BJames Watt’ın ilk ticari buhar makinesi Mart 1776’da Batı Midlands’daki Tipton’daki Bloomfield Kömür Madeni’ne kurulduğunda, mekanik bir harikası olarak selamlandı. Yine de çok az kişi buhar makinelerinin dünyayı bu şekilde değiştireceğini tahmin edebilirdi.
Başlangıçta madenlerden su pompalamak için geliştirilen teknoloji, o kadar çok endüstri ve uygulamaya uyarlandı ki Sanayi Devrimi’ni ateşledi. Şimdi, füzyon enerjisi santrallerinin geliştirilmesi üzerinde çalışanlara göre, benzer bir dönüşümün eşiğindeyiz. Birmingham’daki TAE Power Solutions’ın baş strateji sorumlusu Lu-Fong Chua, “Bu çabanın tamamının Watt ile aynı ruhta genel amaçlı bir teknolojinin özelliklerine sahip olduğunu düşünüyorum” diyor.
Füzyon, yıldızların parlamasını sağlayan enerji üreten mekanizmadır. Klişe, Dünya’da insan yapımı füzyonun her zaman “30 yıl uzakta” olduğudur. Ancak bunu başarabilirsek, fosil yakıtları geride bırakabileceğimiz kadar temiz enerji vaat ediyor.
Büyük, devlet destekli çabalar ve giderek artan bir şekilde özel girişimler, sektördeki birçok kişinin artık uygulanabilir füzyon enerjisine yol açacağını düşündüğü çığır açıcı gelişmeler bildiriyor. İngiltere hükümeti iyimserliklerini vurgulayarak, 2022’de Enerji Üretimi için Küresel Tokamak’ın yerini duyurdu (ADIM) projesi, Nottinghamshire’daki West Burton’da. Bu gösteri tesisi, 2040’lara kadar ulusal şebekeye elektrik sağlamayı hedefliyor. Ve bu tür füzyon santrallerini geliştirirken, enerji üretiminin çok ötesine geçebilen yeni teknolojiler ve çözümler yaratıyoruz.
Örneğin, TAE Güç Çözümleri 1998’de ticari füzyon gücü geliştirmek için kurulan Amerikan TAE Technologies’in bir yan kuruluşudur. Sadece 2 megawatt sağlayabilen ticari bir elektrik şebekesinden 750 megawatt (deneysel reaktörlerini hayata geçirmek için gereken güç) toplama ve depolama yolunu icat etmekle yükümlü olan firma, şimdi atılımlarını yeni nesil elektrikli araçlar için daha verimli piller sağlamak üzere uyarlıyor.
Chua, “Biz bunları yan projeler olarak görmüyoruz; enerji üretiminin ötesindeki sorunlar ve zorluklar için kendi başlarına çok yüksek içsel değere sahip mutlu yan ürünler olarak görüyoruz” diyor.
Birleşik Krallık’ta Atom Enerjisi Kurumu (UKAEA), Füzyon Kümesi Oxfordshire’daki Culham’da füzyon endüstrisinin büyümesini teşvik etmek için.
2021’deki kuruluşundan bu yana küme, bir avuç şirketten 200’den fazla şirkete büyüdü. Ana hedef, 2040’lara kadar Birleşik Krallık’ta ticari bir füzyon santrali inşa etmek için gerekli becerilerin ve teknolojinin geliştirilmesi olmaya devam ederken, yan kuruluşların ticarileştirilmesi de yüksek bir önceliktir.
Merkezin geliştirme müdürü Valerie Jamieson, “Füzyon Kümesi’nin üstlendiği rollerden biri, insanlara yalnızca füzyonun gelmekte olduğunu değil, ilk füzyon santrallerine sahip olmamızdan yıllar önce bile bunun değerli olduğunu anlatmaktır, çünkü bu olanak sağlayan teknolojiler ortaya çıkıyor” diyor.
Bu, yatırımı teşvik eden bir mesaj, zira kurucusu ve CEO’su Greg Piefer şöyle diyor: Parlayan Teknolojiler2000’lerin başında ticari füzyon gücü geliştirmenin uzun ve maliyetli bir yol olacağını gördüğünde farkına vardı. Bu, geliştirilen teknolojilerin yol boyunca kâr için nasıl kullanılabileceğini düşünmesine yol açtı, böylece yatırımcılar paralarının daha hızlı bir şekilde geri dönüşünü görebileceklerdi. “Füzyonun ticarileştirilmesi misyonu için bu çok önemli,” diyor.
Şu anda füzyon yan ürün teknolojisinin önemli rol oynadığı dört temel alan bulunmaktadır.
Tahrik
Bir füzyon reaktörünün yapması gereken görünüşte imkansız şeylerden biri, bir gazı yaklaşık 100m santigrat derecede tutmaktır – herhangi bir malzemeyi eritmeye yetecek kadar sıcak. Neyse ki, o sıcaklıkta gaz elektriksel olarak yüklenir ve böylece manyetik alanlar tarafından kontrol edilebilir.
