Küre Şeklindeki Füzyon Kapları ve Mayonez – Gelecek Enerji İhtiyaçlarımızı Yeniden Hayal Etmek

Füzyon enerjisi, kozmik sistemimiz kadar eskidir. Güneşi ve yıldızları besler. Ancak, gezegenimizdeki uygulaması hâlâ deneysel.

Orta Temmuz raporuna göre, bu alandaki yatırımlar bu yıl 900 milyon dolardan fazla artarak yaklaşık 7,1 milyar dolara ulaştı. Ancak uzmanlar, yatırımlardaki büyümenin henüz yeterli olmadığını düşünüyor. Bu, geçen yıl elde edilen 1,4 milyar dolar ve 2022’deki 2,8 milyar dolar artışın altında.

Fusion Industry Association başkanı Andrew Holland’a göre:

“Son 12 ayda görülen büyüme olumlu, ancak füzyonun iddialı hedeflerini gerçekleştirmek için yeterli olmayacak.”

Her diğer sektörde olduğu gibi, büyüme yalnızca yenilikle sağlanabilir. Bugün, Ohmik ısıtma solenoidine olan ihtiyacı ortadan kaldırmayı hedefleyen verimli ve kritik bir yeniliği inceleyeceğiz; bu, ekonomik, kompakt füzyon tokamak reaktör sistemlerini hayata geçirmek için en etkili tasarım itici gücü olabilir.

Ancak araştırmaya ve sonuçlarına daha derinlemesine girmeden önce, füzyon enerjisi biliminin nasıl çalıştığına ve tokamak sistemlerinin bu konudaki rolüne kısa bir bakış atmalıyız.

Füzyon Enerjisi Bilimi ve Tokamak Sistemleri

Kontrollü füzyona dayalı bir enerji kaynağı geliştirmeyi amaçlayan çok disiplinli bir bilim alanıdır. Füzyonun temel prensibi, iki çekirdeği birleştirerek yeni bir çekirdek oluşturmaktır.

Daha pratik bir seviyede, Dünya üzerindeki füzyon, sürdürülebilir plazmaların oluşmasını sağlayacak koşulları yaratmayı içerir; bu plazmalar, elektronların atom çekirdeklerinden serbest kaldığı kadar sıcak gazlardır. Araştırmacılar, iyon ve elektronların elektrik yüklerine sahip olmaları nedeniyle ortaya çıkan bu parçacık topluluğunu kontrol etmek için elektrik ve manyetik alanlar kullanırlar. Bu mekanizma, kontrol füzyonu adını ilham veren şeydir.

Tokamak sistemleri, torus adı verilen halka şeklinde manyetik alanlar kullanarak plazmayı hapseder. Yıllar içinde, Tokamaklar geleceğin füzyon enerji santralleri için önde gelen plazma hapsi konsepti haline gelmiştir. Önümüzdeki bölümde tartışacağımız araştırma, tokamak alanını optimize etmeye yöneliktir.

Kompakt, Küresel Füzyon Kapları: Daha Küçük Bir Tokamak, Daha Ekonomik Füzyon Seçeneği

Bu araştırmanın öncülüğünü üstlenen geniş bir araştırmacı ekibi, bu araştırmanın başında, ABD Enerji Bakanlığı (DOE), Princeton Plazma Fizik Laboratuvarı (PPPL), özel şirket Tokamak Energy ve Japonya’daki Kyushu Üniversitesi’nden bilim insanlarını içermektedir. Önerileri, sadece mikrodalgalarla plazmayı ısıtan kompakt, küresel bir füzyon pilot tesisi fikri açısından basittir.

 Mikrodalgaların kullanılması, plazmayı ısıtmak için haznenin merkezine yakın konumda bulunan büyük bir bakır tel bobin (solenoid) ihtiyacını ortadan kaldırır.

Bu geleneksel ohmik ısıtma yaklaşımının kaldırılmasının faydalarını açıklarken, PPPL’de baş araştırmacı fizikçi ve makalenin baş yazarı Mayasuki Ono şunları söyledi:

“Kompakt, küresel bir tokamak plazması, nispeten küçük bir çekirdeğe sahip bir elma gibi görünür, bu yüzden ohmik ısıtma bobini için yer yoktur. Ohmik ısıtma bobini eklememiz gerekmezse, muhtemelen daha kolay ve daha ucuz bir makine tasarlayabiliriz.”

