Soğuk Füzyon ile Ucuz Enerji Üretmek Mümkün mü - Kozan Demircan
Kozan Demircan | 20/07/2019 | Bilim-Teknoloji | 1 Yorum
Amerikalı fizikçiler 1956 yılında oda sıcaklığında soğuk füzyon ile temiz nükleer enerji üretmeyi başardılar. Peki neden insan uygarlığının ihtiyacı olan enerjiyi soğuk füzyon ile üretmiyoruz? Gerçi sıcak füzyonla da temiz enerji üretebiliriz; ama bunun için 100 milyon derece sıcaklık gerekiyor ve sıcak füzyonla henüz net enerji üretemedik. Peki oda sıcaklığında soğuk füzyon nasıl yapılır?
Soğuk füzyon gerçektir
Ancak biz sıcak füzyonla başlayalım: Güneş enerjisi aslında nükleer enerjidir; çünkü Güneşimiz çekirdeğinde gerçekleşen nükleer füzyonla ısı ve ışık saçıyor. Oysa Güneş’in çekirdeği 15 milyon derece ve çekirdek basıncı da Dünya deniz seviyesinin 340 milyar katı (metreküpte 150 ton)! 😮
Buna rağmen Güneş çekirdeğindeki yüksek sıcaklık ile basınç, hidrojen atomlarının birbirine yaklaşıp güçlü nükleer kuvvetin çekim etkisine kapılmasına yeterli değil. Öyle ki bu atomların yapışıp helyum atomları sentezleyerek nükleer enerji üretmesi için bize bir şey daha gerekiyor: Kuantum tünelleme.
Gerçekten de Heiseberg’in belirsizlik ilkesine dayalı kuantum tünelleme olmasaydı, Güneş nükleer füzyon ile ısı ve ışık saçamazdı. Oysa deniz seviyesinde füzyon için bize 100 milyon derece sıcaklık gerek. Bu da çok zor olduğundan henüz deneysel reaktörlerde net enerji üretmeyi başaramadık.
Ancak, oda sıcaklığında soğuk füzyon yoluyla enerji üretmek mümkün ve Amerikalı fizikçiler daha 1947 yılında bunu gösterdiler. Peki neden 82 yıldır insan uygarlığının enerji ihtiyacını soğuk füzyon ile karşılamıyoruz? Yoksa komplo teorisi mi var? Soğuk füzyon ile enerji üretmeyi birlikte görelim.
Güneş’in çekirdeğinde sıcak nükleer füzyon gerçekleşiyor.
Önce sıcak füzyon nasıl yapılır?
Normalde 100 milyar derece sıcaklıkla Dünya’da hidrojen bombası patlatabilir veya 15-20 yıl bekleyip sıcak füzyon reaktörleri geliştirmeyi umabilirsiniz. Ancak, muon parçacıklarının yardımıyla oda sıcaklığında veya hızınızı alamazsanız mutlak sıfırda soğuk füzyon ile enerji üretebilirsiniz! 😮
Ancak, burada 1980’lerde duyurulan soğuk füzyon şarlatanlığından söz etmediğimi belirteyim. O tümüyle yalandı. Bırakın soğuk füzyonu, laboratuarda hiçbir füzyon reaksiyonu gerçekleşmedi. Bu anlattığım ise gerçek soğuk füzyondur ve bunu muonlarla yapıyoruz.
Nükleer füzyon için genellikle maddenin plazma hali gerekir; yani hidrojen atomlarının elektronlarını yüksek sıcaklıkta yörüngesinden koparır ve hidrojen çekirdeklerini çıplak bırakırsınız. Böylece atomların birbirine yaklaşıp kaynaşmasını önleyen negatif eş yüklü elektron basıncını aşarsınız.
Ardından, sıcaklığı daha da artırıp tek bir protondan oluşan hidrojen atomu çekirdeklerinin aşırı hızlı bir şekilde titreşerek birbirine çarpmasını sağlarsınız. Böylece birbirine yapışarak helyum çekirdeği sentezlemelerini ve bu süreçte de bol miktarda enerji üretmelerini umarsınız.
