Bir "kağıt" füzyon reaktörü

Altay Ünaltay
05 Kasım 2025

“Mümkün olanın sınırlarını keşfetmenin tek yolu sınırı bir miktar imkansıza doğru aşmaktır.”

“Bir şey nazari olarak mümkün ise ve bilimin temel kanunlarından hiçbiri onun gerçekleşmesine engel değilse, o şey er geç gerçekleşecektir.”

Arthur C. Clarke, kurgubilim yazarı 

Giriş: Bir Hollywood Hayali – Zincir Reaksiyon

1996’da Hollywood, Keanu Reeves’in başrolde olduğu Chain Reaction (Tepki) filminde geleceğin enerjisinin ipuçlarını vermişti. Hidrojen atomlarını kaynaştırarak sınırsız ve temiz enerji üretmek, beyazperdede heyecan verici bir komplo öyküsünün merkezindeydi. 

Filmin konusu şöyleydi: Chicago Üniversitesi’ne bağlı bir araştırma laboratuvarında, genç bir fizikçi olan Eddie Kasalivich (Keanu Reeves), suyun hidrojenini kontrollü füzyonla enerjiye dönüştürmeyi başaran devrim niteliğinde bir projede çalışmaktadır. Ekip, geleneksel nükleer füzyonun aksine, çevreye zararsız bir “soğuk füzyon” süreci üzerinde ilerlemektedir.

Ancak proje bir gece içinde kâbusa dönüşür. Deney başarıya ulaştıktan kısa süre sonra laboratuvar havaya uçar; baş araştırmacı öldürülür ve tüm bulgular yok olur. Olaydan sağ kurtulan Eddie ile proje mühendisi Dr. Lily Sinclair (Rachel Weisz), bir anda FBI tarafından sabotaj ve cinayetle suçlanırlar.

İkili, peşlerine düşen güvenlik güçlerinden kaçarken aslında hükümet içindeki gizli bir örgütün bu temiz enerji formülünü kendi çıkarları için gizlediğini keşfederler. Onları hem FBI ajanları hem de karanlık devlet bağlantılarıyla çalışan gizli servis görevlileri kovalamaktadır. Eddie’nin tek umudu, projeyi koruyan asıl bilim insanı Dr. Paul Shannon (Morgan Freeman)’ın yardımına güvenmektir — ancak kimin gerçekten dost, kimin düşman olduğu giderek belirsizleşir.

Chicago’nun donmuş nehirlerinde, laboratuvar tünellerinde ve gizli tesislerde geçen kaçış öyküsü, sonunda Eddie ve Lily’nin formülü dünyaya duyurarak insanlığın enerji geleceğini tekellerden kurtarmaya çalışmasıyla sonuçlanır.

 

“Füzyon 30 yıl uzaktadır”

O günlerde bilim dünyasında hâkim olan görüş, neredeyse bir atasözüne dönüşmüştü: “Füzyon hep 30 yıl uzaktadır.” Hayal cazipti ama gerçeğe dönüşmeyecek kadar uzak görünüyordu. Ne garip ki aradan tam otuz yıl geçti ve takvim 2020’lerin sonuna gelirken perdedeki hayal, laboratuvarlardan çıkıp inşaat sahalarına indi. Bugün Helion Energy ve Commonwealth Fusion Systems, dünyanın ilk iki ticari füzyon santralini kurmak için kolları sıvamış durumda. Bir zamanlar sinema senaryosu gibi görülen o sahneler, artık gerçek mühendislerin çizim masalarında ve dev bobinlerin gölgesinde yaşanıyor. Füzyon, yıllar boyunca “geleceğin enerjisi” diye anıldı; şimdi ise, nihayet, bugünün hikâyesine dönüşüyor.

“Her dem 30 yıl uzakta olan nükleer füzyon sessiz sedasız geldi” adlı makalemizde konuyu sunmuş ve bugünün gelişmelerine dikkat çekmiştik. Makalemizi okuyanlar füzyon araştırmalarının çoğunun bir ağır Hidrojen isotopu (Hidrojen  ailesi ferdi) olan Döteryum ve yanı sıra hafif bir metal olan Lityum’u yakıt olarak kullanmak esasına dayandığını hatırlayacaklardır. Lityum doğrudan yakıt olarak kullanılmaz, daha ağır bir Hidrojen isotopu olan Trityum’a dönüştürülür ve bu iki kardeş Hidrojen atomu reaktörde yakılır. Bugünün füzyon teknolojisinin çoğu bu temele dayanırken Helion,   bir devrim daha yaparak sırf Döteryum’a dayanan bir füzyon teknolojisi geliştirdi. Makalemizde tüm bunları tanıttıktan sonra şu soruyu sormuştuk: “Peki onun (Helion’un) makinesi dışında başka bir teknolojiyle, sade Döteryum yakan bir füzyon reaktörü tasarlanabilir mi?”.. 

 

Karışık bir “Ailevi İlişkiler” Hikayesi: Döteryum, Lityum ve Trityum!

Yeri gelmişken.. Sırf Döteryum yakmak neden önemlidir? Zira şimdinin çift yakıtlı füzyon reaktörleri denizde çok bol bulunan Döteryum ile  karada ve denizde daha az olsa da yine bol bulunan Lityum’u kullanırlar. Li doğrudan reaktörde yanmaz, reaktördeki nükleer tepkimeler esnasında Hidrojen’in en ağır isotopu Trityum’a dönüşür. Döteryum ve Trityum ikilisi reaktörde yanar. Trityum radyoaktiftir, dünyamızda yok denecek kadar azdır, onun için başka bir elementin atomlarından üretilmesi gerekir; o da Lityum’dur.  Öte yandan Lityum’un tamamı Tr üretimine uygun değildir, füzyon için Lityum-6 isotopu gerekir ve bu doğal Lityum’un sadece %7.5’u oranında doğada bulunur. Kalan % 92.5 ise Li-7 şeklindedir. Bu da daha ileri birtakım tekniklerle reaktörde Trityum'a dönüştürülüp kullanılabilirse de şimdilik görece Li bolluğu nedeniyle bu usuller pek uygulamaya konmamıştır. Öte yandan Li-6’nın doğal Lityum’dan saflaştırılarak zenginleştirilmesi gerekir (%20-30 Li-6, en az). Bu da ayrı bir Lityum rafine tesisi gerektirir. 

