Araştırma Alanları
Nükleer Füzyon Buluşu Geleceğimiz için Ne Anlama Geliyor?
Doç. Dr. Selahattin ÇELİK
Ankara Yıldırım Beyazıt Üniversitesi
Mühendislik ve Doğa Bilimleri Fakültesi, Makine Mühendisliği Bölümü
Amerika Birleşik Devletleri Enerji Bakanı Jennifer M. Granholm 13 Aralık 2022’de "tarih kitaplarına geçecek bir füzyon atılımı" olarak nitelendirdiği yeni bir deneyin sonuçlarını paylaştı. Bu açıklama sonucu gözler enerji sektörüne etkisinin ne olacağına dair sorularında oluşmasına neden oldu. Bu yazımda füzyon ile ilgili bilgileri olabildiğince sade açıklamaya çalışacağım. Öncelikle füzyonun tersi olan ve olgunlaşmış bir teknoloji seviyesini yakalamış fisyonun gelişim aşamalarına bir göz atalım:
- Atom radyasyonu, atomik değişim ve nükleer fisyon bilimi, 1895'ten 1945'e kadar geliştirildi.
- 1939-45'te çoğu gelişme atom bombasına odaklandı.
- 1945'ten itibaren, bu enerjiyi deniz kuvvetlerinin sevki ve elektrik üretimi için kontrollü bir şekilde kullanmaya özen gösterildi.
- 1956'dan sonra asıl odak noktası, güvenilir nükleer santrallerin teknolojik evrimi olmuştur.
- İlk ticari nükleer santraller 1950'lerde faaliyete geçti.
- Nükleer enerji şu anda yaklaşık 440 güç reaktöründen dünya elektriğinin yaklaşık %10'unu sağlıyor.
Maddenin en küçük yapı taşı olarak öğrendiğimiz atomların parçalanması ile yani fisyon reaksiyonu “nükleer bomba” adını verdiğimiz tahribatı çok yüksek olan savaş aletlerinin ne kadar yıkıcı olduğu 1. Dünya Savaşında acı bir şekilde tecrübe ile öğrenilmiştir. 1960’lardan sonra fisyon ile ortaya çıkan muazzam ısı enerjisi kontrollü bir şekilde suyun buharlaştırılması ve Termodinamik bir çevrim ile buhar türbinlerinden elektrik üretilmesi amacı ile barışçıl amaçla kullanılmaya başlanmıştır. Teknolojinin radyoaktif elementler noktasında gelişme aşamasında birçok ölümcül deneylerde yapılmıştır. Hatta bu elementlerden radyum ve polonyumu keşfeden ve tehlikesinin farkında olmadan çalışan Marie Curie 1934 yılında kanser olarak yaşamını yitirmiştir. Günümüzde özel taşıma sistemlerinde muhafaza edilen bu elementleri Marie Curie’nin cebinde taşıdığı birçok kaynakta geçmektedir. 1910’lu yıllarda radyasyon maruziyetinin tesirlerinin tehlikeleri tam anlaşılmadan, karanlıkta parlamasından ve değişik tedavi teorilerinden yola çıkılarak pek çok enteresan ürün ortaya çıkmış. Radyum içeren çikolata, ekmek gibi gıda ürünleri 1936 yılına kadar üretilip satılıyordu. Bu ürünlerin şöhreti denizleri aşmıştı. Yapımlarında radyumlu sular kullanılıyordu. Yine radyum içeren oyuncaklar, gece lambaları, radyum ve toryum içeren diş macunları, pudra ve kremler üretilmiştir. Hatta 20. Yüzyılın başlarında doktorlar bozuk para büyüklüğünde radyum tabletler geliştirerek romatizmada, zayıflık ve halsizlik durumlarında kullanıyorlardı. Gördüğünüz gibi bilimin alanlarının gelişme aşamasının başındaki acemilikler insanların canlarına mal olacak sonuçlar doğurmuştur. Günümüzde bilim daha ayakları yere basan ve insan yaşamını ön planda tutacak şekilde ilerlediğini söyleyebiliriz. Nitekim füzyon çalışmaları 1960’lı yıllarda başlatılmış ve halan devam etmekte olan bir araştırma alanıdır.
Fisyon bilindiği üzere atomun parçalanması hadisesidir. Radyoaktif olarak adlandırılan Uranyum, Toryum, Plütonyum gibi elemenletlerin belirli izotoplarına nötron atakları başlattığınız zaman bir dizi zincirleme parçalanma reaksiyonları gerçekleşir. Aynı domino taşlarında olduğu gibi reaksiyonu bir tek taş ile başlatarak tamamının yok olacağı bir zincirleme reaksiyonun oluşmasından bahsedebiliriz. Bu reaksiyonun kontrolsüz olanı atom bombası, kontrollü olanı ise nükleer reaktör olarak çalışır. Günümüzde her ne kadar barışçıl olarak kullanılsa da olası nükleer kazalardan dolayı birçok felaket ortaya çıkmıştır. Bunlardan en bilinenleri Çernobil (1986) ve yakın zamanlarda tsunami ile zarar gören Fukushima (2011) nükleer santralleridir. Fakat yeni nesil santrallerin daha korunaklı olduğu da bir gerçektir.
