GELECEĞİN ÇEKİRDEK KAYNAŞIM REAKTÖRLERİ

KAYNAŞIM REAKTÖRLERİ

GELECEĞİN ÇEKİRDEK KAYNAŞIM REAKTÖRLERİ

T.A. HEPPENHEIMER

üneşin merkezinden, her saniyede 4 milyon tonu aşkın hidrojen, kaynaşım tepkimesi yapıyor. Işık ve ısı biçi­minde bize ulaşan bol miktardaki enerji, bu dinamik kayna- şım sürecinden çıkıyor. Fizik yasalarına uygun olarak ger­çekleşen bu birleşmeyi, yer üzerinde de gerçekleştirebilme girişimi, fiziğin şimdiye dek rastladığı en güç teknik sonın oldu.

Yine de, çekirdek kaynaşmasına çok önem verilmiştir: Amerikan Enerji Bakanlığı, yalnızca araştırma amacı ile, iki dev aygıt için yatırım yapmaktadır. Princeton’daki TFTR (To- kamak Fusion Test ReactorlTokamak Kaynaşım Sınama Re­aktörü), beş katlı yapı yüksekliğinde, 45 m kadar uzunlukta ve 31 m kadar genişlikte bir yapıya yerleştirilmiştir. Reaktö­rün mıknatıs kangalı,|9,l2|m çapındaki kocaman halka des­teklere sarılmıştır. Oakland yakınlarındaki Lavvrence Liver- more Ulusal Laboratuvarı’nda ise, MFTF (Mirror Fusion Test Facility: Aynalı Kaynaşım Sınama Kuruluşu) bulunmaktadır. Bu reaktör, bir Boeing 747 uçağının gövdesinden daha bü­yük bir çelik silindirden oluşur; bu silindirin iki ucunda, iki katlı bir yapı yüksekliğinde ve yaklaşık 400 ton ağırlığında birer “yin-yang (dişil-eril)” mıknatıs (aynı mıknatıs içinde bulunan iki mıknatıs) vardır. Bu dev birleşimler, çaplan bir santimetrenin trilyonda birinden daha küçük olan atom çe­kirdeklerini kaynaştırmak için düzenlenmişlerdir.

Bu koca devler “daha büyük olan, daha iyidir” düşün­cesinin doğmasına neden olmuşlardır. Günümüzde, MIT- nin kaynaşım aygıtı olan AlcatorC, bu stratejiye karşı çık­mıştır. Livermore’daki MFTF’nin dev uçaklardan daha bü­yük olmasına karşın, Alcator, onların makinelerinin her bi­rinden daha küçüktür. Alcator’un deneycileri, Princeton’­daki TFTR’nin başarısının gölgelemesine izin vermeyecek bi­çimde, amaca gizlice ulaşmışlardır. Ayrıca, kaynaşım girişim­cisi Robert Bussard daha iyiyi yapmayı bile umuyor Şimdi, bir el arabası ile çekilecek kadar küçük bir ticari reaktör yap­mayı planlıyor.

Kaynaşım gücü beklentisi, enerji araştırmacılarını 30 yıl­dan beri düş kırıklığına uğratmıştır. Kaynaşım gücünün iki yakıtı, hidrojenin ağır yerdeşleri (izotoplan) olan döteryum

Dev reaktörler bilyük umutlar uyandırıyordu; fakat küçücük bir reaktör asıl amaca ulaştı bile. 30 Yıl­lık çabalamculan sonra, fizik dünya­sı neyin arandığını ancak bulgula­yabildi: Çekirdeklerin kaynaşım enerjisini üretmek üzere, yeterince iyi kapatılmış bir plazma aranıyor­du. Yeni tasarımlar, kaynaşım reak­törlerinin küçük ve ucuz olabilecek­lerini ve eskidiklerinde çabucak sö­külüp ortadan kaldırılabileceklerini gösteriyor.

ve trityumdur (döte7um, milyonlarca yıl boyunca yetecek miktarlarda, deniz suyundan üretilebilir). 1970’lerde A.B.D. Temsilciler Meclisi üyesi olan, enerji baş uzmanı Mike McCor- mach’a göre, “Ateşleme kullanımının denetlenmesi sağla- diktan sonra, kaynaşım gücünün geliştirilmesi, en önemli f olayı olacaktır.”