 

Toparlarsak:

Başlangıçta elde: Lityum-6 + Döteryum

(Füzyon nükleer tepkimesiyle) Lityum-6 → Trityum

Döteryum + Trityum → *Füzyon*

Şekil 1: Gezegenin Döteryum ve Lityum kaynaklarının tükenme süreleri.Döteryum, Lityum’dan çok daha uzun dayanacaktır. 

Şekil.1’de gezegenimizin Lityum ve Döteryum kaynaklarının tükeniş sürelerini görüyoruz. Döteryum çok daha uzun süre dayanacaktır. Öte yandan Lityum’un tükeniş süresine bakılırsa (yakl. 100 milyon yıl) konuyu o kadar da dert etmeye gerek yok gibi görünüyor. Ancak bizim burada öncelikli amacımız, milyonlarca yıl sonra gelecek torunlarımızın enerji güvenliğini garantiye almak değildir; şimdi ve daha bol kaynaklarla, karmaşık bir sanayi gerekmeden ülkemizin kestirme yoldan bol ve ucuz enerjiye  ulaşmasını sağlamaktır.

Not: Şu sıra daha çok karasal kaynaklardan elde edilen Lityum’un, bol deniz Lityum kaynakları devreye girene dek, siyasi çekişmelere ve belki de “nadir metal savaşları”na neden olabileceği günümüzün tatsız gerçeklerinden biridir. Yani petrol yüzünden 20.yy.a damgasını vurmuş kanlı çekişmeler yarın Lityum yüzünden çıkabilir. Oysa Döteryum heryerde kolayca deniz suyundan elde edilebilir. Denize kıyısı olmayan ülkeler için de  göl ve akarsularındaki Döteryum rahatça yeter.

Evet, sorumuz: Helion’un makinesi dışında başka bir teknolojiyle sade Döteryum yakan bir füzyon reaktörü tasarlanabilir mi?.. Şimdi bu sorunun cevabını vermeye çalışacağız; ya da bilim camiasındaki meşhur tabirle, bir "kağıt reaktör" tasarlayacağız.. 

“Kağıt Reaktör” ve “Kağıt Teknoloji” 

Konuya girmeden önce “kağıt reaktör” kavramının nereden çıktığını tekrar hatırlayalım. Konu ile ilgili daha önceki bir makalemizde şöyle demişiz: 

“Kağıt reaktör” (paper reactor) terimi, yalnızca çizimlerde, planlarda veya bilgisayar simülasyonlarında var olan, henüz fiziksel olarak inşa edilmemiş nükleer reaktör tasarımlarını ifade eder. Bu kavram, özellikle toryum yakıt döngüsü, sıvı tuz reaktörleri (MSR), gaz soğutmalı reaktörler ve hızlı üretken reaktörler gibi yenilikçi sistemlerde sıkça karşımıza çıkar.

Ancak mesele yalnızca reaktörlerle sınırlı değil. “Kağıt teknoloji” (paper technology) daha genel bir kavramdır ve henüz gerçeğe dönüşmemiş tüm teorik cihazları kapsar: Nükleer tahrikli uzay gemileri, hipersonik scramjet uçaklar, yapay organ yazıcıları, nano robot enjeksiyon sistemleri, hatta dev uzay asansörleri… Bunların bazıları bilimsel literatürde, bazıları da bilim kurgu ve mühendislik vizyonlarında yer alır.

Bu tür cihazlar, her ne kadar fiziksel olarak var olmasalar da, bilimsel düşünceyi besler, teknolojik ilerlemenin yönünü çizer ve bir gün inşa edilmeyi bekleyen potansiyel sistemler olarak değer taşır. (alıntı sonu).. 

Unutmamalı ki bugünün insanı hayretler içinde bırakan birçok teknolojisi de geçmişte birer “kağıt teknoloji” idi. Çizim masalarından ve bilimsel makalelerden çıkıp geldiler ve gerçek oldular.  Bu, bilim ve teknolojinin, bildiğimiz tek ilerleme usulüdür: Herşey önce bir hayalle başlar, sonra çizim masaları ve bilimsel yazılara yansır ve son olarak da yapım aşamasına gelir. Burada temel şu kriter bilimsel hayal gücü ile saf hayalperestliği ayıran çizgiyi belirler: Bilime aykırı olmayan her fikir değerlidir.

Biz de aynı yollardan geçerek ağır Hidrojen yakan bir füzyon reaktörünü meraklı bilim okurları ve konuyla ilgilenen bilimcilerin dikkatine sunuyoruz. Bunu yaparken hayli teknik bir konuyu ortalama bilim okuyucusu için olabildiğince anlaşılır kılmaya çalışacağız. 

 

Füzyon.. Kısaca

Herşeyden önce, bir füzyon reaktörü yapımındaki ana güçlüğün, bir yıldızın (güneşimiz dahil) kalbinde oluşan yüksek sıcaklık ve basınçları yeryüzünde oluşturmak ve bu durumdaki maddeyi bir arada tutmak olduğunu söyleyerek söze başlayalım. Güneş gibi orta boy bir yıldızda bunu yerçekimi sağlar, sonuçta yıldızın kalbinde milyonlarca atmosfer basınç ve sıkışan gazların ısınması sonucu 15 milyon ° K (Kelvin) ısı oluşur. Bu ısıda Hidrojen plasması uygun füzyon şartlarını bularak “tutuşur” ve yanar. 

