Küçük, modüler, verimli füzyon santralleri çok mu yakın?

Günümüz ekonomileri, enerjide yeni arayış ve dönüşümlerin peşinde. Gazetemiz sayfalarında, ülkemizde yaşanan bu büyük değişime ışık tutuyor, enerji endüstri beklentileri ile yeni ekonomi görünümü ve gelişmelerini okurlarımızla dinamik bir üslupla paylaşıyoruz. Her ay, küresel gelişmelere de yer veren analizlerle enerji sektörünün nabzını Türkiye Enerji Endüstrisi’nde tutacağız. İlk ayın ana teması: ‘Enerji Teknolojileri’

Birçok füzyon bilimcisinin duymaktan bıktığı eski bir ‘şaka’ vardır: Pratik nükleer füzyon santralleri sadece 30 yıl uzakta ve bu hayal hiç de uzak değil!..              

Ama şimdi, bu şaka artık gerçek olmak üzere... Mıknatıs teknolojisindeki ilerlemeler, Prof. Whyte önderliğindeki MIT’li bilim insanlarını pratik bir kompakt ‘tokamak’ füzyon reaktörü için yeni bir tasarım gerçekleştirme yolculuğuna çıkarttı. Prof. Whyte’a göre, üstelik bütün bu gelişmeler, 3-4 yıl kadar kısa bir sürede gerçekleşebilecek. Neredeyse tükenmez bir enerji kaynağı sunabilecek olan bu pratik füzyon, yeni bir enerji çağının başlangıcı olabilir mi?

Plazma enerjisi küresel enerji denklemini yeniden yazabilir; çünkü ekonomik ve karbonsuz

Enerji alanında çığır açan bilimsel çalışmalarıyla dikkat çeken Massachusetts Institute of Technology (MIT) Plazma Bilimi ve Füzyon Merkezi Direktörü Prof. Dr. Dennis G. Whyte ve eşi İstanbul’daydı; kendileriyle bir araya gelmekten onur duydum. Prof. Whyte ve eşini Türkiye’de ağırlayan Sabancı Üniversitesi’ne destekleri için teşekkür ediyorum. Amerikan Fizik Derneği Üyesi olan Whyte’dan füzyon teknolojisindeki son gelişmeleri ve geliştirdikleri teknolojinin püf noktalarını kapsamlı olarak dinleme sonra da bir söyleşi yapma olanağı da yakaladım.                  

WHYTE: “İnsanlık olarak dekarbonize çözümler üretmeliyiz. Karbon sıfır teknolojilere ve enerji arz güvenliğine odaklanmalıyız. Bu kararlar tüm endüstrilerin ciddi değişim ve dönüşümler yaşamasına neden oluyor. Bu yeni çözümlere hızla ihtiyaç var; plazma enerjisi de bunlardan biri. ABD’de enerjiye 2-3 trilyon dolar harcıyoruz; yaklaşık 23 trilyon dolarlık bir ekonomiden söz ediyoruz. Şimdiden enerji ekonomisi büyük önem kazanmış durumda. Modern ekonomilerde enerji kaçınılmaz ama bu haliyle endüstrilerimizi yeniden tasarlamamız gereği de ortada. 2-3 triyon dolarlık enerji harcamamızın yüzde 80’i fosil yakıtlara gidiyor. İnsanlığın bu gidişatı hızla değiştirmesi gerekiyor. Daha etkin enerji teknolojileri ve sistemleri kurgulamalıyız. Yeni yatırım modelleri geliştirmeliyiz.”              

Whyte, Manyetik Plazma Teknolojisi alanında çok iyi tanınan bir bilim insanı. ABD devleti ve hükümeti ile de iş dünyası ile de inovatif çalışmaları bulunuyor            

WHYTE: Füzyon enerjisi çok ilgi çekiyor; trend bir konu. Yıldızları ve güneşimizi var ediyor; milyarlarca yıldır varlıklarını sürdürüyorlar.        

Yıldızların gücünü güvenilir bir enerji kaynağı olarak peki nasıl kullanabiliriz?

