[Fizik] Termonükleer Enerji Nedir? | Termonükleer Enerjinin Ä°lkeleri – Termonükleer Reaktör İçin KoÅŸullar – Tokamak Sistemi

Termonükleer Enerji

Mevcut fosil yakıtlarının (petrol, kömür vs.) önümüzdeki 30-40 yıl içinde tükeneceği beklentisinden hareket edilerek, geleceğin enerji gereksinmesinin yarısına yakın bir kısmının nükleer enerji ile karşılanması umulmaktadır. Nükleer enerjinin ortaya çıkarılması iki temel sürece dayanır. Bunlardan birincisi, günümüzdeki reaktörlerin kullandığı fisyon sürecidir.

Bu sürecin yakıtları uranyum, toryum gibi ender bulunan elemanlar olup, mevcut teknik olanaklarda bir gelişme olmadığı takdirde elde edilebilen miktarın bu gereksinmeyi ancak bir asır mertebesinde bir süre için karşılaması beklenebilir. Zararlı artıkları da göz önüne alınınca, bilim adamlarının çabaları ikinci süreç olan füzyon, ya da başka bir deyişle, termonükleer enerji üzerinde yoğunlaşmaya başlamıştır.

Termonükleer Enerjinin İlkeleri :

Bu enerjinin dayandığı nükleer süreçler şu şekilde gösterilebilir:

D + D =

(He4 + 3.52 MeV) + (n + 14.06 MeV)

Bu denklemlerin anlamı şöyle açıklanabilir: Deuterium (D) ve tritium (T), hidrojen elema-nının izotoplarıdır. Ä°ki deuterium çekirdeÄŸi birleÅŸtirliebilirse ya 1.01 Mega-elektron volt enerjisinde bir tritium çekirdeÄŸi ile 3.03 Mega-elektronvolt enerjisinde bir proton, ya da 0.82 Mega-elektronvoltluk bir helyum çekirdeÄŸi ile 2.45 Mega-elektronvoltluk bir nötron oluÅŸur. DiÄŸer iki denklem de buna benzer biçimde açıklanabilir. Bu denklemlerden görüleceÄŸi üzere, 3 deuterium çekirdeÄŸiyle yola çıkılırsa, sonunda bir helyum çekirdeÄŸi (alfa taneciÄŸi bir nötron, bir proton ve toplam olarak 21.61 Mega-elektronvotluk enerji elde edilir. Bu enerji ise, 9.62×10-19 kw-saat olarak ifade edilebilir. Bir gram deuterium’da 3×1023 çekirdek bulunduÄŸuna ve her 3 çekirdek bu kadar enerji verebileceÄŸine göre, 1 gram deuterium yaklaşık olarak 100 Megavat saat enerji üretebilecek demektir, deuterium izotopunun doÄŸal hidrojen içinde % 0.02 oranında bulunduÄŸu anımsanırsa, 1 gram deuterium’un 50 litre sudan elde edilebileceÄŸi görülür. Dolayısıyla, okyanuslardaki suyun dünyanın enerji gereksinmesini 70 milyar sene boyunca karşılayabileceÄŸi görülür. Yukarıdaki denklemlerle gösterilen tüm reaksiyonların son ürünü. enerjinin yanı sıra. alfa, nötron ve proton tanecikleri olup, bu tanecikler kolaylıkla soÄŸurulablleceklerinden herhangi bir uzun ömürlü, zararlı, radyoaktif artık da oluÅŸturmazlar.

Termonükleer Reaktör İçin Koşullar :