(Not: Sıkışan gazların ısındığını kompresörlerle uğraşanlar ve eski tip bisiklet pompalarıyla bisiklet lastiği şişirenler iyi bilir.

Kelvin: Evrendeki “mutlak sıfır” noktası esas alınarak oluşturulmuş sıcaklık ölçü sistemi. Sıcaklıkta, evrensel bir kural olarak, yukarı doğru bir sınır yoktur, ama aşağı doğru vardır: Madde -273.15 ° C’da tüm ısı enerjisini kaybederek soğuk, ölü ve katı bir varlığa  dönüşür. Herhangi bir maddeyi bundan daha çok soğutmak mümkün değildir. Bu nokta 0 ° Kelvin olarak anılır. Evrendeki ve fizik bilimindeki sıcaklıklar bu mutlak noktaya nispetle ölçülür. Geleneksel Santigrat “C” sistemine göre 0 derece olan su donma noktası, Kelvin’e göre 273.15 derecedir!  0 ° C = 273.15 ° K. Dolayısıyla 0 ° K = -273.15 ° C.

“Plasma” bahsi bir önceki makalemde geçti, kısaca: Katı, sıvı ve gazdan sonra gelen maddenin 4. halidir. Çok yüksek sıcaklıkta maddenin doğal yapıtaşı olan atomlar dağılır; madde  serbest uçuşan atom çekirdekleri ve serbest uçuşan elektronlardan oluşan bir “çorba”ya dönüşür!). 

Öte yandan yeryüzünde milyonlarca atmosfer  basınç oluşturamayacağınızdan dolayı sıcaklıkta daha da ileri gitmek zorundasınız, çünkü füzyon tepkimesi “plasma” haline gelmiş Hidrojenin yoğunluk ve sıcaklığına bağlıdır.. Basınç (dolayısıyla yoğunluk) azalırsa füzyonu “tutuşturmak” için ısının artması gerekir. Bu nedenle Güneş sistemimizin en sıcak yerleri Güneş’in kalbi değil, Dünya üzerindeki (halihazırda deneysel amaçlı çalışan) füzyon reaktörlerinin içidir: Yaklaşık 100 milyon derece! Bizim de kendi sistemimizde bu ve daha yüksek ısılar oluşturmamız gerekiyor. Bu bir problem, ama sorunlar bununla bitmiyor. 

Bu kadar yüksek sıcaklıkta bir cismi kapalı tutacak maddi bir kap yoktur. Milyonlarca derece sıcaklıktaki plasmayı içine doldurduğunuz en sert  maddeden yapılı kap dahi bir anda buharlaşır, plasmanızı ve makinenizi kaybedersiniz. Ama bilim bunun da bir yolunu bulmuştur: Plasmayı madde kaplar yerine magnetik kuvvet alanından yapılı bir “kap” içinde saklamak! Buna “magnetik tecrit” (magnetic confinement) denir. 

Şekil 2: magnetik "şişe" yanlardan tutar, üstten-alttan “kaçırır”..

Ne yazık ki, magnetik tecridin de sınırları vardır. Magnetik tecridi  silindir biçiminde “göze görünmez bir kap” gibi düşünürsek  yandaki kavisli yüzey kapalı, ama ne yazık ki dip ve tepe yüzleri açıktır, plasma burada geri tutulamaz ve dışarı kaçar.. (Şek.2)

Bu nedenle modern füzyon reaktörlerinde bu silindir “uzatılır” ve “bükülür”,  sonunda bir “simit” (torus) olarak kapatılır. Böylece uçlardan kaçış önlenmiş olur.. (Şek.3).. Bugün füzyon reaktörlerinin çoğu için standart tasarım “simit”tir (torus).. Biz de aynı tasarımı esas alacağız. 

Şekil 3: Magnetik "şişe" bükülerek simit şeklinde kapatılır, alt-üstten kaçak önlenir..

 

 

 

Klasik Füzyon Reaktörlerinin Açmazı

  • Klasik "Tokamak – torus" (simit) reaktörlerde bir güçlü ve sabit magnetik alan vardır (toroidal alan). Bu simit boşluğu içinde simit dairesi boyunca çepeçevre uzanır ve "magnetik tecrit" ya da "magnetik şişenin" esasını oluşturur.
  • Plasmada ise magnetik alandan etkilenerek toplanması ve ısınması için bir iç elektrik akımı oluşması gerekir. Plasma bu iç elektrik akımıyla kendi magnetik alanını yaratır (poloidal alan). Ve bunun kanalıyla torustaki ana magnetik akımla etkileşir. Ancak plasmada bu ikincil akımı "indüklemek" (yaratmak) için değişken bir başka magnetik alana ihtiyaç vardır (solenoid alan). Bu alan giderek yoğunlaşacak şekilde torus merkezindeki bir bobin tarafından oluşturulur ve bunun için giderek şiddeti yükselen bir elektrik akımıyla beslenmesi gerekir.
  • Solenoid bobinde alan şiddeti yükseldikçe "plasma kapanımız" düzgün çalışır. Ne yazık ki, alan ve akım şiddeti sonsuz süre yükselemez. Bobin ve elektrik devreleri bir müddet sonra doyuma ulaşır ve akımı kesmek gerekir. Tüm füzyon reaktörlerinde sıkıntı çıkaran sorun buradadır. 

     

Akım kesilince reaktörü çalıştıran tüm düzen dağılır ve "sil baştan" yapmak gerekir. Öte yandan giderek artan akım şiddeti çok miktarda enerji demek olduğundan reaktöre giren enerjiyi reaktörden çıkan enerji karşılamayabilir, bu da reaktör kurup işletmeyi anlamsız hale getirir. 