Bu ateş nasıl yakılabilir! Kaynaşım, çekirdekleri bu*. _ kaynaştırmak demektir; bir döteryum çekirdeği bir trityum çekirdeği ile birleşirse, çekirdeklerin enerjileri açığa çıkar. Fakat iki çekirdek de elektrik yükü taşımaktadırlar ve birbir­lerini kuvvetlice iterler, bu itmeyi yenmek için çekirdeklerin önemli miktarlarda enerjileri olmalıdır; başka bir deyimle, çekirdekler çok sıcak olmalıdırlar (100 milyon derece Celcius)

Kaynaşım, iki bakımdan güçlük getirir: Fizikçiler bu uç sıcaklıkları üretmeli ve ayrıca, plazma denen sıcak ve yaygın gaz bulutlannı, özel bir kab içinde saklamalıdıriar. Bildiğimiz bir şişe, bu iş için uygun olmayacaktır. Isısını hızla yitirece­ğinden plazmanın şişe çeperine değmesine izin verilemez. Fa­kat mağnetik alanlar yardımı ile plazma 100 milyon derece sıcaklıkta tutulabilir. Magnetik şişe denen böyle bir magne- tik pota kurmak, hiç de kolay bir iş değildir. 30 yıl önce fizikçi Edward teller, bir plazmayı mıknatıslar yardımı ile belli bir yerde tutmanın, bir pelte damlasını lastik kuşaklarla sa­rarak tutmak kadar zor olduğunu söylemiştir.

Geçen üç onyıl boyuna fizikçilerin amacı, bir plazmayı Lawson ölçütünü (kriterini) sağlayacak biçimde, belli bir ye­re yeterince iyi kapatmak oldu. İngiliz fizikçisi John Lawson’un adını taşıyan bu ölçüte göre, plazma belli bir yoğunluğa ulaş­malıdır vg Lawson sayısı denen 6 x 10” sayısını bulacak bi­çimde, mıknatıslarla yeterince uzun bir süre kapalı tutulma­lıdır. Örneğin cm’ başına 10“ parçacıktık bir yoğunluk ve 0,6 saniyelik bir kapatma gereklidir; Lawson sayısı ise, bu iki sayının çarpımıdır.

Böylece, 100 milyon derecedeki bir plazma, kendini ısıt­mak için verilen enerji kadar enerjiyi, kaynaşım tepkimeleri ile geri verecektir. Bu, koşul denkleşme olarak bilinir. Eğer plazma daha iyi kapatılabilirse, başka bir deyimle, daha yo-

Daha büyük olan mı daha iyidir? Daha küçük olan mı daha yeteneklidir? Kaynaşım reaktörleri için en elverişli büyüklük henüz belirlenmemiştir. Bir sınama reaktörünün 4300 tonluk güçlü yin- yang (dişileril) mıknatıslan iki katlı yapı yüksek- liğindedir. (Üstte). Fakat önerilen Riggatron, bir ye­mek odası masası üzerine sığacak büyüklüktedir. (Ön kapaktaki resim).

ın yapılabilir ve mıknatıslarla daha uzun süre kapalı tutula- ürse, daha çok enerji verebilir ve daha az ısıtma gerektirir, izma, 3xlO^l4‘e eşit bir Lawson sayısında tutuşacaktır. O man dışardan ısıtma gerekmeyek ve plazma, kendi tep­keleri ile kendini sıcak tutacaktır.

PLAZMA KAP ATIM ÇALIŞMALARI

Bugün, Teller ve başkalarının öngördüklerine göre, plaz- ıları magnetik alanlardan kurtularak öteye sızmaktan alı- ymak çok güçtür. I968’de Sovyetler Biriiği’nin, “toro- simit) biçimli magnetik oda” teriminin rusça karşılığının i harflerinden oluşan “tokamak” dedikleri bir kaynaşım ¡ıtından elde ettikleri sonuçlar, büyük bir ilerleme sağla- Onlann Lawson sayıları, denkleşme için gereken sayıdan ) kat kadar küçüktü ve 5xl0″’e eşitti. Buna karşın, kay- ıım araştırmasına büyük bir itici güç sağlamaya yetiyordu.