Çok çekici görünen bu sürecin denetimli bir şekilde gerçekleştirilebilmesinde çeşitli zorluklar vardır. İki pozitif yüklü deuterium çekirdeğini, aralarındaki elektrostatik itme gücüne rağmen kaynaşabilecekleri bir yakınlığa kadar birbirlerine yaklaştırabilmek için bu çekirdeklere yaklaşık 10 kilo-elektronvolt mertebesinde kinetik enerji verebilmek gerekir. Bu enerji sıcaklıkla ifade edilirse, çekirdeklerin 100 milyon dereceye kadar ısıtılması anlamına gelir. Yakıtın böylesine yüksek bir sıcaklığa ısıtılabilmesi için reaktöre büyük bir enerji sağlanması gerektiği açıktır. Reaksiyonlardan elde edilecek nükleer enerjinin en az enerjiye eşit olması da ekonomik bir zorunluktur. Bu düzeyde bir nükleer enerji elde edilebilmesi için çok sayıda çekirdeğin reaksiyona sokulabilmesi gerekmektedir. Bu sayı Lawson tarafından saptanmış olup, gerçekleştirilebilmesi için her santimetreküp başına 1014 çekirdeklik bir yoğunluğun en az 1 saniye süresince tutulabilmesi gerektiği ortaya çıkmıştır.

Gerekli koÅŸulları saÄŸlayabilmek için deuterium gazının söz konusu sıcaklıklarda ne durum aldığına bakmak gerekir. 150.000 derece mertebesinde bir sıcaklıkta, deuterium gazı tamamen iyonize olur. Maddenin bu ÅŸekilde iyonize olmuÅŸ durumuna “plazma” hali denir, elektrik alanları uygulandığında akım geçirir ve ısınır. Manyetik alan uygulandığı zaman ise sıkışır; çünkü yüklü tanecikler manyetik alana dik yönde serbestçe hareket edemez ve dairesel yörüngelere otururlar. Bu nedenlerle, plazmayı manyetik bir alan ile hapsedip sıkıştırmak ve elektrik alanları ile ısıtmak ilk akla gelen yöntemlerden biri olmuÅŸtur. Ancak, düzgün ve yeknesak bir manyetik alanın plazmayı hapsedemiyeceÄŸi açıktır: çünkü manyetik alana paralel yönde hareket durdurulamaz. Buna çare olarak manyetik alan ÅŸiddetini iki uçta arttıran sistemler geliÅŸtirilmiÅŸ ve bunlara “manyetik ayna” adı verilmiÅŸtir. Birbirinden belirli bir uzaklıkta, aynı eksen üzerine yerleÅŸtirilmiÅŸ, halka ÅŸeklinde iki sarım, manyetik ayna sisteminin en basit örneÄŸidir. Böyle bir manyetik alan içindeki yüklü bir taneciÄŸin aynalara (sarımlara) doÄŸru yaklaÅŸtığında dairesel yörüngesinin çapının ufaldığı ve geriye doÄŸru bir manyetik güç ile itildiÄŸi görülür. Bu güç, taneciklerin büyük bir kısmını iki ayna arasında tutabilmekle birlikte, manyetik alana paralel yöndeki hızları belirli bir deÄŸerin üstünde olan tanecikler bu göçü yenip aynadan kaçabilmektedirler. Bu kaçışı azaltabilmek amacıyla çeÅŸitli yöntemler denenmekteyse de, bu yolla eriÅŸilen deÄŸerlerin hedeflerin henüz oldukça gerisinde olduÄŸunu itiraf etmek gerekir.

Tokamak Sistemi

Manyetik alanın uçlarından tanecik kaybını önlemek amacıyla, manyetik alan çizgilerinin kapalı birer daire oluÅŸturdukları manyetik torus konfigürasyonu akla gelen ikinci çare olmuÅŸtur. Simit ÅŸeklinde bir nüve üzerine sarılan bobinden geçirilen akım yoluyla oluÅŸan manyetik alan, bu konfigürasyonun en basit örneÄŸidir. Bu tür alanın kullanıldığı araÅŸtırmalar, “Tokamak” ve “Stellerator” adlarıyla tanımlanan iki ana grupta toplanmıştır. Tokamaklar, karmaşık bir transformatörden ibarettir. Transformatörün sekonder sarımı, simit ÅŸeklinde bükülmüş paslanmaz çelikten bir borunun içine doldurulmuÅŸ deuterium gazıdır. Alçak güçte bir radyo frekans alanı ile gaz önce iyonize edilerek iletken durumuna sokulur.