Füzyon reaksiyonu ise atomun parçalanmasının yerine birleşmesi olduğu ders kitaplarında yıllarca kısa bir paragraf ile anlatılarak geçilmiş olan konulardandır. Peki nedir füzyon gerçekte? Aslında her gün füzyon reaksiyonu ile güne uyanıyoruz; güneş enerjisi füzyon reaksiyonu dediğimiz hadisenin ta kendisidir. Güneş içindeki hidrojen atomları milyon derece sıcaklıklarda ve çok yüksek basınç altında plazma haline gelerek kaynaşmakta ve daha ağır olan helyumu oluşturmaktadır. Bu sırada Albert Einstein'in ünlü E=mc2 denkleminde açıklandığı gibi "kayıp Şekil 1. Güneş ve içinde gerçekleşen milyonlarca füzyon reaksiyonu kütle", kütle enerjisi olarak dışarı enerji olarak çıkar ve bu enerji dünyamıza hayat verir. Işık hızının karesiyle çarpılan minik kayıp kütle, bir füzyon reaksiyonu ile oluşturulan ve enerji miktarı anlamına gelen çok büyük bir sayıyla sonuçlanır. Dünyada yapay bir füzyon reaksiyonu gerçekleştirmek için ülkeler arasında oldukça muazzam bir rekabet süregelmektedir. Fakat ABD tarafından son açıklanan neticeye ulaşabilen henüz olmamıştır. Dünya şartlarında bu derecedeki sıcaklıklara ulaşarak ısınının ve reaksiyonun kontrol edilmesi, bu sıcaklıklara dayanıklı malzemelerin olmaması gibi birçok teknolojik eksiklikler sayılabilir. Kaldı ki bu sıcaklığa yükselmek için verilen enerji, reaksiyon sonucu çıkan enerjiden daha fazla olmakta, reaksiyon süreçleri saniyelerle ölçülmektedir. Dünyada yarım asırdır füzyon için gerekli şartları sağlayabilecek özel makineler üzerine çalışmalar yapılmış ancak henüz bu yöntem ile tam kontrollü füzyon enerjisi üretilebilmiş değildir. Adını Rusçadan alan, Tokamak (toroidal odadaki manyetik sarmallar) adı verilen, füzyon için kullanılan plazmanın halkasal bir manyetik alan bölgesi içinde hapsedildiği plazma tutucu sistemler kullanılmaktadır. Plazma milyonlarca derece santigrat sıcaklığa sahip olduğundan, sistemin duvarlarına çarpmaması için boşlukta tutulması gerekir, bunun için vakumlu bir bölge içinde manyetik alandan faydalanılır. 1950'lerde Sovyet fizikçiler Igor Yevgenyevich Tamm ve Andrei Sakharov tarafından bulunmuştur. Tokamaklar bu iş için üzerinde çalışılan günümüz sistemleridir. Iron Man filminde Tony Stark’ın göğsüne yerleştirdiği ark reaktörünün de bu Tokamak reaktörlerine benzediğini söyleyebiliriz.
Peki neden başarıdan henüz uzakta olan bu füzyon reaktörleri için çalışmalar yapılmaya devam ediyor. Bunun bilimsel araştırmanın yanı sıra temiz enerjiye ve nesiller boyunca yetecek miktarda bir enerji potansiyeline sahip olduğu için gelişmiş ülkelerin araştırma projelerinde listede yer almaktadır. Füzyon enerjisi başarıya ulaştığında kesintisiz bir enerji kaynağı olacaktır. Bununla birlikte insanoğlunun yaşamını olumsuz etkilemeyecek ve çevre kirliliğine yol açmayacak bir enerji kaynağıdır. Füzyon enerjisinde diğer nükleer güç santralleri gibi tehlikeli atık üretmez sadece Helyum gazı ve nötron çıktısı sağlar. Bunlar da uzun süren atıklar Şekil 2. Iron Man filminde Tony Stark'ın Arc Reaktörü değillerdir. Bu atıklar herhangi bir patlamaya sebep olmaz ve radyasyon tehlikesi yoktur. Yani Füzyon enerjisi kullanım ömrü çok uzun olabilecek temiz enerji kaynağı olarak dünya geleceğinin kurtuluş yolu olabilir. Peki ABD tarafından büyük bir heyecan uyandıran tarihi füzyon açıklamasında neler yapılmıştır? Kuzey Kaliforniya'daki Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı'nda (LLNL) yapılan deneyde 192 adet lazer kullanarak hidrojen elementine odaklatılmış ve ilk kez “füzyon ateşlemesi (fusion ignition)” olarak bilinen füzyon deneyi noktasına ulaştırmıştır. Basın toplantısında, Enerji Bakanı Jennifer M. Granholm bunu "tarih kitaplarına geçecek bir füzyon atılımı" olarak nitelendirdi.