WHYTE: Hidrojenin ağır formunu kullanıyoruz. Önemli bir gelişme alanı. Teknolojiden anlamayan kişiler baktıklarında çözemedikleri için temelden ipuçları verelim. Biz MIT’te nükleer fizik derslerinde atomun değil de çekirdeğin kararlılığını gösteriyoruz. Füzyon temelini en ağır ve kararsız olan çekirdekten alıyor; aslında ters tepkimeye bağlı. Peki, bu partikülleri bir araya getirdiğimizde veya ayırdığımızda ne oluyor? Bu ayrım önemli…             

Fisyon bir atomun ikiye bölünmesidir. Füzyon ise iki hafif atomun nükleer reaksiyonlar sonucu birleşerek daha ağır bir atom oluşturmasıdır. Bu nedenle fisyon ve füzyon birbirinden çok farklı olan karşıt süreçlerdir. Fisyon’nun kelime anlamı “parçaların ayrılması ya da yarılması”dır. Nükleer fisyon’ da atomlar yarılarak ısı enerjisi açığa çıkarırlar. Bir çekirdek bölünmesi gerçekleştirmek için mümkün olan bu keşif, Albert Einstein’ın kütlenin enerjiye dönüştürülebileceği öngörüsüne dayanır.

Füzyon’un kelime anlamı “bir bütün olan ayrı parçaların birleşmesi”dir. Nükleer füzyon “atomik çekirdeklerin birleşerek daha ağır çekirdekler oluşturması sonucu çok büyük miktarda enerjinin serbest bırakılması” olarak tanımlanır. Son derece büyük basınç ve sıcaklık altında düşük kütleli izotopların, tipik olarak hidrojen izotopları, birleşmesiyle füzyon olayı meydana gelir. Füzyon güneşte ortaya çıkan enerjinin kaynağıdır. Trityum ve döteryum atomları (hidrojenin izotopları: hidrojen-3 ve hidrojen-2) bir helyum izotopu ve bir nötron oluşturmak için çok yüksek basınç ve sıcaklık altında birleşirler. Bununla yanısıra, muazzam miktarda enerji açığa çıkar.            

Birbirine zıt iki durum olan füzyon ve fisyonda açığa çıkan nükleer enerjinin sebebi çekirdek tepkimeleridir; yani nükleer reaksiyon.      

WHYTE: Trityum aslında füzyondaki yakıt olarak bilinir ama katalizördür çünkü füzyon aktivitesini arttırır. Tesise geldiğinde helyuma dönüştürülüyor. Bu da zararsız… Lityumla kimyasal tepkime yaratmış oluyorsunuz.

Şimdi biraz da işin mühendisliğinden bahseder misiniz?

Bu aşamada bir vakum etkileşimi olmalıdır. Nötron ortamdaki mateyale girdiği zaman biz buna örtü diyoruz. Füzyon enerjisi entegre bir mühendislik çözümü gerektirir. Güneş kendi iç çekimi manyetik alanı sayesinde soğumuyor; soğuyamıyor kendi iç çekimine tutunuyor. Manyetik güç yıldızlarda meydana gelir. Manyetik alan ne kadar büyük olursa etrafındaki kuvvet de o kadar büyür.                        

Aslında çılgınca bir şey… 100 milyon dereceyi nasıl tutabiliyorsunuz?

WHYTE: Fiziken onu bir konteyner içine hapsedemezsiniz, doğru… Plazma soğur ve füzyonu yaratmaz hale gelir. İşte onun için biz de elektromıknatıslar kullanıyoruz. Böylece dairesel olarak elektrik akımı yaratılıyor ve kuvvetli bir manyetik alan oluşuyor. Buna ‘Tokamak’ ismi veriliyor. Daha maliyet etkin daha küçük tokamaklar da yapabileceğiz. Burada elektromıknatıslar yakıt olduğunun farkında değil. Plazma yakıtı da elektro mıknatıs olduğunun farkında değil. Uzaktan bir kuvvet gibi düşünebilirsiniz. Bir ‘şenlik ateşi’ gibi… Yeterince sıcak kalırsa o zaman dengede oluyor. İçsel olarak orada çok yüksek derecelere ulaşılıyor. Aslında ısı çok yüksek olduğu için partikül yoğunluğu çok düşük. 100 milyon dereceye çıkıldığında havadan yüzbin kat daha az yoğun ve içsel olarak çok güçlü. Neredeyse hiç yakıt yok. 0,2 gr. Yakıt. Adam çıldırmış demeyin biz bu derecelere çıktık.                   

Bilim kurgu gibi… Kim bilir nice öğrencisine yol açmış bir bilim insanıyla beraberiz.                   

WHYTE: Evet, bilim kurgu gibi ama kavramsal olarak aslında basit bir konsept. Ve en önemlisi kirletici emisyonları da yok. Bu da bizim öğrencilerimizle vizyonumuzu genişletti ve evet onların da ufkunu açtı.               