Hatta fazladan nötron içeren hidrojen çekirdekleri kullanırsınız; çünkü hidrojen en hafif elementtir ve birbirine çarpmak üzere hızlandırması da çok kolaydır. Ancak, protonlar çok küçük olduğu için bunları birbirine hizalamak da zordur. Dahası pozitif elektrik yüklü olduklarından birbirini iterler ve tıpkı elektron gibi füzyonu zorlaştırırlar. Neyse ki bu sorunu çözmenin yolları var:
Sıcak ve soğuk füzyon hileleri
Protonların çarpışıp kaynaşmaya olan direncini kırmak amacıyla, nükleer füzyon için fazladan nötron içeren döteryum izotoplarını kullanırız. Bunlar daha ağırdır ve hızlandırması zor olduğundan, döteryumu kaynaştırmak için daha yüksek sıcaklıkta ısıtmak gerekir.
Ancak, nötronların elektrik yükü sıfırdır ve dolayısıyla birbirini itmezler. İşte bu nedenle ağır döteryum çekirdeklerinin birbirine yaklaşıp kaynaşma şansı da daha yüksektir (Unutmayın ki protonlarla nötronlar kütleli parçacıklar olup ikisi arasındaki yerçekimi de kütle x momentuma eşittir).
Soğuk füzyona gelince; öncelikle iki tür soğuk füzyon var: Rastlantısal soğuk füzyon ve muon yoluyla soğuk füzyon. Rastlantısal füzyonla başlarsak uzay boşluğunun sıcaklığı olan -270 derecede bile iki hidrojen atomu birbiriyle kaynaşabilir. Nitekim hidrojen elementi uzayda genellikle iki hidrojen atomunun elektronlarını paylaşarak oluşturduğu moleküler hidrojen (H2) formunda bulunuyor.
Kaldı ki sadece 3 Kelvin derece olsa bile uzay boşluğu mutlak sıfırdan sıcaktır. Bu nedenle atomlar hem sıcak (!) yüzünden, hem de belirsizlik ilkesi nedeniyle sürekli titreşirler. Bu sebeple moleküler hidrojen atomları rastlantısal olarak kaynaşıp helyum atomu oluşturabilirler ve bu sırada uzaya büyük miktarda enerji salarlar.
Ancak iyi ki füzyon zor
Neden derseniz: Bütün elementler rastlantısal olarak kaynaşabilir ki buna iki atomlu moleküler oksijen ile üç atomlu ozon molekülü de dahildir. Ancak, rastgele soğuk füzyon çok nadir gerçekleşiyor ve buna da sevinmek gerekiyor. Yoksa Dünya atmosferi termonükleer bomba halinde patlardı ve siz de oturup bu yazıyı okuyamazdınız.
Elektron yerine muon.
Muonlar ile soğuk füzyon
Öte yandan, bir proton ve elektrondan oluşan hidrojen atomlarındaki elektronları çıkarıp yerine yine onlar gibi eksi yüklü olan muonları koyarsanız olayın şekli değişir. Nitekim muonlar, elektronlarla hemen hemen aynı özelliklere sahiptir; ama aynı zamanda elektrondan 207 kat ağırdır.
Gerçi bu işimizi bozmaz. Tersine, ağır elektron gibi davranan muonları kullanarak da yeni atom ve moleküller oluşturabiliriz. Ancak, muon tabanlı bu moleküller normal moleküllerden 200 kat küçük olurlar.
Üstelik bunları oluşturan atom çekirdekleri de birbirine 200 kat yakın olduğundan, muon tabanlı atomların rastlantısal soğuk füzyon ile kaynaşma şansı da çok daha yüksektir. Dolayısıyla muon tabanlı soğuk füzyon oda sıcaklığında gerçekleşebilir.
CERN parçacık hızlandırıcısı tünelleri.
Soğuk füzyon hayali
İşte Amerikalılar bunu 1947’de öngördüler1 ve 1956 yılında deneysel olarak gerçekleştirdiler.2 Hatta muon tabanlı füzyonu mutlak sıfıra yakın sıcaklıklarda bile gerçekleştirdiler.