Bu güçlükleri başka bir reaktör mimarisi ile aşmanın nazari yolunu biz burada inceliyor ve hesaplıyoruz. Oluşturduğumuz nazari reaktöre (ya da meşhur tabiriyle "kağıt reaktöre") "Rotamak" diyelim.

 

Bir Füzyon Reaktörü Projesi: "Rotamak"

Bu ismi reaktör simidi kesitinde plasmanın yaptığı ilginç bir dönme hareketi nedeniyle verdik (Rotamak: Rotor – Tokamak adlarından kinaye). 

Rotamak'ta da diğer füzyon reaktörleri gibi simit (torus) bir gövde, içinde plasma ve torus'u dolduran simit şeklinde bir magnetik alan (toroidal alan) vardır. Ama benzerlik burada biter; çünkü plasma torus kesit ekseni etrafında bir döner magnetik alan tarafından döndürülerek sıkıştırılır. 

 

Şekil 4: Kesit merkezi etrafında dönen plasma ve toroidal magnetik alan

Kesit merkezi etrafında plasmayı döndürmek, aslında çok bilinen ve yaygın olarak kullanılan bir başka teknolojinin reaktörümüze uygulamasıdır: Asenkron elektrik motoru. 

 

Asenkron Motor – Rotamak'ın Öncüsü 

Asenkron motor, kömürleri olmayan, sürtünen ve aşınan parçaları olmadığı için de uzun süre dayanan ve güvenle kullanılan çok yaygın bir elektrikli cihazdır. Trifaze akımla çalışır. Trifaze (Trifaze = 3 fazlı) akım esasen 3 ayrı fazda ve birbirine 120 ° açı yaparak (faz farkı) salınan 3 ayrı alternatif akımdan oluşur. Bu akımların bağlı olduğu elektromıknatıslar asenkron motor gövdesine 120° açı yapacak şekilde yerleşiktir ve birbiri ardına gelen magnetik dalgalanma sonuçta döner bir magnetik alan oluşturur. Dönen yatay ve büyük bir çarkın etrafına üçgen biçiminde yerleşmiş 3 kişiyi düşünün. Çarkın tek kolu vardır ve çark dönerken kol önüne gelen kişi eliyle kola kuvvetlice vurarak dönmenin devamını sağlar. 3 kişi bunu uygun sırayla (faz farkı) yaparsa dönme hareketi kesintisiz devam eder. 

Bir asenkron motorda bu kola vuran 3 kişinin yerini 3 elektromıknatıs alır. Trifaze akımla çalıştıklarından sırayla rotoru (dönen parça ya da "sincap kafesi") çeker ve iterler. Ancak rotor onların çekip itmelerinden biraz daha yavaş döner, bu esnada 3'lü bobinin döner alanıyla etkileşir. Etkileşimle iletken "sincap kafesi" şeklindeki rotorda elektrik akımları oluşur ve onlar da döner magnetik alan içinde bir itme kuvveti (Lorentz kuvveti) üretirler. Bu itme kuvvetleri rotoru çevirerek motoru çalıştırır.  Bu kadar uzun asenkron motordan bahsimizin nedeni, bizim de plasmayı aynı mekanizma ile döndürmek istememizdir. 

Daha önce de bahsi geçtiği gibi, plasma serbest (+) yüklü atom çekirdekleri ve serbest (-) yüklü elektronlardan oluşan amorf bir yığın olduğundan iyi bir elektrik ileticidir ve reaktör simit kesitinde bir "sincap kafesi" gibi kullanılıp döndürülebilir. 

Şekil 5: Asenkron motor ve "sincap kafesi". 

Döndürme, Sıkıştırma ve Isıtma

Plasmayı bu usulle niye kesit ekseni etrafında döndürüyoruz? Eğer oku tam karşıdan bize bakan bir magnetik alan içinde saat yönünün tersine pozitif (+) yüklü cisimcikler çevirirseniz magnetizmanın fizik kuralları gereği o cisimcikler merkeze doğru çekilecektir. Magnetizmanın temel kanunlarına göre uzayın 3 ekseni olan x, y ve z'yi dikkate alırsak, x yönünde bir magnetik alan içinde y yönünde hareket eden elektrik yükleri üzerinde z boyunca "Lorentz kuvveti" oluşur. (Şekil.6).  Lorentz kuvvetinin z ekseni üzerindeki yönü yük işaretine göre ("+" ya da "-" yük) değişir; düz ya da ters olabilir (Sağ el kuralı). Bizim konumuzda, plasma (+) yüklü Döteryum çekirdeklerinden oluştuğundan bu kuvvet tarafından merkeze doğru çekilerek sıkışacak (Şekil.8) ve reaktör gövdesi ile arasında bir boşluk oluşacaktır. Bu iki şeyi sağlar: 

  • Boşluk çok sıcak plasma ile görece soğuk reaktör gövdesi arasına girerek bir ısı tecridi sağlar, ki reaktör gövdesinin erimeden dayanması açısından bu gereklidir
  • Merkeze doğru sıkışan plasmada yoğunluk ve sıcaklık artar. Her ikisi de füzyon reaksiyonu için gereklidir. 
Şekil 6: Magnetizma, 3 uzay ekseni (sağ el kuralı) 


 

 

Şekil 7: Toroidal magnetik alan oku

 

 

 

Şekil 8: Döner magn. alan ve kesit merkezi etrafında dönen plasma

 

Füzyonu tarif eden Lawson formülüne göre: 

Daha önce de dediğimiz gibi reaktörümüzde  güneşin kalbindeki kadar yüksek basınç ve dolayısıyla yoğunluk sağlayamadığımız için sıcaklığı artırmak zorundayız, ki füzyon "tutuşsun". Bu nedenle güneş sisteminin en sıcak yeri güneşin kalbi değil (15 milyon derece) Dünya üzerindeki füzyon reaktörlerinin içidir (yakl. 100 milyon derece). Bizim reaktörümüzün De – De (döteryum) reaksiyonunu rahatça sürdürebilmesi için yakl. 3.5 milyar derece sıcaklık gerekiyor. Magnetik tecrit sorununu plasmayı döndürüp Lorentz kuvveti etkisinde sıkıştırarak hallettik varsayalım; peki plasmayı nasıl ısıtacağız? 

