Nükleer füzyon

Termal füzyon için erime maddesine bakınız.
Nükleer füzyon, nükleer kaynaşma ya da kısaca füzyon; iki hafif elementin nükleer reaksiyonlar sonucu birleşerek daha ağır bir element oluşturmasıdır. Çekirdek tepkimesi olarak da bilinen bu tepkimenin sonucunda çok büyük miktarda enerji açığa çıkar.
Bu işlemle oluşturulabilecek en ağır element demirdir. Reaksiyona giren çekirdekler -atom numarası 1 olan hidrojen veya izotopları deuterium ve tritium gibi- düşük atom numarasına ait elementlerde ortaya çok büyük miktarda enerji çıkar. Nükleer füzyonun bu devasa enerji potansiyelinden ilk olarak, II. Dünya Savaşı'nı takip eden yıllarda, hidrojen bombası olarak da bilinen termonükleer silahların üretiminde istifade edilmiştir.
Füzyon tepkimeleri Güneş'te her an doğal olarak gerçekleşmektedir. Güneş'ten gelen ışık, hidrojen çekirdeklerinin birleşerek helyuma dönüşmesi ve bu dönüşüm sırasında kütle kaybı karşılığı enerjinin ortaya çıkması sayesinde meydana gelmektedir. Kütle kaybının karşılığı enerjinin büyüklüğü Einstein'in ünlü E = mc2 formülüyle hesaplanır.
Füzyondan enerji kaynağı olarak yararlanılması
Füzyon sonucunda açığa çıkan bağlanma enerjisini kullanmaktır. Ama bunu denetim altında oluşturmak oldukça zor bir iştir. Çünkü çekirdekler pozitif elektrik yükü taşır ve birbirlerine yaklaştırmak istenildiğinde çok şiddetli bir şekilde birbirlerini iterler. Bunların kaynaşmasını sağlamak için aralarındaki itme kuvvetini yenebilecek büyüklükte bir kuvvetin kullanılması gerekmektedir. Gereken bu kinetik enerji, 20-30 milyon derecelik bir sıcaklığa eşdeğerdir. Bu olağanüstü bir sıcaklıktır ve kaynaşma tepkimesine girecek maddeyi taşıyacak hiçbir katı malzeme bu sıcaklığa dayanamaz.
Fisyondan farklı olarak; çekirdeklerin birleşmesi olayına füzyon denir. Fisyona oranla füzyon başına daha az, küçük ve hafif olduklarından; hafif bir çekirdeğin füzyonu, aynı kütlede ağır çekirdeğin parçalanmasından çok daha fazla enerji açığa çıkar. Dengelenmediği takdirde açığa çıkan enerji patlama noktasına kadar hızla yükselir ve ardından nükleer bir patlama meydana gelir.
Faydalı füzyon reaksiyonları
- D-T (döteryum-trityum) füzyon reaksiyonu
- D-D (döteryum-döteryum) füzyon reaksiyonu
Füzyon için sağlanması gereken şartlar
Sıcaklık
Füzyon, sırasında gereken (emilen) ısıdır.
Lawson kriteri
Plazmanın dağılmadan hapsedilmesi için gerekli zamanın ve plazma yoğunluğunun ilişkisini tanımlar.
Füzyon reaksiyonları
Bir füzyon reaksiyonundan öngörülen enerjinin elde edilmesi için
Reaksiyon düşük sıcaklıkta oluşmalı
Yüksek enerji açığa çıkmalı
Büyük bir tesir kesitine sahip olmalıdır
Tepkimeye girecek olan maddeler kolayca bulunabilmelidir
Plazmanın yeniden ısıtılması için yüklü parçacıklar elde edilmeli
Farklı etkileşmeleri önlemek için enerjisi yüksek olan nötronlar açığa çıkmamalıdır
D-T reaksiyonu
Döteryum bir proton ve bir nötrondan oluşan hidrojen çekirdeğinin bir izotopudur. Bilindiği gibi izotop proton sayısı aynı nötron sayısı farklı olan atom çekirdekleri için kullanılan bir tanımdır. Simgesel olarak 12H şeklinde gösterilir.
Trityum bir proton ve iki nötrondan oluşan Hidrojen çekirdeğinin bir diğer izotopudur. Simgesel olarak 13H şeklinde gösterilir.
Döteryum- Trityum füzyon tepkimesi aşağıdaki şekilde meydana gelir.