1970’ler boyunca, büyük enerji açığı öngörüleri karşı­da, Amerikan Enerji Bakanlığı kaynaşım bütçesini 10 ka-

j çıkardı, ve TFTR ve MFTF’nin kuruluşlarını onayladı. TR, radyoaktif olan ve işlenişi kolay olan trityumu kullan- k üzere kurulmuştu. MFTF, değişik bir yaklaşım getirdi; :mayı|simit-biçimli bir odaya kapatmak yerine, onu mag- ik aynalar denen düzeneklerle denetliyordu. Bu düzenekler an plazmayı, bir aynadan yansımış gibi, uzun boru biçimli ya geri gönderiyordu.

Bu kocaman aygıtlardaki mıknatısların düzenlenişleri de şikti. TFTR’nin, magnetik alanlar üretecek olan elektriksel aları taşıyan bakır kangallarla sarılmıs geleneksel bir ra-

helyum ile soğutulacak olan vc çok büyük elektrik akımları­nı az yitik ya da aı direnç ile taşıyacak olan aşırı iletkenlerin kullanıldığı mıknatısları seçti. Fakat az elektrik harcamasına karşın bu mıknatısların kuruluşu çok pahalıya geliyordu. Ger­çekten, her yin yang (dişil eni) mıknatıs için, yaklaşık 48 km uzunlukta aşın iletken tel gerekir; bu tellerin metre başına değeri ise, yaklaşık 60 dolardır. Ayrıca, her mıknatısın kap­laması, yaklaşık 13 cm kalınlıkta paslanmaz çelikten yapılır ve her mıknatısın kuruluşu bir buçuk yıl sürer.

Sorunların birçoğu, reaktör donanımlarında karşılaşılan uç koşullardan gelir. Araştırmacılar, plazmayı incelemek için, saniyenin birkaç milyarda birine eşit olan çakma süreleri içinde, tüm New York kentinin bir anlık gücüne eşdeğer bir ışık patlaması yayınlayan çok güçlü laserler kullanırlar. Bu laser- ler, ışığa astronomi teleskoplarının fotoğraf yapraklarından daha duyarlı olan fotoalgıçlaria (fotodetektörlerle) kaplan­mışlardır. Plazmanın 100 milyon derecelik bir sıcaklığı ol­masına karşın, bir metre kadar ötede, mutlak sıfırın 4 dere­ce üzerindeki sıvı helyumla soğutulan bir magnetik kangal bulunur.

Öyleyse, çekirdek kaynaşımı araştırmalarının neden ya­vaş ilerlediğine şaşmamak gerekir. İlk olarak 1978’de, Prin­ceton deneycileri PLT denen bir tokamak reaktörü kullana­rak, 60 milyon dereceye (kaynaşım için uygun bir sıcaklık) ulaşmayı başardıkları zaman, o yılların en önemli kaynaşım başarısını gösterdikleri söylenmişti. Fakat bu deneyde çabu­cak ısıtılabilen seyreltilmiş bir plazma kullanılıyordu; bu plaz­manın düşük yoğunluğu, 3xl0″’e eşit olan bir Lawson sa­yısı demekti. 6xlO^IJ‘e eşit olan, denkleşme Lawson sayısı­nı başarmak çok daha zordu. 1982 gibi geç bir yılda, yöne­tim politikası bu sayı (yoğunluğu ve kapatılma süresini gös­teren) için girişimde bulunmuştun fakat gereken yüksek sı­caklık çalışmaları, ancak TFTR ile, I986’da başlayabilecektir.

DAHA BAŞKA ÇALIŞMALAR

MIT’de çalışan, fizikçi Ron Parker’in başka düşünceleri vardı. Alçak gönüllü bir insan olan Ron Parker, küçük ve toplu yapıdaki Alcator C tokamak reaktöründe kurulmuş bu­lunan bir kaynaşım araştırma programını, hem de az bir pa­rayla yönetiyordu. Onun işyeri ve laboratuvarları ise, eski­den bir fırın ve ambar olarak kullanılan, tuğladan yapılmış sarı renkli yapılar grubundaydı.

