Enerjinin geleceğini birleştirmek

Görselin Sahibi: © NNASA/CXC/INAF/Argiroffi, C. ve ark./S. Wiessinger

Nükleer füzyon bir zamanlar birçok bilim yorumcusu tarafından fantezi fiziği olarak görülüyordu: “Otuz yıl ötede ve hep orada kalacak”[1] cümlesi bilindik bir ifadeydi. Ancak bir fantezi olmaktan çok uzak olan füzyon enerjisinin yakında gerçeğe dönüşebileceğine dair güçlü emareler var. Ve bu, dünyanın fosil yakıtlara olan bağımlılığını tamamen dönüştürmeye yardımcı olacak.

Bloomberg Intelligence’da “Nükleer füzyon pazarı 40 trilyon ABD Doları değerlemeye ulaşabilir”[2] ve Forbes’te “Nükleer füzyon yeni bir çağa giriyor”[3] gibi son günlerde gördüğümüz medya başlıkları, bu güç kaynağının günlük kullanım için nihayet uygulanabilir hale gelebileceğine dair artan bir heyecanı yansıtıyor. Peki, geleneksel görüşü gerçekten tamamen değiştiren şey ne oldu? Ve daha da önemlisi, iklim ve enerji krizinde füzyon enerjisi, küresel enerji karışımının kabul edilen bir parçası haline ne kadar kısa sürede gelebilir?

© Massachusetts Institute of Technology (MIT) ve MIT Plazma Bilimi ve Füzyon Merkezi’nin izniyle.

Faydalanılmayan bir potansiyel mi?

Füzyonun avantajları dikkate değer; ne yazık ki teknolojik engeller de öyle. Son yarım yüzyıldaki ilerleme yavaş olmasına rağmen cesaret vericiydi.

Birleşik Krallık, Oxfordshire’daki Culham Füzyon Enerji Merkezi tarafından işletilen Joint European Torus (JET) tesisindeki araştırmacılar, Şubat 2022’de 11 gün boyunca 60 watt’lık bir ampulü çalıştırmaya yetecek 59 megajül enerji üreterek nükleer füzyon için yeni bir rekor duyurdular. Üretilen enerji miktarı açısından oyunun kurallarını değiştirmesi neredeyse imkansız olan bu gelişme, sınırsız ve temiz enerjiyi gerçeğe dönüşmek için umut veren füzyon teknolojisinin harekete geçtiğinin bir işareti olarak karşılandı. Yine JET tarafından kırılan önceki rekor, 1997’de 25 yıl önce 22 megajül olarak duyurulmuştu.

Bu arada, Fransa’nın güneydoğusunda inşa edilen Uluslararası Termonükleer Deneysel Reaktörü (ITER), 11 yıldır yapım aşamasındadır ve maliyeti ilk 6 milyar ABD dolarlık bütçesinin on milyarlarca dolar üzerine çıkmıştır. Şu ana kadar 22 milyar ABD dolarını bulan inşa maliyeti, dünya nüfusunun üçte ikisini barındıran AB, ABD, Çin ve Rusya’nın da dahil olduğu hükümetler tarafından karşılanmaktadır[4].

Elbette, net sıfır hedefine ulaşmak için gerekli enerji geçişine halihazırda önemli bir katkıda bulunan fosil yakıt enerjisine bir kaç alternatif daha vardır. Bunlara örnek olarak konsantre güneş, güneş fotovoltaik enerjisi, açık deniz rüzgar çiftlikleri, biyokütle ve jeotermal sayılabilir. Ancak nükleer füzyonun potansiyel faydaları hala, Jeff Bezos[5] ve Bill Gates[6]’in yanı sıra Abdul Latif Jameel’in rüzgar enerjisi ve güneş enerjisi gibi sürdürülebilir enerji biçimlerine olan uzun süreli bağlılığının bir ifadesi olarak Jameel Ailesinin yatırım kolu JIMCO gibi kuruluşlardan yatırım çekmektedir.

Füzyon enerjisinin faydaları

Karbondioksit ve metan gibi sera gazlarını (GHG) da içeren karbon emisyonları, gezegendeki iklim değişikliğinin bilinen önemli bir itici gücüdür. Atmosferde ne kadar çok sera gazı varsa, iklim o kadar sıcak olur. Elimizden gelenin en iyisini yapmamıza rağmen durum daha da kötüleşiyor. 2021 yılında, her bir milyon başına küresel ortalama karbondioksit miktarı 414,72 parça ile yeni bir rekor kırdı[7].

Nükleer füzyonun güzelliği, karbon emisyonunun olmamasıdır. Ve nükleer fisyondan elde edilen daha bilindik enerjinin aksine, füzyon reaktörleri yüksek aktiviteli, uzun ömürlü nükleer atık üretmez. Tek radyoaktif aktivasyon, füzyon reaktörünün kendisinin gerçek bileşenleridir ve bu, 100 yıldan daha az bir zamanda geri dönüştürülecek veya yeniden kullanılacak malzemeler için yeterince düşüktür[8].

“Bölünebilir madde” olarak da adlandırılan uranyum veya plütonyum gibi nükleer fisyon yakıtlarının aksine, nükleer füzyonda kullanılan ham maddeler bol miktarda ve zararsızdır (ne bölünebilir, ne bölünmeye uygun ne de zenginleştirilmiştir); yani silahlanma teknolojilerinde kullanılma riski yoktur ve elde edilmesi önemli ölçüde daha kolaydır. Döteryum, sudan ekstrakte edilebilir; trityum, dünyanın kabuğunda ve deniz suyunda bol miktarda bulunan bir element olan lityum kullanılarak elektrik santralinin içinde üretilecektir.