Hedefine ulaşmak için deney, plazmayı aynı anda ısıtan ve akım sağlayan Elektron Siklotron Akım Sürme (ECCD) adlı bir teknoloji kullanıyor. Araştırmacılar, TORAY adlı bir bilgisayar kodu geliştirdi; bu kod, TRANSP adlı bir diğeriyle birlikte, ışının hedef açılarını tarayarak en yüksek verimliliği belirleyebilir ve gerekli akımı sağlamak için gereken gücü en aza indirebilir.

Araştırmacılar ayrıca ısıtma sürecinin her aşaması için en iyi çalışacak ECCD modunu belirledi. Muhtemel seçenekler iki modu içerir:

• O modu veya sıradan mod
• X modu veya olağanüstü mod

Her iki mod da faydalıdır ve sistemin genel işleyişine katkıda bulunur. X modu, plazmanın sıcaklığını ve akımını artırmak gerektiğinde en iyi çalışır. O modu ise, yükseltme sonrası plazmanın sıcaklığını ve akımını korumak için en uygun seçenektir.

Alternatif ısıtma seçeneklerini özetlerken, Ono şunları söyledi:

“O modu, yüksek sıcaklık ve yüksek yoğunluklu bir plazma için iyidir. Ancak O modunun verimliliğinin düşük sıcaklıklarda çok kötü olduğunu gördük, bu yüzden düşük sıcaklık rejimini ele alacak başka bir şeye ihtiyaç var.”

Araştırmacılar ayrıca plazmanın safsızlıklardan arındırılmasının önemini vurguladı. Güçlü manyetik alanlar, plazmayı tokamak içinde belirli bir şekle hapsederek tutar, ancak bazen plazma tokamağın iç duvarlarına yaklaşabilir ve duvarlardaki atomların parçalanarak plazmaya girmesine izin verir.

Araştırma önerileri hâlâ deneysel olsa da, bu çözümü ileriye taşıyabilecek, ölçeklendirebilecek ve füzyon enerjisinin daha optimize ve enerji verimli bir şekilde uygulanmasını sağlayabilecek ticari kuruluşların katılımını zaten görebiliyoruz. Önümüzdeki bölümde, sürece zaten dahil olmuş Tokamak şirketini tartışacağız.

#1. Tokamak Energy Inc.

Tokamak, 2030’larda füzyon enerjisini başarılı bir şekilde sunmak için gereken teknolojiyi geliştirme konusunda öncü konumda olmuştur. Vizyonu, füzyon enerjisini temiz, güvenli, uygun fiyatlı ve kolay erişilebilir hâle getirmektir.

Şimdiye kadar şirket, 77 patent başvurusu ailesi elde etti ve toplam 250 milyon ABD doları topladı. Bu 250 milyon dolardan 200 milyon dolar özel yatırımcılardan, geri kalan ise Birleşik Krallık ve ABD hükümetlerinden geldi.

Operasyonel yaşamı boyunca şirket, birçok başarı ekledi. Örneğin, 2022’de şirket, bir tokamakta 100 milyon derece Celsius plazma iyon sıcaklığı elde eden ilk özel füzyon şirketi oldu; bu, ticari ölçekte füzyon için eşik değeridir.

Aynı yıl, şirket aynı zamanda en yüksek plazma ‘üçlü ürün’ (triple product) ile onurlandırıldı; bu, plazma sıcaklığı ve hapsi süresinin ana ölçütüdür.

Daha önce, füzyon enerjisine giden en iyi araştırılmış ve yaygın olarak kabul edilen yollar arasında yer alan küresel Tokamak’tan bahsetmiştik. Avantajları arasında operasyonel verimlilik, plazma stabilitesi ve maliyet etkinliği bulunur.

Tokamak’ın ST40 yüksek alanlı kompakt küresel tokamaki, bu alandaki en gelişmişlerinden biridir. Bu sayede Tokamak, Güneş’in merkezinden altı kat daha sıcak olan 100 milyon derece Celsius plazma iyon sıcaklığı elde etti.