Yukarıda gösterdiğimiz gibi, Lorentz kuvveti (magnetik alana dik) hareket eden elektrik yüklerini gittikleri yola dik olarak çeker. Dönen genel plasma kitlesine bu nedenle her yönden sıkıştırıcı etki yaparken atomlar düzeyinde olay biraz daha karışık olarak gider. Hareket eden döteryum çekirdekleri yollarına dik çekim kuvvetleri nedeniyle sürekli yollarından sapar ve sonuçta "bozuk yay" gibi yuvarlanan bir seyir izlerler. (Şekil.9). Bu şekilde hareket eden  parçacıklar sürekli birbiriyle çarpışır ve parçacık hareketi rastgele hareketlere dönüşür. Atomlar düzeyinde bu ısı demektir. Dolayısıyla magnetik alan bir yandan kitle halinde plasmayı sıkıştırırken öte yandan birden artan rastgele çekirdek hareketi nedeniyle ısıtır (termalizasyon). Atomik düzeyde dönme hareketi bu kaotik hareketliliğe neden olurken, öte yandan "dönme momentinin sakınımı" gereği tüm bu kaotik hareket içindeki parçacıkların hareket hız bileşkesi plasma kitlesinin ilk dönme hızına eşit olur; yani plasma kitlesi de bir bütün olarak dönmeye devam eder. 

(Sakınım kanunları: Bir cismin sürtünmesiz uzay boşluğunda durduracak bir kuvvet olmadıkça sonsuza dek aynı yönde gitmesini, ya da dönen bir cismin onu durduracak bir başka şey olmadıkça uzayda aynı hızda dönmeye devam etmesini açıklayan fizik kanunları)

Şekil 9: Magnetik alanda yüklü parçacık hareketi

1 m yarıçaplı bir torus kesitinin merkezi etrafında dönen plasma yığını, yeterli sıkışma için yakl. 1 MHz (1 milyon devir/saniye) devir hızıyla dönmelidir. Bu aynı zamanda plasmayı döndüren 3 elektromagneti besleyen trifaze akımın frekansıdır. Bu frekanslar "radyo frekansı" denen dalga aralığında olup, mühendislik olarak bu frekansları üretmek zor değildir. 

 

Muazzam Isıları Korumak, Onlardan Korunmak

1 m yarıçaplı bir yörüngede 1 MHz hızla dönen Döteryum çekirdekleri ışık hızının %2.1'ine ulaşırlar. Bu hızdaki tanecikler yuvarlanma-çarpışma nedeniyle düzensiz harekete başladıklarında bu 3.5 milyar derece ısıya denk gelir ki, bir De füzyon reaksiyonu bu sıcaklıkta rahatça tutuşur. 

Bunlar muazzam ısılardır. Ama reaktör duvarı bu ısıdan olabildiğince korunmuştur. Karşılaştırma için İngiltere'nin JET füzyon reaktöründe plasma ısısı yakl. 100 milyon derece, ama reaktör iç duvar ısısı 300 ° C'dir. Reaktör duvarındaki bu görece soğukluk çeşitli fizik kanunları ve mekanizmalarla sağlanır; bunların en önemlisi reaksiyona sokulan plasma miktarının çok düşük tutulmasıdır. JET'te aynı anda reaksiyona giren plasma miktarı "miligramlarla" ölçülür! Bu kadar az miktarda maddeyle dahi füzyon oluşabilmesinin sırrı (yukarıda "Lawson kriteri"nde bahsi geçtiği üzre) füzyonun sadece ısı, yoğunluk ve birarada kalma süresine bağlı olmasıdır; bir Uranyum reaktöründeki gibi "kritik kütle" burada sözkonusu değildir.

(Kritik kütle: Bugünün parçalama esaslı Uranyum reaktörlerinde reaksiyonun başlaması için gereken minimum yakıt miktarı) 

... Yani "ateş kaynağını" küçülttükçe ondan yayılan enerji de azalır ve yönetilebilir duruma gelir. 

 

Öte yandan bir füzyon tepkimesinden yayılan enerjinin yakl. %80'i hızlı nötronlar şeklindedir, kalan enerjinin yine büyük bölümü yüksek enerjili bir çeşit elektromagnetik ışıma olan (isterseniz Röntgen ışınlarının güçlü kardeşi diyelim!) Gamma radyasyonu şeklinde çıkar. Bunlar reaktör iç duvarının içinden geçerler, dolayısıyla onu pek etkilemez, ısıtmazlar; bunların duvar gerisinde başka mekanizmalarla yakalanıp (moderatör, radyasyon kalkanı) faydalı enerjiye çevrilmeleri gerekir. 

 

Reaktör Mimarisi

Rotamak, iç içe birçok katman ve mekanizmadan oluşur. En içte füzyon ateşini koruyan ve plasma etrafındaki hava boşluğunu sağlayan iç duvar, onun arkasında nükleer reaksiyondan gelen nötron ve Gamma ışınlarını tutan ve enerjisini sağan moderatör ve kalkanlar, en dışta plasmayı hapseden magnetik alanı oluşturan ve bir sıvı Helyum banyosu ( -253 ° C) içinde bulunan süperiletkenli elektromagnetler gelir. "Süperiletken" elektrik akımına karşı sıfır direnç gösteren iletken demektir. Bazı metaller ve metal alaşımları mutlak 0 derecesine çok yakın ısılara dek soğutulduklarında süperiletken özellik kazanırlar. Çok soğuk sıvı Helyum banyosu bu düşük ısıları sağlar. Elektrik akımına karşı sıfır direnç az ya da hiç enerji harcamadan çok yüksek Amper elektrik akımlarını elektromagnet bobinlerinden geçirmeyi mümkün kılar; böylece yüksek yoğunlukta magnetik alanlar elde edilebilir. Bu süperiletken magnetlerin ürettiği alan 10 Tesla gücünde, yani yer magnetik alanının 200 bin katıdır! 