1977’de Alcator’un Parker’in kılavuzluğunda gerçekleş­tirilen bir ilk yapımı, denkleşmenin yarısına eşit olan 3xl0^IJ’lük bir Lawson sayısına ulaştı. Sonra I982’de, güç­lükleri olabildiğince giderecek olan bir takım düzeltmelerle, reaktör yapımlarını geliştirmeğe hazır duruma gelmişti.

Topak göndericinin kullanıldığı MIT Alcator re­aktörü, gereken yüksek düzeyde plazma kapatıl­masını sağlayan ilk reaktör olmuştur.

ya dayanıyordu. Bu kürecikler, bir laser veya benzer bir ay­gıttan şiddetli bir demet olarak gönderilebileceklerdi. Küre­nin dış tabakalarında oluşan bu anlık patlama ile, kürenin iç tabakaları ısınacak ve sıkışacaktı; böylece kürenin merke­zi, saniyenin trilyonda birine eşit bir sürede, bir yıldızın mer­kezindeki koşullara ulaşacaktı. 1984 Mayıs ayı ortalarında, Albuquerque’deki Sandia Ulusal Laboratuvarları bilimcileri, iyon demetlerini öyle keskin odaklamayı başardıklarını bildi­riyorlardı ki, bu demetler kaynaşım hedeflerine gönderilebi­leceklerdi. Ayrıca, MFTF’ye I km’den az uzaklıktaki öbür Livermore bilimcileri ise, 1985’in tadarında EKK (eylemsiz- kapatım kaynaşımı) hedeflerine ilk atışları yapmak üzere, dün­yanın en güçlü laseri olan NOVA’yı hazırlıyorlardı.

Kaynaşım araştırmaları tam bu başarıları kazandıkları sı­rada, sanki alaycı bir düşünüşle, söz konusu araştırmaların geleceği en çarpıcı biçimde tartışılmağa başlandı. Parker’in yakın çalışma arkadaşlarından biri olan Lawrence Lidsky, ya­yınladığı bir yazısında karşıt düşüncelerini ileri sürdü: “Kay- naşım ortaya bir reaktör çıkardıysa bile, kimse bu reaktörü istemeyecektir. Pahalı kaynaşım reaktörü, Zeplin gibi, ses- üstü taşım aracı gibi, bolünüm üretken reaktör gibi, isten­mez ve kullanılmaz olacaktır, “biçiminde uyarmalarda bu­lundu. Lidsky’nin görüşüne göre, Princeton ve Livenmore’- daki TFTR ve MFTF dev reaktörleri gibi tasarımlar ise, ticari kaynaşım gücü için temel olarak kullanılmak bakımından ç~ pahalı, karmaşık ve güvenilmez olacaklardı.

Bir görüş de, Nobel ödülü sahibi Hans Bethe’den g‘ di. Bethe’in, yıldızlardaki çekirdek tepkimeleriyle ilgi 1930’daki çalışması, kaynaşım araştırmalarının başlaması temel olmuştu. Bethe de, TFTR ve MFTF kaynaşım reak törlerinin elektrik üreteçleri olarak başarılı olamayacakla“ na inanıyordu; fakat bu durum Bethe için önemli değildi O, daha çok, ilk bynaşım reaktörünün ana görevinin, dü yadaki, kurulmuş bulunan çekirdek reaktörleri için nüklee- yakıtlar üretmek olduğunu tartışıyordu.

Başka bir görüş ise, reaktör kullanım sanayisinden gel­di. San Francisco’daki Pasifik Gaz ve Elektrik kuruluşunda çalışan Clinton Ashworth, güç üreten ortaklıkların pahal dev kaynaşım fabrikalarını hemen kurmayıp, küçükten baş­lamak istediklerini söyledi.

Sanayi kesimi ile ilgili olarak, INESCO kaynaşım firma­sının başkanı olan Robert Bussord’ın yaklaşımı, Lidsky’nin düşüncesinin özünü yansıtıyordu. Bussord, MIT’nin Alcator C reaktörünü temel olarak alan ayrıntılı tasarımlar hazırla­yarak, kaynaşım reaktörlerinin küçük ve ucuz olabilecekleri­ni ve eskidiklerinde çabucak sökülüp dağıtılabileceklerini gös­termek istiyordu. Bu tasarımlara, Riggatron reaktörleri adı verilmiştir; bu ad, bu çalışmalara parasal katkı sağlayan Riggs National Bank of Washington adlı bankanın adından gelir.