Alanın gücü reaktörün boyutunu ve dolayısıyla inşa etmenin ne kadar maliyet etkin olduğunu belirler. Bu nedenle, yüksek verimli mıknatıslar oluşturmak temel bir hedef olmuştur Tokamak EnerjiFusion Cluster’ın bir parçası ve merkezi Oxfordshire, Milton Park’ta bulunuyor. 2023’te, mevcut teknolojilerden 10 veya hatta 20 kat daha güçlü kararlı manyetik alanlar sağlayan yeni nesil yüksek sıcaklık süperiletken mıknatısların yaratıldığını duyurdular. Tokamak’ın CEO’su Warrick Matthews, bu tür mıknatısların yalnızca uygulanabilir bir füzyon makinesine giden yolu açmakla kalmayıp, “(mevcut) pazarları dönüştürebileceğini ve yeni pazarlar yaratabileceğini” söylüyor.
Bu alanlardan biri de manyetohidrodinamik (MHD) sürücülerin yaratılmasıdır. Teorisyenler tarafından 1950’lerden beri bilinen MHD sürücüleri, bir aracı iten elektrik yüklü bir sıvı jetleri oluşturmak için manyetik alanlar kullanır. Güzelliği, hareketli parçalarının olmaması, dolayısıyla aşınma ve yıpranma yaşamamalarıdır.
Deniz uygulamaları özellikle çekicidir çünkü deniz suyu tatlı sudan çok daha iyi elektrik iletir. Motorlar sessiz olduğundan, deniz ortamlarını etkileyen zararlı gürültü kirliliğinde büyük bir azalma vaat ederler. 1990’larda Mitsubishi, dünyanın ilk prototip MHD gemisi olan Yamato 1’i inşa etti, ancak azami hızının sadece 15 km/s (8 knot’un biraz üzerinde) olduğu ortaya çıkınca program terk edildi.
Tokamak Energy’nin mıknatısları çok daha yüksek manyetik alanlar ve dolayısıyla daha fazla itme sağlayarak oyunun kurallarını değiştirmelidir. Şirket şu anda konsepti bir gösteri cihazıyla kanıtlamak için ABD Savunma İleri Araştırma Projeleri Ajansı (Darpa) ile iş birliği yapmaktadır.
Tıbbi uygulamalar
Bir füzyon makinesinin enerji üretmek için kullanabileceği birkaç olası reaksiyon vardır. 1998’de TAE, bor atomlarının protonlarla füzyonunu takip etmeyi seçti ve bu, kanser tedavisine yönelik eski bir araştırma programına gözlerini açtı. 1930’lardaki atom öncüleri, borun nötron parçacıklarıyla reaksiyona girerek lityum ve helyuma ayrılmak için güçlü bir yakınlığa sahip olduğunu gösterdi. 1936’da, Pennsylvania’daki Franklin Enstitüsü’nden Gordon Locher, reaksiyonun kanserli hücreleri yok etme potansiyeline dikkat çekti. Lityum ve helyum geri teptikçe, enerjilerini tipik bir kanser hücresinin boyutu olan yaklaşık 5-9 mikrometrelik bir aralıkta biriktirirler. Bu ani enerji salınımı hücreyi yok eder.
Bor, hastaya ilaçlarla sokulabilse de, 20. yüzyılın ortalarında uygun bir nötron kaynağı bulmak büyük bir sorundu. Tarihsel olarak, hastanın bir nükleer reaktöre götürülmesi ve çekirdeğinden gelen nötronlara maruz bırakılması gerekiyordu. Pek de ideal değildi. Şimdi, sorun neredeyse çözüldü. TAE’nin füzyon programındaki önemli bir yenilik, sıkı odaklanmış nötron ışınları üretmek için kullanılabilen kompakt parçacık hızlandırıcılarının yaratılmasıydı. Füzyonda reaktörleri beslemek için kullanılırlar.
“Bu ışınları alıp tıbbi amaçlar için yeniden yapılandırabiliyoruz” diyor Rob Hill, CEO TAE Yaşam Bilimleri.
bülten sonrası tanıtım
Şirket şu anda deneysel aparatlar kurmak için Birmingham üniversite hastaneleri ve Londra Üniversitesi Koleji hastanesi ile görüşmelerde bulunmaktadır. Bu arada Shine Technologies, tıbbi açıdan yararlı bir izotop olan lutesyum-177’yi Wisconsin’deki Janesville ve Hollanda’daki Veendam tesislerinde üretmektedir.
Lutesyum ayrıca kanser hücrelerine bağlanan bir ilaçla benzer şekilde kansere hedef almak için kullanılır. Bordan farklı olarak, onu aktive etmek için nötronlara ihtiyaç duymaz. Bunun yerine radyoaktiftir ve yaklaşık altı buçuk günlük bir yarı ömürle bozunur ve kanser hücresini parçalayan yüksek enerjili bir elektron yayar. Ayrıca bir gama ışını yayarak kanserin ilerlemesini ve tedavinin etkinliğini izleyebilen bir tıbbi görüntüleme cihazı olasılığını açar.