Burada kullanılan yoğun magnetik alan, süperiletken magnet ve sıvı Helyum banyosu ilk bakışta yüksek yatırımlar gerektiren egzotik teknolojiler olarak görülebilir; ne var ki bunlar zannedildiğinden daha yaygın teknolojilerdir. Türkiye'de hemen her büyük hastanede ve tıbbi görüntüleme merkezinde bulunan MR (magnetik rezonans) cihazları bu teknolojiler ile çalışır. Evet, bunlar pahalı cihazlardır; ama astronomik fiyatlarda değillerdir. (Yeni nesil MR cihazları 2-3 Tesla gücünde durağan magnetik alan üretirler; buradan bir füzyon reaktörüne gereken 10 Teslalık alana varmaya çok yol yoktur.) 

En dıştaki süperiletken magnetlerin radyasyona karşı iyi korunmuş olması gerekir, çünkü yoğun radyasyon onların yapı unsurlarını bozup yıpratacağı gibi, hızlı nötron bombardımanı magnetleri soğuk tutan Helyum banyosuyla etkileşerek onu kaynatabilir! 

Öte yandan, içerideki katmanların en dış katmandaki elektromagnetlerin oluşturduğu magnetik alanı perdelememesi gerekir, ve bunun için kapalı metal kap ya da metal kafes biçiminde yapılmamış olmalıdırlar. Dahası, eğer şanslıysak, yani Rotamak veya diğer tip füzyon reaktörleri  dünyada yaygınlaşacak ve insanlığın enerji ihtiyacını kitlesel olarak karşılayacak ise, yapıda nadir metal bileşim – alaşımlarının kullanılmaması gerekir; yoksa artan ihtiyaç derhal bir darboğaz ve yapım giderlerinde aşırı artışa neden olur. Bu da sonunda enerji fiyatlarına yansır ve füzyon enerjisinin bolluk ve ucuzluk avantajını bozar. 

Bu nedenle reaktör iç duvarının Alumina (Al2O3) seramik bloklardan yapılmasını teklif ediyoruz. Alumina bol bulunur ve Alumina seramik malzemeler aşağı yukarı betona benzer. Betonda dayanıklılığı artırmak için içine demir-çelik iskelet döşendiği gibi bu blokların içine  yine Alumina liflerinden örülmüş güçlü gerilim halatları yerleştirilip mekanik dayanıklılık artırılabilir. Alumina yoğun radyasyon ve yüksek ısıya dayanıklıdır. Yani reaktör içini Alumina'dan bir çeşit ateş tuğlalarıyla döşüyoruz. Ateş tuğlalarının iç yüzeyini ise Silisyum karbür (SiC) ya da Alumina-silis tipi sıcak ve radyasyona dayanıklı maddelerle kaplanabilir. (Bu kaplamaların özelliği az ve çok pahalı nadir elementlere dayanmamasıdır). 

Orta katmana gelince: Burası radyasyon ve hızlı nötronları tutacak ve faydalı enerjiye çevirecektir. Hızlı nötronları en iyi yavaşlatıp enerjisini alan ortam (moderatör) sudur. 

(Moderatör: Yavaşlatıcı.. hızlı nötron taneciklerini kendi ağırlığına yakın atom çekirdeklerine çarpışma ile yavaşlatan ortam. Bu biraz bilardo oyunundaki topların çarpışmasına benzer. Bilardo topları kendi ağırlıklarındaki başka bilardo topları ile çarpıştıklarında onları da hareket ettirirler ve bu sırada kendileri yavaşlarlar. Yani hızlı tek bilardo topunun enerjisi ortamı oluşturan diğer bilardo toplarına geçer! Tersine bilardo topunun çarptığı kütle ağırsa -mesela bilardo masasına 2-3 tuğla konduğunu kabul edin- bunlara çarpan bilardo topları yavaşlamaz, sadece geri seker veya yönlerini değiştirir. Aynı şey atom altı dünyada da geçerlidir. Bu manada en iyi moderatör sudur; çünkü su moleküllerindeki -H2O- Hidrojen atomları tek protondan oluşur ve proton – nötron ağırlıkları hemen hemen eşittir. Bu Hidrojen çekirdekleriyle çarpışan nötronlar kısa sürede yavaşlar; ve enerjilerini su moleküllerine geçirir. Hareketlenen moleküller o maddede ısı artışı demektir.  Bunun için bugünün Uranyum parçalayan reaktör teknolojisinde de genellikle moderatör olarak su kullanılır, ısınan su kaynar ve bir turbogeneratörü çevirerek elektrik üretir -kaynar su reaktörü-) 

Füzyon enerjisinin de %80'i hızlı nötronlar şeklinde yayıldığından orta katmana konacak su kısa sürede ısınıp kaynar. Bir turbogeneratöre gerekli ısı yüksekliğine ulaşabilmek için bu suyun 300-400 ° C'de sıvı halde kalmasını sağlamak gerekir (çünkü sıvı suyun tersine su buharı kötü bir moderatördür, zira buhar moleküllerinin arası çok açıktır ve nötronlar bu açıklıklardan yavaşlamadan geçer), suyu sıvı halde tutmak ancak yüksek basınç ve buna dayanacak kalın bir metal kap ile olur. Bu da, kaçmaya çalıştığımız, dış magnetlerden gelen magnetik alanı perdeleme sorunlarını geri getirir. O halde yüksek sıcaklıklara dek istikrarını koruyacak bir yavaşlatıcıya (moderatör) ihtiyaç var, ki bu Grafit'tir. 