Tokamak ayrıca, özel olarak inşa edilmiş bir test tesisinde Demo4 manyet sistemini inşa ediyor. Sistem, 44 ayrı HTS bobinini 14 toroidal alan kolu ve iki poloidal alan bobini olarak kafes şeklinde birleştiriyor. 20 Kelvin (-250°C) vakumda çalışabilir ve manyetik alan şiddeti, Dünya’nın manyetik alanından neredeyse bir milyon kat daha güçlüdür.

#2. Helion

Bu alanda oyun değiştirici çalışmalar yapan bir diğer şirket Helion’dur. Şirket, dünyanın ilk füzyon enerji santralini inşa ettiğini iddia ediyor. Helion’un füzyon jeneratörü, füzyon yakıtını 100 milyon derece Celsius’tan daha yüksek bir sıcaklığa çıkarabilir. Ayrıca, yüksek verimli bir darbeli yaklaşım ile elektrik üretebilir.

Teknoloji açısından, Helion’un çözümü manyeto-inertial füzyon teknolojisini kullanır. Helion’un teknolojisinin üç öne çıkan özelliği vardır; bu özellikler, diğer yaklaşımlardan farklı kılar. Güç çıkışını ihtiyaca göre ayarlamak için şirket, darbeli, yanma olmadan çalışan bir füzyon sistemini kullanır.

Bir elektrikli arabadaki rejeneratif fren sisteminin çalışmasına benzer şekilde, Helion sistemi elektriği doğrudan geri kazanabilir. Bu, Helion sistemini çok daha enerji verimli hâle getirir; çünkü diğer mevcut füzyon sistemleri suyu ısıtarak buhar üretir ve bu buhar türbini döndürür, süreçte çok fazla enerji kaybeder.

Helion, yakıt olarak döteryum ve helyum-3 (D-³He) kullanır. Bu iki elementin füzyonu, yüklü parçacıklar üretir ve bu parçacıklar doğrudan elektrik olarak geri kazanılabilir; bu da sistemi küçük, verimli, hızlı ve maliyet etkin tutar. Döteryum ve helyum-3 (D-³He) kullanımının, nötron emisyonlarını azaltmaya ve döteryum-trityum füzyon yakıtının getirdiği mühendislik zorluklarını önemli ölçüde azaltmaya yardımcı olduğu belirtilir.

Önemli olarak, şirket füzyon enerjisinin en düşük maliyetli elektrik kaynaklarından biri olabileceğine inanıyor; ideal olarak, kilovat-saat başına 0,01 ABD doları oranında elektrik üretmeyi hedefliyor.

Mevcut en son bilgilere göre, 2008 yılında kurulan şirket, 2021 sonuna kadar 500 milyon ABD doları toplayarak 1,25 milyar dolar değerlemeye ulaşmış. Bu son tur, OpenAI CEO’su Sam Altman tarafından yönetildi ve kendisi 375 milyon dolar kişisel yatırım yaptı; bu, Helion’un füzyon teknolojisiyle enerji üretimini devrim niteliğinde değiştirme potansiyeline güçlü bir inancı gösteriyor. Toplam fonlama şu anda 577 milyon dolar ve bu, Helion’un yedinci prototipi Polaris’i tamamlamak ve 2024’e kadar füzyon enerjisini ticarileştirmeye yaklaşmak için kullanılacak.

Tokamak ve Helion gibi şirketlerin ileri teknolojik çalışmaları, füzyon enerjisi alanının büyük adımlar atmasına yardımcı oluyor. Bahsedilen özel araştırma, kamu-özel ortaklığının bir sonucu olarak ortaya çıktı. Bu, araştırma kurumları ile ticari şirketler arasında bilgi ve yeteneklerin sürekli ve sistematik bir transferi olduğunu gösteriyor.

Füzyon Kaplarının Geleceği: Kaynakların Optimizasyonu İçin Yenilikçi Düşünce

Füzyonda başarılı olmak, bilimine daha derinlemesine dalmayı gerektirir. Bilim insanları her zamankinden daha meraklı.

Mayonez, Araştırmacıların Karmaşık Füzyon Enerjisi Sorunlarını Çözmelerine Yardımcı Oluyor

Lehigh Üniversitesi araştırmacılarından oluşan bir ekip, Rayleigh-Taylor kararsızlığı fazlarını araştırırken mayonezi temel bir bileşen olarak kullanıyor. Bu araştırma, temiz enerji için gelecekteki ataletle hapsedilen füzyon süreçlerinin tasarımını bilgilendirebilir.

