MIT (Massachusetts Institute of Technology) araştırmacıları füzyon reaktöründe kullanılması için daha dayanıklı yapısal malzemeler geliştirdi.
Füzyon reaktörleri artık daha dayanıklı
MIT tarafından 7 Ağustos 2024’te yayınlanan makaleye göre, Malzeme Bilimi ve Mühendisliği profesörü Ju Li liderliğinde, MIT Energy Initiative laboratuvarlarında yürütülen çalışmalarda, nükleer füzyon reaktörlerinin en büyük sorunlarından biri olan, enerji üreten soğutucudan plazmayı ayırma esnasında malzemelerin zarar görmesi için bir çözüm geliştirildi.
Çalışmada, plazmayı soğutucudan ayırmakla görevli vakum aletinin yapısal bileşenine demir silikat eklendiğinde, tane sınırlarına (grain boundary) gömülerek yüzeyin çatlamasına neden olan helyum atomlarının kabın her yerine eşit şekilde gömüleceği ve malzemede bozulmanın engellenebileceği keşfedildi.
Nükleer füzyon ve helyum
Nükleer füzyon, iki hafif atom çekirdeğinin bir araya gelerek daha ağır bir çekirdek oluşturması ve bu süreçte çok yüksek miktarda enerji açığa çıkarması olarak özetlenebilir. Bu olay, yıldızların temel enerji üretim şekli olarak da bilinir.
Füzyon reaktörleri de tıpkı Güneş’te olduğu gibi hafif atom çekirdeklerini birleştirerek enerji açığa çıkartır. Elde edilen enerjinin yan ürününün su olması füzyonla enerji üretimini temiz bir alternatif haline getirir.
Füzyon reaksiyonunu başlatmak için atomların elektronlarının serbest hale geldiği ve maddenin dördüncü hali olarak da adlandırılan plazma ortamına ihtiyaç duyulur. Plazma, elektriksel olarak iletken ve manyetik alanlara duyarlı bir haldir. Füzyon reaksiyonunun devamlılığı plazmadaki enerji, ısı gibi değişkenlerin sürekliliğine ihtiyaç duyar. Bu nedenle, plazmanın sıcaklığı ve yoğunluğu sürekli olarak kontrol altında tutulur. Reaktörün iç yüzeylerinde aşırı sıcaklık ve radyasyona dayanabilecek özel malzemeler kullanılır.
Bilinen en yaygın füzyon reaksiyonlarından biri, hidrojenin iki izotopu olan döteryum (D) ve trityum (T) arasındaki birleşmedir. Bu reaksiyon sonucunda bir helyum çekirdeği (alfa parçacığı) ve bir nötron oluşur.
Füzyon reaksiyonları sırasında üretilen helyum, reaktörün soğutma sistemlerinde birikerek verimliliği düşürebilir. Bu birikim, ısı transferini engelleyebilir ve ekipmanların aşırı ısınmasına neden olabilir. Helyum atomları, bazı metallerde çözünebilir ve bu metallerin özelliklerini değiştirebilir. Özellikle, reaktörün iç yüzeylerinde kullanılan malzemelerin yapısal bütünlüğünü bozabilir ve bu da reaktörün ömrünü kısaltabilir.
Helyum sorununun çözümü
Helyumun bazı metallerde çözünmesi ve bu metallerin yapısını bozması nedeniyle, nükleer reaktörün kullanım ömrünü yüzde 90 azaltıyor. Füzyon reaktörlerinin bu en önemli sorunlarından olan Helyum aşınması için MIT’ın araştırması bir çözüm olabilir.
MIT ekibinin geliştirdiği yöntem ortaya çıkan helyumun bir anlamda dikkatini dağıtmak gibi düşünülebilir. Helyumun yapısını bozduğu metaller, atomların düzenli bir şekilde sıralandığı tanelerden (grains) oluşur. Tanelerin bir araya geldiği yerlerde atomların farklı sıralandığı boşluklar oluşur. Bu boşluklar düşük de olsa helyum gömme enerjisine (embedding energy) sahiptir. Ortaya çıkan helyum bu boşluklarda toplanır ve diğer atomlara karşı itici bir etkileşime girer. Yani kısacası, helyum atomları tane sınırını (bir katıda farklı kristal oryantasyonlarına sahip iki tane arasındaki arayüzeydir) iter ve zamanla yüzeyi çatlatır. Düşük helyum gömme enerjisine sahip malzemeler eklenerek bu sorun çözülebilir.
Bu araştırmayla nükleer füzyon reaktörleri ile ilgili en büyük sorunlardan biri ortadan kalkabilir.
Nükleer füzyon, temiz ve neredeyse sınırsız bir enerji kaynağı olarak büyük umutlar vaad ediyor ve henüz tam olarak geliştirilmiş olmamasına rağmen her geçen gün geliştiriliyor. Bu teknoloji, fosil yakıtların neden olduğu çevresel sorunlara bir alternatif olarak gösteriliyor. Füzyon reaktörleri, sera gazı emisyonu yapmadan ve radyoaktif atık miktarını minimuma indirerek enerji üretimi sağlayabilir. Bu sayede iklim değişikliğiyle mücadelede önemli bir rol oynayabilir ve gelecek nesillere daha temiz bir dünya bırakmamıza yardımcı olabilir.