Grafit, Karbon elementinin saf ve katı bir türüdür. Karbon atomu yakl. 12 nötron ağırlığındadır. Su kadar olmasa da bu görece hafif cüsse hızlı nötronlarla çarpıştığında "bilardo etkisi" yaratmaya ve onları yavaşlatmaya yeter.

Öte yandan Grafit yeryüzünde bol miktarda bulunur ve halihazırda birçok reaktör tipinde moderatör olarak kullanılır. Ancak grafit yoğun ve hızlı nötron bombardımanını emerken füzyon enerjisinin %80'ini almış olur ve ısınır. Bu ısının grafitten sağılması gerekir ki,

1-  reaktör yapısı aşırı ısınmasın ve 

2- füzyon enerjisi alınsın ve faydalı enerjiye dönüşsün. 

Bu nedenle grafit içine döşenmiş kanallarda su dolaştırarak soğutma teklif ediyoruz. Bu su basınç altında tutularak kaynaması engellenir ve bunun için paslanmaz çelikten borular kullanılır. 

Ancak ara katmana metal sokmak, az önce bahsini ettiğimiz magnetik perdeleme sorununu tekrar ortaya çıkarır. Yalnız bu kez sürekli kapalı bir metal kap yerine elimizde açıklıkları olan bir kafes sistemi vardır ve magnetik alan bunun arasından iç plasmaya işleyebilir. Tabi bu kafes sisteminin özel bir mimariyle yapılması gerekir, bunun için: 

  • gelen ve giden borular arasına açıklık konmaz, "U tüp" tipi bir mimari ile gelen ve giden su komşu – yapışık borulardan akıtılır, en dipte çok kısa bir dönüşle ("U"nun dibi) su bir borudan diğerine geçer
  • kapalı metalik halka oluşturacak kafes yapısı önlenir, ki bu kapalı devreler üzerinde "Eddy akımları" oluşarak magnetik alanı zayıflatmasın. 

(Eddy akımları: Trafo çekirdekleri üzerinde değişken magnetik alandan oluşan parazit akımlar. Trafodan enerji çalarak verim düşüklüğüne yol açar. Bunu engellemek için trafo demir çekirdekleri tek parça demir yerine ince demir yapraklar biçiminde yapılır ve yaprak aralarına yalıtkan bir lak sürülür). 

  • Boru geometrisi döner magnetik alanı kesmeyecek şekilde radyal (torus kesitine paralel halkalar halinde) döşenir. Tüm bunlar magnetik alan kayıplarını minimize eder.

 Sonuçta, oluşan boru sistemi genel görüntü olarak bir dinozordan arta kalmış dev bir göğüs kafesine benzer. Borular  bir "omurgaya" (ana borular, magnetik alan dışındadırlar) bağlı kaburgalar gibi reaktör etrafını çevreleyerek sarar, omurga yukarıdadır, ama aşağıda kaburgaları birleştiren bir parça yoktur, ki magnetik alana engel olunmasın. 

Enerji yayımının kalan %20'sinde çok büyük bir payı tutan Gamma radyasyonu da kalın kurşun oksit (PbO) bir kalkanla yakalanır, onun içinde de Grafitteki gibi  su kanalları vardır. Bunlar da kalkanda oluşan ısıyı kullanılmak üzere uzaklaştırırlar. Metalik kurşun yerine kurşun oksit kullanımı, yukarıda saydığımız metal perde ile magnetik alanı engellememek içindir. 

En dışta, sıvı Helyum ya da sıvı azot içindeki (sıvı azot sistemi fiyatça daha uygun) süper-iletken elektromagnetler vardır. Bunlar 2 ayrı magnetik alan oluşturur. Toroidal alan simit boyunca çepeçevre uzanır. Sabittir, değişmez. Alan çizgileri simit kesitine diktir, dönen plasmayı oluşan Lorentz kuvvetiyle sıkıştırır. Bu magnetik alan homojen değildir. Ek bobinler tarafından simit cidarına doğru yoğunluğu artırılır (yakl. %20). Bu kesit ekseninde bir çeşit "magnetik çukur" (magnetic well) oluşturarak plasmayı merkezde kalmaya zorlar. Magnetik çukur tıpkı içinde bilyalar yuvarlanan bir çanak gibi çalışır. Çanağın yükselen duvarları her seferinde yuvarlanan bilyaları merkeze geri dönmeye zorlar. Çukur çanak yerine düz bir tepsi üzerindeki bilyalar ise yuvarlanıp tepsiden dışarı fırlayabilirler. Düz tepsinin bizim düzeneğimizdeki karşılığı torus içinde homojen magnetik alandır. Bu nedenle kenarlara doğru magnetik alan şiddetinin artırılması, yani çanak yan duvarlarının yukarı doğru kaldırılması gerekir, ki evrenin en dengesiz ve kaotik yapılarından biri olan plasmanın yanlara kaçarak reaktör gövdesine değip sönmesi engellensin. 

Plasma çılgın, öngörülemez, kaotik bir ortamdır. Bir vahşi hayvan gibi kendine zincir vuran magnetik alanı zorlar, bir yerinden zayıflatıp kaçmaya çalışır. Plasmanın ne derece çılgın bir yapı olduğu, dev bir plasma topu olan güneşteki meşhur "güneş patlamaları"nda da gözlenebilir.  Güneş yüzeyi sürekli hareketlidir, fokurdar ve dev plasma sütunları patlamalar halinde güneşten fışkırır. 