Hemen sonra, transformatörün çok sarımlı primer devresine akım verilir ve tek sarımlık bir sekonder oluÅŸturan gazdan çok yüksek bir akım geçmesi saÄŸlanır. Bu akımın çelik boru ile paylaşılmasını önlemek için, boru çeÅŸitli yerlerinden yalıtkan ÅŸeritlerle kesilmiÅŸtir. İçinden geçen yüksek akım nedeniyle deuterium plazması çok yüksek derecelere kadar ısıtılabilir. Isınan taneciklerin çelik cidara kaçarak nötralize olmalarını önlemek amacı ile de çelik boru çevresince dizilmiÅŸ yassı sarımlardan geçirilen akım yoluyla toroidal magnetik alan (BT) oluÅŸturulur. Bu arada deuterium gazından geçen akımın poloidal yönde oluÅŸtuÄŸu manyetik alan (BP)’de IxBP gücü nedeniyle gazı daha da sıkıştırarak yoÄŸunluÄŸunu arttırır. Stelleratorların tek farkı, yassı sarımlar yerine heliks ÅŸeklinde sarımlarla hem BT alanının tümünü, hem de BP alanının bir kısmını üretmesidir. Bu ÅŸekilde BP alanının plazma akımına bağımlılığı ve bu akımdaki bozulmalardan çok fazla etkilenmesi önlenir.

Tokamak Sistemlerinin Kronolojik Durumu

Bu yöntemin amaca ulaÅŸması yolunda iki önemli engel kalmıştır. Bunlar, gaz akımı halkasında bazı kararsızlıklardan oluÅŸan dirsek ya da benzeri ÅŸekilde bozulmalar ile, plazma direncinin ısındıkça düşmesidir. Akım halkasının dışa doÄŸru dirsekler yapması plazmanın cidara deÄŸip nötralize olması, elektrik direncinin düşmesi ise, belli bir sıcaklıktan sonra akımın plazmayı artık ısıtamıyacağı anlamına gelir. Bu engellere raÄŸmen geçen 20 yılda aşılan yol ÅŸekil 3’de de görüleceÄŸi gibi oldukça ümit vericidir. DEMO ve STARFIRE reaktörlerinde, çelik boru üzerine yerleÅŸtirilen lityum tabakası, termonükleer enerjiyi taşıyan nötronları durdururken ısınacak ve bu tabakayı soÄŸutan akışkanın buharından elde edilecek elektrik enerjisi insanlık hizmetine sunulacaktır. Bu reaktörler için öngörülen büyüklükleri de şöyle özetleyebiliriz: torus dış çapı: 12 metre, iç çapı: 4 metre, plazma akımı : 7 milyon amper ve manyetik alan : 6 tesla mertebesinde olacaktır.

Son olarak, güçlü lazer demetlerinin küçük deuterium hedefleri üzerine uygulanarak termonükleer sıcaklık ve yoğunlukların sağlanmaya çalışıldığı, ancak bu amaç için gereken lazer gücünün günümüzdeki lazerlerden 100 kat daha büyük olduğunu ve bu yöntemin tokamaklara göre daha yavaş ilerlediğini de belirtmekte yarar vardır.

— GüneÅŸ rüzgarı olarak adlandırılan. GüneÅŸ’ten ayrılan yüklü partüküllerden oluÅŸan ve Dünya’dan da geçen sürekli akıntının hızı, ses hızının 1.200 katıdır.

*ODTÜ Fizik Bölümü

Tübitak Bilim ve Teknik Dergisi, Mayıs 1983, Sayfa: 1-3

Kaynak: Kadim Dostlar ™ Forum

Bu içerik 28.06.2008 tarihinde Hale tarafından, Fizik - Kimya - Biyoloji Konu Anlatımları bölümünde paylaşılmıştır ve 1332 kez okunmuştur. Bu içeriğin devamında incelemek isteyebileceğiniz 1 adet mesaj daha bulunmaktadır.

[Fizik] Termonükleer Enerji Nedir? | Termonükleer Enerjinin İlkeleri - Termonükleer Reaktör İçin Koşullar - Tokamak Sistemi orjinal içeriğine ulaşmak için tıklayın ...