyonlarca santigrat derecelik sıcaklıklara ihtiyaç vardır ki bu da üretilmesi ve sürdürülmesi zor olan koşullardır. NIF bulgusu, en azından kısa bir süre için bunun yapılabilir olduğunu göstermektedir. Üç MJ’de bir ton enerji var. Imperial College London’dan plazma fizikçisi Steven Rose’a göre bu, bir şeylerin çalışmakta olduğunu kanıtlıyor.
Tüm heyecana rağmen füzyon enerji santralleri hala çok uzakta. NIF hiçbir zaman satış için elektrik üretmeyi amaçlamamıştır. Asıl amacı küçük termonükleer patlamalar üretmek ve Amerikan nükleer cephaneliğinin güvenliğini ve güvenilirliğini garanti altına almak için bilgi sunmaktır. Çok sayıda uzman, daha uzun füzyon “yanmalarına” dayanabildikleri için fırın benzeri tokamakların ticari üretim için daha iyi bir tasarım olduğunu düşünmektedir. Bir tokamakta yakıt mikrodalgalar ve parçacık ışınları tarafından ısıtılır ve manyetik alanlar tarafından hapsedilir. White’a göre işin zor kısmı bunu güvenilir ve kolay hale getirmek.
Fransa’da inşa edilmekte olan ve en önemli tokamak cihazı olan ITER reaktörü hiç de basit değil. Bütçesinin çok üzerinde, çok gecikmiş ve en erken 2030’ların sonuna kadar kârlı hale gelmeyecek.
NIF’in son başarısının ardından, bu tür lazer tabanlı “atalet füzyon enerjisini” destekleyenler, tokamaklardan daha iyi performans gösterip gösteremeyeceklerini görmek için para için yaygara koparacaklardır.
2010 yılında 3,5 milyar dolarlık NIF “ateşleme” kampanyasını başlattı. Üç Amerikan futbolu sahası büyüklüğünde bir yapıya yerleştirilen lazeri, güçlü, nanosaniye uzunluğunda bir kızılötesi darbe gönderdikten sonra 192 ultraviyole ışık demeti yayar. Işınlar, karabiber büyüklüğünde bir yakıt kapsülünü tutan kalem silgisi büyüklüğünde bir altın kutu olan amaçlanan hedef üzerinde yoğunlaştırılır. Milyonlarca dereceye kadar ısıtılan altın, kapsülün elmas kabuğunun erimesine neden olan x-ışınları yayar. Patlayan elmas onu patlattığında benzin sıkıştırılır ve ısıtılır.
Füzyon reaksiyonlarının oluşumu
Füzyon reaksiyonları merkezdeki bir sıcak noktada başlar ve yakıt sıkıştırması yeterince simetrikse düzgün bir şekilde dışarı doğru yayılır ve füzyon reaksiyonlarından gelen ısı ek yanmayı ateşler. Ateşleme, kendi kendine devam eden yanmadır ve NIF bilim insanları, on yılı aşkın bir çalışmanın ardından Ağustos 2021’de yapılan bir atışın giriş lazer enerjisinin %70’ini üretmesinin ardından bu kilometre taşına ulaştıklarını duyurdular. NIF’e finansman sağlayan DOE’ye bağlı Ulusal Nükleer Güvenlik İdaresi, NIF’in hedefini birden büyük bir enerji kazanımı olarak belirlemişti ve bu hedefe geçen hafta ulaşıldı.
Ekstra mesafeye gitmek kolay değildi. NIF ekibi Ağustos 2021 atışının tekrarlanamayacağını keşfetti. Pürüzsüz bir elmas kapsül kullanmanın çok önemli olduğu ortaya çıktı: Ağustos 2021 modeli şimdiye kadar ürettikleri en pürüzsüz ve en yuvarlak kapsüldü. Herrmann “kapsülleri nasıl geliştireceğimizi öğrenmemiz gerekiyordu” diye açıklıyor. Ayrıca kapsülü önemli ölçüde kalınlaştırdılar, bu da patlamaya daha fazla ivme kazandırdı ancak daha uzun, daha güçlü bir lazer ışını gerektirdi. Lazeri daha fazla enerji elde edecek şekilde ayarlayarak 1,9 MJ’den 2,05 MJ’ye çıkardılar.
NIF araştırmacıları Eylül ayında 1.2 MJ’lik bir atış yaptıktan sonra doğru yoldaydılar, ancak yakıt sıkı bir top yerine bir gözleme şeklinde sıkıştırıldığı için simetri zayıftı. Enerjiyi 192 lazer ışını arasında değiştirerek daha dairesel bir patlama elde etmeyi başardılar ve geçen hafta nihayet zengin oldular. Rochester Üniversitesi Lazer Enerjetik Laboratuvarı’ndan Riccardo Betti’ye göre “fizik fenomeni kanıtlandı.”
Ancak NIF, eğer kazanç, giren elektrikten daha fazla çıkış enerjisi üretmek olarak tanımlanırsa, çok yetersiz kaldı. Lazerleri verimsizdir; 3 MJ füzyon enerjisi ve 2 MJ lazer ışığı üretmek için yüzlerce megajul elektriğe ihtiyaç vardır.
Ayrıca, NIF tabanlı bir enerji santrali, tekrarlama oranının günde bir atıştan saniyede yaklaşık on atışa çıkarılmasını gerektirecektir. Günde bir milyon kapsül oluşturmak, doldurmak, konumlandırmak, patlatmak ve çıkarmak için önemli bir mühendislik mücadelesi gerekecektir.
Betti’ye göre NIF planındaki bir başka verimsizlik. Füzyonu gerçekten ateşleyen x-ışınlarını üretmek için altın kutuyu bir lazerle patlatarak, bir “dolaylı tahrik” sistemi kullanıyor. Ona göre lazerin enerjisinin sadece %1’i yakıta giriyor. Kendi grubu tarafından kullanılan ve lazer ışınlarının enerjilerini doğrudan bir yakıt kapsülüne yoğunlaştırdığı bir strateji olan “doğrudan tahrik “i tercih ediyor.
Ancak DOE, elektrik üretmek amacıyla atalet füzyonu yaratmaya yönelik bir projeyi hiçbir zaman desteklememiştir. Betti ve White tarafından ortaklaşa kaleme alınan bir makalede, ajansın Füzyon Enerjisi Bilimleri Danışma Komitesi 2020’de yapılması gerektiğini tavsiye etti. Betti, “bunu nasıl yapacağımıza dair net bir yol olmamasına rağmen”, “yeni bir paradigmaya ihtiyacımız olduğunu” iddia ediyor.
Araştırmacılar, NIF’in sorunu çözmesiyle lazer füzyonunun güvenilirlik kazanacağını ve daha fazla fonun akmaya başlayabileceğini öngörüyor. Betti, buraya gelmek için çıkılan zorlu yolculuktan sonra bayrağı devretmekle dalga geçiyor. Bunun çok önemli bir ilk adım olduğunu iddia ediyor. “Artık bitirdiğimize göre emekli olabilirim.”
Kaynak: science