İkinci magnetik alan, plasmayı bir elektrik motoru gibi çeviren "döner magnetik alan"dır. 120° açıyla plasma kesiti etrafına yerleştirilmiş elektromagnetleri çalıştıran yüksek frekanslı özel bir trifaze akım tarafından oluşturulur. Bu magnetik alan sürekli değiştiğinden metal kap ve kafeslerin perdelemesine daha duyarlıdır. Ancak reaktör mimarimizde gerekli tedbirler alınmış, perdeleme minimize edilmiştir. Döner magnetik alanla ilgili bir şüpheli nokta da şu ki, sabit (toroid) alanla etkileşip plasma kararlılığını bozabilir. Ancak bunun olması ihtimali düşüktür. Plasmaya zerkedilen döndürme enerjisi ile füzyon enerjisi kıyaslandığında bu iş bir gemiye manevra yaptırarak döndürmek gibidir. Evet, sular karışır, ama fırtına çıkmaz. 

Reaktör duvarı, moderatör ve kalkandan geçen kanallarda 350 - 400° C'ye dek ısınan su yüksek basınç altında bir ısı değiştiricisine gelir. Burada 2. bir devrede kaynayan 2. bir su kütlesi ise buhar olup turbogeneratöre gider ve elektrik üretir. Bu reaktörde termal Q oranının 10, elektrik enerjisi kıyaslandığında ise Q = 3 veya 3.5  gibi bir oran çıkmasını bekliyoruz. 

(Q oranı = çıkan enerji / giren enerji oranıdır. Bir füzyon reaksiyonuna başlangıçta yatırılan enerjiden daha fazlasının elde edildiği duruma füzyon uzmanları "tutuşma noktası" – "ignition point" diyorlar. Ancak ondan sonra bir füzyon reaksiyonu bağımsız olarak kendini sürdürebilir ve dışarıya enerji üretebilir).

Kullanılan uygun ve kaynağı görece bol malzemeler (Alumina, paslanmaz çelik, grafit, kurşun oksit, bor ve diğer özel maddeler ve alaşımlar) ve proje geliştirme maliyetleri dikkate alındığında OpenAI ilk 20 MW elektrik güçlü (60 MW termik güçlü) reaktörün 50 milyon Dolar'a inşa edilebileceğini hesapladı. Boyutları itibariyle nispeten küçük (dış çap 15-20 m, torus kesit yarıçapı 1 m) ilk prototipten sonrası fabrikada seri imal edilirse maliyet 15 -20 milyon Dolar'a dek düşebilir. 

İlk reaktörün 50 milyon Dolar'a yapılabilecek olması (diyelim ki hesabı %300 şaşırdık ve 150 milyon Dolar'a çıktı) bu ülkenin ödeyemeyeceği meblağlar değildir. Daha önce yazdığımız gibi, Türkiye'nin yıllık 60-80 milyar Dolarlık enerji ithalatına konacak %1'lik bir "Ar-Ge resmi" (topl. 600-800 milyon Dolar) kimsenin canını yakmaz; ama bu fon israf edilmeyip gerçekten yerli yerince kullanılırsa Ar-Ge faaliyetleri için rahat yetecek bir kaynak oluşturur. 

Füzyon reaktörümüz:

  • 1 kısım Trityum + 1 kısım Döteryum ile aynı anda
  • 2 kısım Döteryum + 2 kısım Döteryum'u yakar. 

2 De + 2 De füzyonundan %50 oranında Trityum ve %50 oranında Helyum oluşur. He atık maddedir, reaktör dışına alınır; zararsızdır, radyoaktif değildir. Atmosfere salınabilir ya da sanayide çeşitli amaçlarla kullanılabilir.  Aynı reaksiyonda oluşan 1 kısım Trityum ise bir sonraki döngüde 1 kısım Döteryum ile füzyona girer ve asıl yoğun enerji burada üretilir:

De + De → ortalama 3.6 MeV (mega elektron-volt)

De + Tr → 17.6 MeV 

(Elektron-volt: 1 elektron Volt, 1 elektronun 1 Volt gerilim altında elektrik devresinde akarken ürettiği enerjidir. Yani elektrik akımının en küçük enerji birimidir. Atomlar ve moleküller düzeyinde çok küçük enerjileri ölçmekte kullanılır.
Mega elektron-Volt: 1 milyon elektron-Volt)

 

Sonuç

İlk füzyon yazımızda anlattığımız, füzyon enerjisi şirketlerinin geliştirdiği çok çeşitli reaktörler içinde biz de bir reaktör mimarisi önerdik. Bunun için OpenAI'nin bilgi ve hesaplama imkanlarını kullandık, yoksa füzyon enerjisi hakkında bu kadar çok bilgiyi bu kadar kısa sürede biraraya getirmek imkansız idi. Ama sonuç itibarıyla bu nazari bir çalışma ve dolayısıyla önerimiz bir "kağıt reaktördür".

Eski "kağıt teknolojilerin" bilimin keşfettiği doğa kanunlarına aykırı olmaması halinde birgün gerçekleştiğini ve insanlığın teknolojik birikimini bu usulle ilerlettiğini gözlemekteyiz.

Öyle ise "Rotamak" da kendini inşa edecek öncüleri bekliyor. 

 

Kaynaklar:

(İnternet kaynakları için 09.10.2025 tarihi esastır)

 

 

Facebook'ta Paylaş Twitter'ta Paylaş Whatsapp'ta Paylaş Telegram'da Paylaş

Yeni yorum ekle

Metin biçimleri hakkında

Plain text

  • Hiç bir HTML etiketine izin verilmez
  • Web sayfası adresleri ve e-posta adresleri otomatik olarak bağlantılara dönüşür.
  • Satır ve paragraflar otomatik olarak bölünür.
KONTROL
Bu soru bir bot (yazılımsal robot) değil de gerçek bir insan olup olmadığınızı anlamak ve otomatik gönderimleri engellemek için sorulmaktadır.