Riggatron reaktörünün temelini, son derece toplu yapı­daki nükleer sistemlerin bulucusu olan Bussard’ın bilgileri oluş­turur. Böyle aygıtlardaki sorun, ortaya çıkan çok çok büyük ısının nasıl uzaklaştırılacağıdır, bu ise, 1950’ier boyunca Bus- sard’ın mesleki ürünü kazandığı alandır. Bussard’ın proble­me bakış açısındaki bu kayma, onun şaşırtıcı küçüklükte kay- naşım reaktörü tasarımları kurmasını sağlamıştır. Bu reak­törlerin en büyüğü, küçük bir arabadan daha büyük değildi; en küçüğü ise, bir masa büyüklüğündeydi. Gerçekleştirildik­lerinde, bunların her biri, birer aylık süreler için 2 milyon kilowattlik sürekli kaynaşım gücü sağlayabileceklerdir. Bu birer ayın sonunda^eskidikleri zaman, yenileri ile değiştirilecekler­dir. Oysa 1986’da TFTR ile, yüksek sıcaklık çalışmalarına geçilebilirse, bu reaktördeki iki – saniyelik patlamaların her birinde 30.000 kilowattlik güç üretilecektir.

1984’ün ortalarında, bu yaklaşımlardan hangisinin kay- naşım reaktörlerinin geleceğini çizeceği daha belli olmamış­tı. Haziran I984’de, kaynaşım enerjisinin 40-50 yıldan önce ticari amaçla kullanılma olanağı olmadığı anlaşıldığından, bu reaktörlere ayrılan ödeneklerde ek kısıntılar yapıldı.

Bugün, çekirdek kaynaşımı alanında çalışan topluluk, bu zor kazanılmış başarılarından kıvanç duyuyor. Oysa, bu ba­şarılar, deniz suyunu yakıt olarak kullanabilecek ticari amaç­lı güç fabrikalarının kapısını açmıyor; bunun yerine, bilim­sellikten uzaklaşan yeni tartışmaların çıkmasına neden oluyor.

Science Digest’den çev: Dr. Hanaslı GÜR

ya dayanıyordu. Bu kürecikler, bir laser veya benzer bir ay­gıttan şiddetli bir demet olarak gönderilebileceklerdi. Küre­nin dış tabakalarında oluşan bu anlık patlama ile, kürenin iç tabakaları ısınacak ve sıkışacaktı; böylece kürenin merke­zi, saniyenin trilyonda birine eşit bir sünede, bir yıldızın mer­kezindeki koşullara ulaşacaktı. 1984 Mayıs ayı ortalarında, Albuquerque’deki Sandia Ulusal Laboratuvarları bilimcileri, iyon demetlerini öyle keskin odaklamayı başardıklarını bildi­riyorlardı ki, bu demetler kaynaşım hedeflerine gönderilebi­leceklerdi. Ayrıca, MFTF’ye I km’den az uzaklıktaki öbür Livermore bilimcileri ise, 1985’in baharında EKK (eylemsiz- kapatım kaynaşımı) hedeflerine ilk atışları yapmak üzere, dün­yanın en güçlü laseri olan NOVA’yı hazırlıyorlardı.

Kaynaşım araştırmaları tam bu başarılan kazandıktan sı­rada, sanki alaycı bir düşünüşle, söz konusu araştırmaların geleceği en çarpıcı biçimde tartışılmağa başlandı. Paricer’in yakın çalışma arkadaşlanndan biri olan Lawrence Lidsky, ya­yınladığı bir yazısında karşıt düşüncelerini ileri sürdü: “Kay- naşım ortaya bir reaktör çıkardıysa bile, kimse bu reaktörü istemeyecektir. Pahalı kaynaşım reaktörü, Zeplin gibi, ses- üstü taşım aracı gibi, bolünüm üretken reaktör gibi, isten­mez ve kullanılmaz olacaktır, “biçiminde uyarmalarda bu­lundu. Lidsky’nin görüşüne göre, Princeton ve Livermore’- daki TFTR ve MFTF dev reaktörleri gibi tasanmlar ise, ticari kaynaşım gücü için temel olarak kullanılmak bakımından çok pahalı, karmaşık ve güvenilmez olacaklardı.