Bu tepkimenin özellikleri
Büyük tesir kesitine sahiptir
Gerekli olan sıcaklık 4.4 keVdir. 1 eV yaklaşık olarak 11600 K dir. Yaklaşık olarak bu sıcaklık değeri 51040000 K lik bir sıcaklık demektir.
Ortaya çıkan enerji 17.6 MeV gibi yüksek bir enerjidir.
3,5 MeV'lik enerjiye sahip olan helyum çekirdeği başka bir deyişle alfa parçacığı plazmanın yeniden ısıtılması için kullanılır.
D-T reaksiyonunun gerçekleştirilmesinde aşağıdaki problemlerle karşılaşılır.
Trityum kolayca bulunan bir yakıt değildir. Oldukça ender bulunan Lityum çekirdeği izotoplarından aşağıdaki reaksiyonlar sonucu elde edilir.
Bu tepkimeler füzyon reaktörünü çevreleyen bir lityum tabakası ile nötronların etkileşmesi sonucu elde edilir ve ürünler direkt olarak tepkimeye sokulabilir.
D-T reaksiyonu sonucu açığa çıkan enerjisi yüksek olan nötronların reaktör ile etkileşmeye girerek reaktöre zarar vermesi maliyetin artmasına neden olur. bunların oluşmasında reaksiyonlarında çok büyük etkisi vardır. Ayrıca trityumun parçalanarak atomlarına ayrılmasına da füzyon denir.
D-D reaksiyonu
İki döteryum çekirdeğinin direkt olarak reaksiyona girmesiyle meydana gelen füzyon reaksiyonudur. Ve aşağıda gösterildiği şekilde meydana gelir.
D-T reaksiyonundan daha düşük bir tesir kesiti yani reaksiyon oranına sahiptir. Ve dolaylı olarak bu olumsuz bir durumdur.
48 keV gibi yüksek bir sıcaklıkta meydana gelir.
Füzyon reaksiyonu başına açığa çıkan enerji yaklaşık olarak 4 MeV kadardır.
Yakıt deniz suyundan kolayca elde edilebilir.
D-D ve D-T füzyon reaksiyonlarının kıyaslanması
D-T reaksiyonunun tesir kesiti D-D reaksiyonuna kıyasla daha büyüktür.
D-T reaksiyonu daha düşük sıcaklıkta meydana gelir.
Ticari olarak düşünülen füzyon tepkimesi maliyeti düşük olduğundan D-D reaksiyonudur.
Lawoise kriteri
Plazmanın dağılmadan hapsedilmesi için gerekli zamanın ve plazma yoğunluğunun ilişkisini tanımlar
Plazmanın dağılmaması için "Dışarı Çıkan Güç=İçeri Giren Güç" olmalıdır.
D-T plazması için:
nd döteryum iyonları yoğunluğu ve nt trityum iyonları yoğunluğu toplamının ne elektron yoğunluğu toplamına eşit olması gerekir.
nD+nT=ne ve nT=nD olmalıdır. Bu son eşitlik plazmanın toplam elektriksel yük açısından nötr olması gerekliliğinden sağlanması gerekir,
Plazma içinde üretilen güce karşı reaksiyonu başlatmak için plazmayı ısıtmakta kullanılan güç dengeli olmalı.
- Plazma içindeki reaksiyon oranı G =nD+nT<s V> ile tanımlanır.
- Eğer her füzyonda E kadarlık enerji üretilirse plazma içinde üretilen füzyon gücü;
Pfüzyon=(n/2)(n/2)s VE=(n2/4)s E j/s/cm3 olmalıdır bu plazma içinden dışarı çıkan güçtür.
- Eğer plazma bir T sıcaklığına sahipse toplam enerjisi
Etermal=(ne+nD+nL)(3/2)kT=3nkT dir.
Plazma enerjisinde bir t hapsetme süresi boyunca düzenli oranda kaybedilen enerji
Pkayıp=(3nkT)/t j/s/cm3'tür.
Bu durumda içeri giren güç ve dışarı çıkan güç için sahip olunan ifadeler
Pfüzyon>Pkayıp ise nt >(12 kT)/ (sVE)
Bu eşitsizlik Lawson Kriteri olarak anılır. Bu ifade plazmanın dağılması için gereken hapsedilme süresini ve hapsedilmesi gereken parçacık sayı yoğunluğunu verir.
D-T reaksiyonu için nt > 3.1020 sn/cm3dür.
D-D reaksiyonu için bu değer nt
> 1022 sn/cm3 mertebesindedir.