Gerçi şimdi diyeceksiniz ki “Hocam madem öyle, neden 80 yıldır dünyada fosil yakıt savaşları oluyor? Neden Ankara’da soğuk füzyon gerçekleştirip enerji bağımsızlığımızı elde etmiyor ve dolayısıyla da Doğu Akdeniz’de hidrokarbon aramaktan vazgeçmiyoruz?”
Keşke o kadar olsaydı! Oysa Muon tabanlı soğuk füzyon gerçekleştirmeyi önleyen bazı fiziksel sebepler var: 1) Muonlar çok kısa ömürlüdür. Elektronlar ölümsüzken muonlar sadece 2 mikro saniyede bozunarak elektron ve nötrino üretiyorlar (Önemli not: Bozunan parçacıklar başka bir parçacığa dönüşmezler. Yok olur ve bu sırada enerji salarak yeni parçacıklar üretirler).
Öyleyse fizik yasaları soğuk füzyonu engellemiyor; ama muonlar evrende nadir bulunuyor. Elbette parçacık hızlandırıcısıyla yeni muonlar üretebiliriz. Ancak, bunun için muon başına 5 gigaelektronvolt (5 GeV) enerji harcamak gerekiyor (kaçak kullanım bedeli, pardon dağıtım bedeli hariç 🙂 ).
Sıcak füzyon reaksiyonları.
Öyleyse muon yapalım
Yapalım da astarı yüzünden pahalıya geliyor: 5 GeV’lik enerji maliyeti, muonu E=mc2 uyarınca parçalayarak üreteceğiniz enerjiden; yani muonun içerdiği enerjiden 50 kat fazladır. Bu durumda muon tabanlı soğuk füzyon ile üreteceğiniz enerji de muon üretmekte kullanacağımız enerjiden 50 kat az olacaktır.
Neyse ki fizik yasaları burada imdadımıza yetişiyor. Bir kere her füzyon reaksiyonu için ayrı bir muona gerek yok. Muonlar bozunana kadar birkaç hidrojen atomunu kaynaştırıyor ve bu da muon bütçesini azaltıyor.
Ancak, bazen muonlar yeni hidrojen atomlarını itip yapıştırmak yerine ilk reaksiyonda oluşturdukları helyum atomuna yapışıp kalıyorlar. O zaman da soğuk füzyona yardım etmemiş oluyorlar. Özetle her muon işi bitine kadar sadece 150 soğuk füzyon reaksiyonu gerçekleştirebiliyor. Bu durumda soğuk füzyon yapar mıyız?
Her füzyon reaksiyonu yaklaşık 18 MeV enerji üretiyor. Bu da muon başına ortalama 150 reaksiyonla 2,7 GeV ediyor. Oysa laboratuarda her muon 5 GeV maliyetle üretiliyor. Öyleyse muon tabanlı soğuk füzyonda 5 GeV harcayıp 2,7 GeV enerji üretiyor ve muon başına 2,3 GeV içeri giriyoruz!
İşte bu sebeple soğuk füzyon yenilenebilir bir enerji kaynağı değil, net enerji tüketicisidir. En azından elimizdeki teknolojiyle ve fizikte bildiğimiz kadarıyla bu böyledir. Üstelik sanayide kullanılacak kadar verimli enerji sağlamak için muon başına 20 GeV üretmeliyiz ki yapacağımız yatırıma değsin.
Peki atomu parçalayarak üretilen klasik nükleer enerji neden bir türlü yaygınlaşmıyor ve neden kömür ve doğal gaz yerine temiz nükleer enerji kullanmıyoruz? Bu soruların yanıtını Çernobil nükleer kazası ve Akkuyu Nükleer Güç Santrali yazılarında bulabilirsiniz.
Nükleer enerjinin alternatifi olan güneş enerjisinin karşılaştığı zorlukları ise Artık Otoyollara Güneş Paneli Döşüyoruz yazısında okuyabilirsiniz. Gerçek temiz nükleer enerji olan sıcak füzyonun 10 yıl içinde gelmesi dileğiyle hepinize aydınlık bir hafta sonu dilerim.
Nükleer füzyon neden gelmedi?
1Hypothetical Alternative Energy Sources for the ‘Second Meson’ Events
2Catalysis of Nuclear Reactions by μ Mesons
OnSr	 21/07/2019 Cevapla