* Bir görüş de, Nobel ödülü sahibi Hans Bethe’den gel­di. Bethe’in, yıldızlardaki çekirdek tepkimeleriyle ilgili 1930’daki çalışması, kaynaşım araştırmalanmn başlaması için temel olmuştu. Bethe de, TFTR ve MFTF kaynaşım reak­törlerinin elektrik üreteçleri olarak başarılı olamayacakları­na inanıyordu; fakat bu durum Bethe için önemli değildi. O, daha çok, ilk kaynaşım reaktörünün ana görevinin, dün­yadaki, kurulmuş bulunan çekirdek reaktörleri için nükleer yakıtlar üretmek olduğunu tartışıyordu.

Başka bir görüş ise, reaktör kullanım sanayisinden gel­di. San Francisco’daki Pasifik Gaz ve Elektrik kuruluşunda çalışan Clinton Ashworth, güç üreten ortaklıkların pahalı dev kaynaşım fabrikalarını hemen kurmayıp, küçükten baş­lamak istediklerini söyledi.

Sanayi kesimi ile ilgili olarak, INESCO kaynaşım firma­sının başkanı olan Robert Bussord’ın yaklaşımı, Lidsky’nin düşüncesinin özünü yansıtıyordu. Bussord, MIT’nin Alcator C reaktörünü temel olarak alan ayrıntılı tasarımlar hazırla­yarak, kaynaşım reaktörlerinin küçük ve ucuz olabilecekleri­ni ve eskidiklerinde çabucak sökülüp dağıtılabileceklerini gös­termek istiyordu. Bu tasarımlara, Riggatron reaktörleri adı verilmiştir; bu ad, bu çalışmalara parasal katkı sağlayan Riggs National Bank of Washington adlı bankanın adından gelir.

Riggatron reaktörünün temelini, son derece toplu yapı­daki nükleer sistemlerin bulucusu olan Bussard’ın bilgileri oluş­turur. Böyle aygıtlardaki sorun, ortaya çıkan çok çok büyük ısının nasıl uzaklaştınlacağıdır, bu ise, 1950’ler boyunca Bus- sard’ın mesleki ürünü kazandığı alandır. Bussand’ın proble­me bakış açısındaki bu kayma, onun şaşırtıcı küçüklükte kay- naşım reaktörü tasarımları kurmasını sağlamıştır. Bu reak­törlerin en büyüğü, küçük bir arabadan daha büyük değildi; en küçüğü ise, bir masa büyüklüğündeydi. Gerçekleştirildik­lerinde, bunların her biri, birer aylık süreler için 2 milyon kilowattlik sürekli kaynaşım gücü sağlayabileceklerdir. Bu birer ayın sonunda^eskidikleri zaman, yenileri ile değiştirilecekler­dir. Oysa 1986’da TFTR ile, yüksek sıcaklık çalışmalarına geçilebilirse, bu reaktördeki iki – saniyelik patlamalann her birinde 30.000 kilowattlik güç üretilecektir.

1984’un ortalarında, bu yaklaşımlardan hangisinin kay- naşım reaktörlerinin geleceğini çizeceği daha belli olmamış­tı. Haziran 1984’de, kaynaşım enerjisinin 40-50 yıldan önce ticari amaçla kullanılma olanağı olmadığı anlaşıldığından, bu reaktörlere ayrılan ödeneklerde ek kısıntılar yapıldı.

Bugün, çekirdek kaynaşımı alanında çalışan topluluk, bu zor kazanılmış başarılarından kıvanç duyuyor. Oysa, bu ba- şanlar, deniz suyunu yakıt olarak kullanabilecek ticari amaç­lı güç fabrikalarının kapısını açmıyor, bunun yerine, bilim­sellikten uzaklaşan yeni tartışmalann çıkmasına neden oluyor.

Science Digest’den çev: Dr. Hanaslı GÜR