ABD’de büyük bir yarış var; ‘startUp’lar da bu yarışa dahil oldu. Hızlı, ucuz ve bilimsel gerçeklere dayanan bir yöntemle enerji elde ediyorsunuz ve çok ekonomik.                

Burada süperiletkenler kullanılıyor. Çünkü elektromanyetik bir alan oluşturuyorsunuz. Dairesel bir döngüde sert partiküller ilerliyor ve yörüngesi küçülüyor. Süper iletkenler sayesinde manyetik alan iki katına çıkıyor. Ebat küçüldükçe reaktörlerde maliyet de düşecektir. Yeni bir enerji ekosistemi geliyor. Bütün bu gelişmeler ölçekleri de etkiliyor. Yeni işbirliklerini zorunlu kılıyor. MIT’te bu konularda 400’ün üzerinde insan çalışıyor. Pek çok mühendislik ve taktik kararları alıyoruz. Yeni bir model seti kurmaya çabalıyoruz. Eski malzeme kuralları bile artık geçerli değil. 

Massachusetts Institute of Technology (MIT) Plazma Bilimi ve Füzyon Merkezi Direktörü Prof. Dr. Dennis G. Whyte ile İstanbul'da bir söyleşi gerçekleştirdik.

Teknolojik ve organizasyonel çabalar da kritik

MIT Direktörü Prof. Dennis Whyte, yüksek manyetik alan bobinleri üretmek için; ticari olarak temin edilebilen süper iletkenleri, nadir toprak baryum bakır oksit (REBCO) süper iletken bantları kullanarak “tüm tasarım boyunca dalgalanıyor” diyor. Plazma Bilimi ve Füzyon Merkezi’nde enerji denklemlerini değiştireceklerini iddia ediyor.       

WHYTE: Hepimiz yeni bir füzyon ekonomisinin doğması için çalışıyor işbirlikleri yapıyoruz. Tabii bütün bu bilimsel çabalar da yeterli değil, teknolojik ve organizasyonel çabalara da ihtiyaç bulunuyor. 1,8 milyar dolarlık bir fon da söz konusu. SPARK’ı inşa ediyoruz.                  

Füzyon enerjisinin hayata geçmesi yeterli değil. Bu enerjiyi şebekeye de bağlamalıyız. Hızla her şey değişiyor. Enerji, yakıt çıkarma ve malzeme bilimi… 20- 30 yılda olacak derken 2-3 yıla indirgendi. Mühendislik de artık entegre düşünülmeli.             

Elektrik sektörünü karbondan arındıralım derken, sadece rüzgar güneş yatırımları yapmakla olmaz. Gemiler ne olacak? Dünya taşımacılık istemi için de çözümlerimiz yüksek önemde. Dekarbonize topluma ulaşmanın etkin bir başka yolu da ‘derin jeotermal’ seçenektir.               

Geleneksel olarak büyük bir enerji santralinin büyük bir şebekeyi beslemesine alışkın bir yapıdan, yeni, karbonsuz ve ekonomik enerji elde etme yöntemi insanlığın önüne serilen meydan okumalara bir cevap olabilecek mi? Zaman gisterecek…                

Daha güçlü manyetik alan, süper sıcak plazmanın - yani bir füzyon reaksiyonunun çalışma malzemesinin - gerekli manyetik hapsinin üretilmesini mümkün kılıyor, ancak daha önce düşünülenden çok daha küçük bir cihazda… Boyutun küçültülmesi, tüm sistemi daha ucuz ve daha hızlı inşa edilmesini sağlıyor ve ayrıca enerji santrali tasarımında bazı ustaca yeni özelliklere de izin verebiliyor. Geniş çapta çalışılan bu tokamak (çörek şeklindeki) geometrisi bir reaktöre dönüşüyor.                    

Santral prototipi

Yeni reaktör, temel füzyon araştırmaları için ve ayrıca önemli miktarda güç üretebilecek potansiyel bir prototip enerji santrali olarak tasarlanmış durumda. Yaptığım araştırmalarda geniş bir ekibin bu alandaki bilimsel ve tutarlı enerjileri dikkatimi çekti. Whyte ve ekibinin, temel reaktör konsepti ve bununla ilişkili unsurları, MIT’de ve dünya çapında onlarca yıllık araştırmalar sonucunda geliştirilmiş olduğu görülüyor; iyi test edilmiş ve kanıtlanmış ilkelere dayandığını söylüyorlar.           