Lehigh Üniversitesi Mekanik Mühendisliği ve Mekanik Bölümü Paul B. Reinhold Profesörü ve P.C. Rossin Mühendislik ve Uygulamalı Bilimler Koleji MEM bölüm başkanı Arindam Banerjee’ye göre:

“Ekip, ataletle hapsedilen füzyonda kullanılan füzyon kapsüllerinin yapısal bütünlüğü sorununu hâlâ çalışıyor ve Hellmann’s Real Mayonez, çözümler arayışımızda bize hâlâ yardımcı oluyor.”

Mayonez, bir katı gibi davranıp basınç gradyanı uygulandığında akmaya başlaması sayesinde ekibe yardımcı olur. Rayleigh-Taylor problemi, farklı yoğunlukta maddeler arasında, yoğunluk ve basınç gradyanları zıt yönlerde olduğunda ortaya çıkan bir dengesiz tabakalaşma olgusudur. Mayonezin kullanılması, yüksek sıcaklık ve basınç koşullarına ihtiyaç duymadan olası çözümleri denemeyi sağlar; bu koşullar kontrol edilmesi son derece zor.

Aşırı Sıcaklıklar Olmadan Soğuk Füzyon

Soğuk füzyondaki bir başka son gelişme, temiz enerji elde etme umutlarını yeniden alevlendirdi; bu, nükleer füzyonla geleneksel olarak ilişkilendirilen yüksek sıcaklık ve plazma ihtiyacını ortadan kaldırıyor.

Uzun süre kenar bilim olarak kabul edilen bu gelişme, malzeme bilimi, nadir metaller ve belirli kimyasal süreçleri kullanarak daha düşük sıcaklıklarda nükleer füzyon elde etmeyi içeriyor.

Bilim topluluğu, erken deneysel sonuçları tekrarlayamaması nedeniyle soğuk füzyonu reddetmişti, ancak Nature’da yayımlanan yeni bir hakemli çalışma, deuterasyonlu titanyum tozu ile akustik kaviteleme altında deneylerde nötron emisyonlarını gözlemleyerek olası bir yol önerdi. Bu keşif, soğuk füzyonu uygulanabilir bir alternatif enerji kaynağı olarak daha fazla araştırma yapılması için bir yol açabilir ve temiz, neredeyse sınırsız güç potansiyeli sunabilir.

Çalışmanın bulguları, nükleer füzyonun yıldızlarda bulunan milyonlarca derece sıcaklık ve güçlü manyetik alanlar gibi aşırı koşulları gerektirdiği uzun süredir kabul edilen inancı sorguluyor. Bunun yerine, bu yeni yaklaşım, farklı mekanizmalarla füzyona ulaşma potansiyelini araştırıyor; bu da enerji üretiminde daha erişilebilir ve daha az kaynak gerektiren bir yöntem sağlayarak enerji manzarasını devrim niteliğinde değiştirebilir.

Başarılı olursa, soğuk füzyon, geleneksel füzyon yöntemlerinin gerektirdiği büyük altyapı ve enerji girdisini atlayarak, sürdürülebilir ve temiz enerji çözümleri arayışında bir oyun değiştirici olabilir.

AI: Nükleer Füzyon Reaksiyonlarını Stabilize Etmede Oyun Değiştirici

Artan karmaşıklık ve yeteneklerle, AI, plazma kararsızlıklarını tahmin ederek ve önleyerek nükleer füzyon alanını devrim niteliğinde değiştiriyor; bu kararsızlıklar tarihsel olarak füzyon reaksiyonlarının sürdürülebilirliğini engellemiştir.

Princeton Üniversitesi ve ABD Enerji Bakanlığı’na bağlı Princeton Plazma Fizik Laboratuvarı araştırmacıları, plazma bozulmalarını, örneğin yırtılma modu kararsızlıklarını, ortaya çıkmadan 300 milisaniye önceden öngörebilen bir AI modeli geliştirdi. Bu, AI’nın reaktör parametrelerinde gerçek zamanlı ayarlamalar yaparak plazmanın stabilitesini korumasını ve reaksiyonun erken sona ermesini önlemesini sağlar.