Bu, evinizdeki elektriğin yarından itibaren on yıllar boyunca füzyon enerjisini kullanarak sağlanacağı anlamına gelmese de tarih gerçekten de bugünü bir buluş olarak kaydedecektir. 5 Aralık 2022'de LLNL ekibi birçok lazeri bazı hidrojen atomlarına hedeflemiş ve ateşlemiştir. Bir salise için atomlar bir füzyon reaksiyonu oluşturan bir plazma haline gelmiştir. Lazerler 2,05 megajoule enerji tüketmiş ve bu enerji, atomları milyonlarca santigrat dereceye kadar ısıtan bir reaksiyona neden olmuştur. Güneş benzeri koşullar altında, atomlar birleşmiş ve helyuma dönüşmüştür. Buradaki en önemli sonuç ise bu füzyon sonucu 3,15 megajoule enerji elde edilmiş olmasıdır. Yani bu füzyon reaksiyonu, lazerlerin ışınlarıyla yaydıkları enerjinin yaklaşık 1,5 katı kadar füzyon enerjisi üretmiştir.
Daha önceki füzyon deneylerini, kıvılcım çıkaran ama yanmayan çakmaklar gibi olduğunu düşünebilirsiniz. Bu, çakmağın gerçekten bir alev ürettiği ilk seferdir. Ancak bu alev hala çok kısa ömürlüdür ve bir kağıdı yakmak için yetersizdir.
Bilim adamları, İngiliz fizikçi Arthur Eddington'ın 1926 tarihli "Yıldızların İç Yapısı" adlı makalesinin yayınlanmasından bu yana, neredeyse 100 yıldır böyle bir gösteri için çalışıyorlar. Aslında araştırmacılar onlarca yıldır atomları kaynaştırıyorlar. İsterseniz garajınızda bir füzyon reaktörü bile yapabilirsiniz. Buradaki zorluk, bu atomları, büyük bir enerji kaybı yerine bir enerji kaynağı olarak adlandırmak için yeterince verimli bir şekilde kaynaştırmaktı ve bir bakıma, ilerlemeye devam eden zorluk olmaya devam ediyor
Füzyon bir noktada, potansiyel olarak bu yüzyılın sonlarında tüm temiz enerji kaynaklarının kralı olabilir. Ancak füzyonun gelişim zaman çizelgesi ne yazık ki, çığır açsın ya da açmasın, iklim krizi için kısa vadede bir çözüm aracı maalesef olamayacaktır. Ülkeler enerji politikalarını aynı şekilde devam ettirirken önümüzdeki 50 yıl boyunca yapılacaklar listesine füzyon reaktörlerini de eklemekten öte bir atılımları olacağını düşünmüyorum. İngiltere Atom Enerjisi Kurumu (UKAEA) sözcüsü, ilk ticari prototip füzyon santralin 2040'ların başında faaliyete geçmesinin planlandığını açıklamıştır. Birleşik Krallık hükümeti, Birleşik Krallık Atom Enerjisi Kurumu'nun 2024 yılına kadar bir konsept tasarım üretmesini sağlayacak olan prototipin ilk aşaması için 220 milyon pound fon sağlayacaktır. İngiltere’nin verdiği bu tarih 1950 yılında başlamış olan füzyon çalışmaları eğilimine bakıldığında gerçekçi olmasa da füzyonun gelecekte yer bulabilmesi açısından önemli bir hedef niteliği taşımaktadır. Ayrıca füzyon alanındaki yapılan her gelişme bilimsel camiada ülkelerin Ay’a inen ilk insan misali rekabet unsuru haline gelmiştir. İngiltere’nin bu hedefini açıklamasından sonra (22 Ekim 2022) ABD’nin bu deney sonucunu en üst makamdan açıklaması tesadüf olamaz. Önümüzdeki aylarda/yıllarda füzyon çalışan ülkelerden de gövde gösteri niteliğindeki gelişim paylaşımlarını bekliyorum.