Prof. Whyte, "Çok daha yüksek manyetik alan, çok daha yüksek performans elde etmenizi sağlar" diyor.             

Güneşe güç veren nükleer reaksiyon olan füzyon, muazzam enerji salınımları eşliğinde helyum oluşturmak için hidrojen atomlarının çiftlerini bir araya getirmeyi içeriyor. Zor kısım, süper sıcak plazmayı - elektrik yüklü bir gaz biçime - hapsederken, onu yıldızların çekirdeklerinden daha yüksek sıcaklıklara maruz bırakmak... Manyetik alanların çok önemli olduğu yer işte burası; çünkü ısı ve parçacıklar cihazın sıcaklık merkezinde etkin bir şekilde yakalanabiliyor.            

Bir sistemin çoğu özelliği, boyutlardaki değişikliklerle orantılı olarak değişme eğilimindeyken, manyetik alandaki değişikliklerin füzyon reaksiyonları üzerindeki etkisi çok daha aşırır. Elde edilebilir füzyon gücü, manyetik alandaki artışın dördüncü gücüne göre artabiliyor. Böylece, alanın iki katına çıkarılması, füzyon gücünde 16 kat artış sağlayabiliyor. Manyetik alandaki herhangi bir artışın büyük bir kazanç sağladığı kesin.                    

Güçte on kat artış

Anlattıklarından, yeni süper-iletkenlerin alan kuvvetini tam olarak ikiye katlamasa da, füzyon gücünü standart süper-iletken teknolojisine kıyasla yaklaşık 10 kat artıracak kadar güçlü olduklarını görüyoruz. Bu çarpıcı gelişme, reaktör tasarımında bir dizi potansiyel iyileştirmeye yol açıyor.             

ARC adı verilen bu reaktörlerdeki bir diğer önemli gelişme, tüm cihazı sökmek zorunda kalmadan füzyon güç çekirdeğini halka şeklindeki reaktörden çıkarmak için de bir yönteme sahip. Bu, performansı ince ayar yapmak için farklı malzemeler veya tasarımlar kullanarak sistemi daha da geliştirmeyi amaçlayan araştırmalar için özellikle uygun olmasını sağlıyor.                 

 Bu tür reaktörlerde; füzyon odasını çevreleyen katı örtü malzemelerinin çoğunun, kolaylıkla sirküle edilebilen ve değiştirilebilen bir sıvı malzeme ile değiştirilmesi, diyor; bu, malzemeler zamanla bozulduğundan maliyetli değiştirme prosedürlerine olan ihtiyacın da ortadan kalktığı belirtiliyor. Whyte, “Katı malzemeler için son derece zorlu bir ortam” diyor ve bu nedenle bu malzemeleri bir sıvıyla değiştirmek büyük bir avantaj olduğunu vurguluyor.             

Whyte, şimdiye kadar hiçbir füzyon reaktörünün tükettiği kadar enerji üretmediğini, bu nedenle bu tür net enerji üretiminin füzyon teknolojisinde büyük bir atılım olacağını da söylüyor. Tasarımın yaklaşık 100.000 kişiye elektrik sağlayacak bir reaktör üretebileceğini anlatıyor.         

Prof. Whyte ve eşi ile İstanbul Boğazı’nda gerçekleştirdiğimiz bu değerli söyleşiden plazmaya ve enerji teknolojilerinde yeni geleceğe dair düşündürücü ama bir o kadar da neşeli bir ruh haliyle ayrılıyoruz. Son sorum: “Peki, hayatın anlamı nedir Profesör?” Her ikisinin de cevabı “Bu, sorularınızın en zoruydu” oluyor.

Maddenin 4. hali

Plazma teknolojisi çok basit bir fiziksel ilkeye dayanıyor. Enerji girişi altında madde hal değiştiriyor: katı sıvıya dönüşüyor, sıvı da gaza… Gaza daha fazla enerji girişi olduğunda ise iyonize oluyor ve maddenin dördüncü hali olan enerji yoğun plazmaya dönüşüyor. Plazma, ilk kez 1928 yılında İrving Langmuir tarafından keşfedildi. Hiç de ender bulunduğu söylenemez, aksine: evrende gözle görülebilir maddelerin yüzde 99’u plazma halinde. Dünyada doğal haliyle örneğin yıldırımlarda veya kutup ışıkları olarak bilinen kuzey veya güney kutuplarında görülebiliyor. Plazma güneş tutulması sırasında güneş etrafındaki aydınlık ışık halesinde (korona) de gözlenebiliyor.