Ancak yarı ömrün bu kadar kısa olması, izotopun doğada bulunmadığı ve dolayısıyla füzyon teknolojisi kullanılarak oluşturulması gerektiği anlamına geliyor.
Endüstriyel görüntüleme
Füzyonun tutuşturulmasının bir yöntemi, lazerleri kullanarak bir hidrojen yakıtı peletini sıkıştırıp ısıtmaktır. 2000’li yılların başında Kaliforniya’daki Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı’nda bunu yapmak için gereken lazerleri araştırırken, fizikçi Markus Roth ve meslektaşları, hedefi ince bir folyo malzemesine çevirirlerse, folyodan parçacıkları muazzam hızlara çıkarabileceklerini keşfettiler.
2021 yılında Roth kuruldu Odaklanmış Enerji Almanya’nın Darmstadt kentinde, mevcut teknolojilerin yoğunluğunun 100 katı bir nötron ışınını hızlandırabilen bir lazer sistemi geliştirmek için. Nötronlar görüntüleme için X-ışınları gibi kullanılabilir ancak daha nüfuz edicidir, yani daha yoğun malzemelerin içini görebilirler ve Roth şu anda beton binalar ve köprülerin içindeki çeliği korozyon belirtileri açısından incelemek için sistemi konuşlandırmak üzere inşaat mühendisliği firmalarıyla görüşüyor. Aynı teknik, müon adı verilen parçacıklar da üretebilir ve daha büyük görüntüleme projelerinin önünü açabilir.
Müonlar, güneşten gelen parçacıkların Dünya’nın üst atmosferindeki atomlara çarpmasıyla doğal olarak oluşur. Muazzam bir nüfuz gücüne sahiptirler ve 2011’den sonra kullanılmaya başlandılar. Fukuşima Erimiş reaktör çekirdeğini bulmak için nükleer kaza. Benzer bir dedektör seti, 2017’de Mısır’ın Giza’daki büyük piramidinde daha önce gizli bir odayı ortaya çıkardı. Jeologlar, patlamalardan önce volkanlardaki magmanın hareketini araştırmak için müonları kullandılar.
Olumsuz tarafı, doğal olarak oluşan müonların miktarının nispeten düşük olmasıdır. Elinizi güneşe doğru tutun ve her saniye avucunuzdan sadece bir müon geçecektir. Sonuç olarak, Fukushima çekirdeğini görüntülemek beş ay sürdü.
Roth’un lazer yöntemi, müon sayısını 10.000 katına kadar artırabilir ve görüntüleme sürecini muazzam bir şekilde hızlandırabilir; ancak volkanları inceleyebilecek kadar büyük sistemlerin geliştirilmesi şu anda gelecekte bir yerde duruyor.
Nükleer atık yönetimi
Şu anda Focused Energy’nin en büyük yan projesi, nükleer atık konteynerlerinin incelenmesi için ilk lazerle çalışan nötron kaynağının inşası için Alman hükümetiyle yapılan sözleşmedir.
2023’te son kalan nükleer santrallerini kapatan Almanya, şimdi onlarca yıldır biriken atıklarla uğraşmak zorunda. Focused Energy’nin görüntüleme sistemi, varillerin içeriğini ve atıkların hangi durumda olduğunu belirleyecek, böylece güvenli ve nihai olarak depolanabilecekler.
Atlantik’in diğer tarafında, Shine bunu bir adım öteye taşımayı planlıyor. Atığı görüntülemek için nötron kullanmak yerine, nötron ışını daha yoğun hale getirilebilirse, atığı daha az zararlı maddelere dönüştürebilir. Örneğin, geleneksel nükleer reaktörler enerji üretmek için uranyum-235 veya plütonyum-239’u böler. Atık ürün, yarı ömrü 15 milyon yıldan fazla olan iyot-129’dur. Ancak, yüksek yoğunluklu bir nötron ışınıyla bombardıman edilebilseydi, yarı ömrü sadece 25 dakika olan iyot-128’e dönüştürülebilirdi.
Piefer, “10 milyon yıllık bu problemden bir günde kurtulabilirsiniz” diyor.
Bunu yapmak için gerekli olan nötron türünün birçok füzyon santralinde bol miktarda üretileceği ortaya çıktı. Yani geleceğin reaktörleri yalnızca dünyanın enerji sorunlarını çözmekle kalmayacak, aynı zamanda ilk nükleer reaktörlerin kirli mirasını temizlemeye yardımcı olmak için de kullanılabilecek.
Roth, “Füzyonun, nihayetinde buhar makinesine benzer bir oyun değiştirici olacağına inanıyorum” diyor. “Toplumumuzda daha önce mümkün olmayan birçok şeyi yapabileceğiz ve bu, Sanayi Devrimi’nden kalan karmaşanın çoğunu temizlemekle başlayacak.”