Lawrence Livermore'un son füzyon reaksiyonu, deneyin kendi sınırları içinde net bir enerji kazanımı sağlamıştır, ancak asıl yapmadığı şey, deneyi yapan tesise, deneyi tekrar yapmaya yetecek kadar arta kalanla güç sağlamak için yeterli enerjiyi üretmektir. Böylece elektrik şebekesine elektrik sağlayan kendi kendini idame ettiren bir santral haline gelmesi biraz daha zaman alacağa benziyor. Bunu onaylar nitelikte bir açıklama ise Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı yöneticisi Kim Budil’den geldi, "Lazer, üç megajul füzyon verimi sağlayan iki megajul lazer enerjisini sürmek için duvardan yaklaşık 300 megajul enerji gerektiriyor" dedi ve ekledi, "Hesaplamalarımız, ölçekli bir lazer sistemiyle yüzlerce megajoule verim elde etmenin mümkün olduğunu gösteriyor. Dolayısıyla, yeterli verim sağlayan bir hedefe giden bir yol var, ancak şu anda bundan çok uzağız. "
Görüldüğü üzere kısa ve orta vadede füzyon çalışmaları dünya enerji politikasına somut bir etki etmeyeceği fakat bilimin her dalında olduğu gibi bu alanda da ülkemizin varlık göstererek akademik gelişim sürecinde bilimsel kopukluk yaşamaması en önemli hedeflerden olmalıdır. Yine unutulmamalıdır ki dünya kademeli bir şekilde sıfır karbon emisyonu anlaşmaları ile 2050 yılı için bir dizi eylem planlarını devreye almış durumdadır. Bunlardan en önemlisi Hidrojen yakıtının temiz ve çevreci olarak üretilmesidir. Hidrojen güneşe enerjisini veren, Big Bang olarak adlandırılan büyük patlamadan sonra ortaya çıkan helyumdan sonraki ikinci elementtir. Big Bang ile ilgili teoriler yeni yeni ortaya çıkmasına rağmen Kuran’da Fussilet süresi 11. Ayette;
İnsansız Otonom Hava ve Kara Sistemleri
Doktor Öğretim Üyesi Tolga ÖZASLAN
Ankara Yıldırım Beyazıt Üniversitesi
Mühendislik ve Doğa Bilimleri Fakültesi, Makine Mühendisliği Bölümü
ROAM (RObust Autonomous Mobility) laboratuvarında insansız mobil robotlar üzerinde algılama, gürbüz kontrol ve otonom seyrüsefer konularında temel ve uygulamalı araştırmalar yapılmaktadır. ROAM labının amacı, bilmediği bir ortamı otonom bir surette keşfedebilen, öz konumunu kendi oluşturduğu ortam haritası üzerinde kestirebilen ve operatör müdahalesi olmaksızın otonom seyrüsefer kabiliyetine sahip mobil robotik sistemler geliştirmektir. Doktora çalışmalarında GPS kullanılamayan kapalı tüneller içinde otonom seyrüsefer yapabilen dron sistemleri geliştiren Dr. Özaslan, ROAM’da insansız hava ve kara araçlarının otonom seyrüseferi üzerine çalışmalarına devam etmektedir. Dr. Özaslan’ın doktora çalışmalarına dair deney videolarına buradan ulaşılabilir.
Mobil robotik sistemlerin otonomiyi temin edebilmesi için hesaplamaları hiçbir yer istasyonuna bağımlı olmadan, sadece platforma monteli küçük bilgisayarlar üzerinde gerçek zamanlı hızda yapması gerekmektedir. Bu sistemler GPS veya hareket takip sistemi gibi harici alt yapılara ihtiyaç duymaksızın, sadece platforma monteli kamera, lidar ve atalet ölçer (IMU) gibi sensörleri kullanarak ortamı algılar. Burada amaç, sadece platforma monteli lidar, kamera, IMU verilerini kısıtlı işlem kapasitesi varlığında gerçek zamanlı işleyerek, dronu bilmediği bir ortamda insan müdahalesine gerek kalmayacak derecede gürbüz bir otonomi ile uçurmaktır.
ROAM labın araştırma alanlarından bir diğeri de insansız otonom hava ve kara araçlarının işbirliği içerisinde çalıştığı heterojen sistemler geliştirmektir. Arama-kurtarma, askeri keşif, lojistik gibi uygulama alanlarında güvenli, isabetli ve etkin işbirliği, merkezi veya dağıtılmış koordinasyon algoritmalarının tasarlanması ile mümkün olmaktadır. Özellikle dikey iniş-kalkış hava araçlarının sınırlı taşıma kapasitesi faydalı yük nakliye senaryolarında bir dron takımının eşgüdümlü hareketini zaruri kılar. Bu tarz sistemlerin kontrol ve durum kestirimi aktif olarak devam eden projeler arasındadır.
Dr. Özaslan’ın doktora çalışmalarına dair deney videolarına buradan ulaşılabilir.