AI’nın öngörü gücü, geçmiş deneylerden elde edilen verilerle eğitilmesinden geliyor; bu sayede geleneksel fizik temelli modellerin yapamadığı şekilde potansiyel kararsızlıklara dinamik olarak yanıt verebiliyor.

Plazma doğası gereği kararsız ve karmaşık olduğundan, stabilitesini korumak, nükleer füzyonu sürdürmede büyük bir zorluktu. Geleneksel yöntemler, plazmayı bozmaya başladığında müdahale etmeye odaklanıyordu; bu genellikle reaksiyonu kurtarmak için çok geçti.

AI’nın kararsızlıkları öngörme ve önceden karşı koyma yeteneğinden yararlanarak, füzyon süreci daha stabil ve uygulanabilir hâle geliyor; bu da pratik ve sürdürülebilir füzyon enerjisinin gerçekleşmesine daha da yaklaştırıyor. Bu ilerleme, füzyonu sınırsız bir enerji kaynağı olarak artırma potansiyelini güçlendirirken, aynı zamanda AI’nın füzyon araştırmasındaki en zorlu engelleri aşmadaki kritik rolünü de vurguluyor.

Gelecek Ne Getirecek?

Gelecek, şirketlerin enerji ve maliyet açısından alanı ve kaynak kullanımını optimize eden füzyon enerji çözümleri geliştirdiği bir dönem olacak. Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı’nda Ulusal Yakma (National Ignition) tesisinin bulunduğu program lideri Omar Hurricane’a göre:

“Füzyon, on yıl önceki bir gelecek enerji kaynağına kıyasla şimdi çok daha makul görünüyor.”

2023 yılında, bilim insanları bir atılım gerçekleştirdi daha fazla enerji üretebilen bir nükleer reaksiyon yarattıklarında. Rapora göre, deney 192 lazer seti kullanarak 2,05 megajoule enerji bir bezelye büyüklüğündeki altın silindire, içinde dondurulmuş döteryum ve trityum hidrojen izotopları pelletini barındıran bir hedefe yönlendirdi.

Enerji o kadar yoğundu ki kapsülü çökertti. Elde edilen sıcaklık, yalnızca yıldızlar ve termonükleer silahlar tarafından eşleşebilir. Daha spesifik olarak, laboratuvarın belirttiği gibi, 3,15 megajoule enerji serbest bırakıldı—giriş enerjisinden yaklaşık %54 daha fazla ve önceki 1,3 megajoule rekorunun iki katından fazla.

Birçok araştırmacı, deney sonuçlarının gelecekte büyük bir potansiyele sahip olduğuna inandı. Lawrence Livermore laboratuvarı eski füzyon laboratuvarı direktörü Michael Campbell’a göre, bu atılım, lazer füzyon gücünün vaatlerine güveni artırabilir ve nihayetinde enerji uygulamalarına odaklanan yeni bir programın kapılarını açabilir. Lawrence Livermore laboratuvarı direktörü Kim Bundil, bunun “atletik hapsedilen füzyon güç şemasının temel yapı taşı” olduğunu düşündü.

Deneme ve başarısı, sürecin daha sağlam hâle gelmesi için birçok gelecekteki gelişimin gerektiğini de gösterdi. Örneğin, denemenin uygulanabilir bir süreç olabilmesi için, lazer darbelerinin ürettiği enerjiye kıyasla serbest bırakılan enerji en az iki kat daha fazla olmalıdır.

Gelecek ayrıca, lazerlerin darbeleri üretme hızında ve hedef odasını bir sonraki yanma için temizleme süresinde dramatik bir artış görmelidir.

Bu çabalar önümüzdeki günlerde devam ederken, bugün tartışmamızı, bu alandaki bir başka hayati proje olan 22 milyar ABD dolarlık ITER projesiyle sonlandıracağız; bu proje Çin, Avrupa Birliği, Hindistan, Japonya, Kore, Rusya ve Amerika Birleşik Devletleri arasında bir iş birliğidir. Proje, füzyonun kendini sürdüren bir hâle gelmesini hedefliyor; yani füzyondan gelen enerji daha fazla füzyon üretmek için kullanılacak.

Mevcut deneyler nihai aşamasına geldiği sürece, füzyon enerjisi daha maliyet etkin, optimize edilmiş ve daha geniş kitleler tarafından benimsenmeye hazır hâle gelecektir.