Süreç de çok verimlidir; bir kilogram füzyon yakıtı, 10 milyon kilogram fosil yakıtla aynı miktarda enerji sağlayabilir. Bir Gigawatt kapasiteli füzyon enerji istasyonu, bir yıllık operasyonu sırasında bir tondan az yakıt tüketir. Tek bir gram yakıt, 90.000 kilowatt saat enerji sağlayabilir. Güvenlik de önemli bir husustur. Geleneksel nükleer fisyon gücünün geçmişi kazalar ve ucuz atlatılan olaylarla doludur. Yetkililer, önemli bileşenlerin yanlış ellere düşmesi ve nükleer silahlar geliştirmek için kullanılması riski konusunda endişelidir. Ancak füzyon enerjisinde durum farklıdır. Yukarıda belirtildiği gibi, kullanılan yakıt miktarları küçüktür – herhangi bir zamanda bir posta pulu ağırlığındadır – ve “bölünebilir” veya zenginleştirilmiş bir malzeme değildir; bu nedenle erime veya kaçak reaksiyonu olasılığı yoktur.

“İnsanlara nükleer fisyonun başlatılmasının kolay ve durdurulmasının zor olduğunu söylemekten hoşlanıyorum. Füzyon enerjisi ise tam tersi” diye açıklıyor sektördeki büyük oyunculardan biri olan Kanada’lı General Fusion[9]’un eski İcra Kurulu Başkanı Christofer Mowry.

Füzyon santrallerinin savunucuları, düşük maliyetle ve minimum riskle neredeyse sınırsız bir enerji kaynağı üretme potansiyeline sahip olduklarını söylüyor.[10] Bunlar gerçekten peşinden gitmeye değer avantajlar.

Füzyon ve Fisyon Karşılaştırması

Geleneksel nükleer enerji istasyonları, fisyona, yani ağır element atomlarının, genellikle uranyumun daha hafif atomlara bölünmesine dayanır. Ortaya çıkan enerji suyu kaynatarak buhar oluşturmak için kullanılır ve bu da elektrik üreten türbinleri döndürür.

Füzyon bunun tam tersidir. Daha ağır atomlar oluşturmak için daha hafif olanları birleştirerek (veya kaynaştırarak) ısı üretir. Füzyonun çok fazla enerji üretmesinin nedeni, yeni elementin onu oluşturan parçalarının toplamından çok daha hafif olmasıdır. Albert Einstein’ın herkesçe bilinen E = mc² formülüne göre bu küçük kayıp madde, enerjiye dönüştürülmektedir. Bu, Güneşin ve diğer yıldızların enerjisini üreten süreçle aynı süreçtir. Einstein formülünde “E” enerjiyi, “m” ise kütleyi ifade eder. Formülün sonundaki “c”, ışığın hızını ölçen sabit bir değer olan saniyede 300.000 kilometreyi ifade eder. Ardından bu değerin karesi alınarak bu maddeyi enerjiye dönüştüren ve olağanüstü güçlü bir reaksiyonla füzyonu oluşturan muazzam bir çarpan etkisi yaratılır[11].

Ancak bu basit bir süreç değildir. Füzyonun çalışması için atomların çarpışması gerekir. Sorunlardan biri, negatif yüklü bir elektron bulutu içindeki atomların pozitif yüklü çekirdeklerinin normalde birbirini itmesidir. Bu itme kuvvetini aşmak için atomların sınırlı bir alanda inanılmaz hızlı hareket etmesi gerekir. Güneşimiz ve diğer yıldızlar bunu yapabilirler, çünkü devasa kütleleri, atomların merkezlerine doğru hızla itilmelerini sağlayan kelimenin tam anlamıyla muazzam bir yer çekimi kuvveti üretir.

Yeryüzünde ise farklı bir yaklaşıma ihtiyacımız var. On yıllardır en iyi fizikçilerimiz ve mühendislerimiz bunun için uğraşıyor. Füzyon süreci laboratuvarlarda küçük ölçekte sergilenmiştir, ancak sürecin karmaşıklığı nedeniyle henüz tükettiğinden daha fazla enerji üretememiştir.

Reaksiyon için maddenin yüksek enerjili halinin yani plazmanın oluşturulması gerektirir. Bu, maddenin gaz benzeri iyonize bir halidir. Yüklü partiküllerden (pozitif çekirdekler ve negatif elektronlar) oluşan plazmalar, soluduğumuz havadan yaklaşık bir milyon kat daha az yoğun olan çok zayıf ortamlardır[12]. Plazma, 50 milyon santigrat derece gibi çok yüksek sıcaklıklar gerektirir ve yoğun basınç altında nükleusların kaynamasına izin verecek kadar uzun süre yoğun ve hapsedilmiş bir şekilde sabit tutulmalıdır.

Füzyona farklı yaklaşımlar

Füzyon enerjisinden yararlanabilmek için plazmanın kontrollü bir şekilde oluşturulması gerekir. Böylece ortaya çıkan enerji hasat edilebilir. Şu anda bazı farklılıkları olan iki temel yaklaşım vardır. Kaliforniya’da bulunan Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı’ndaki Ulusal Ateşleme Tesisi tarafından benimsenen yaklaşımda füzyon yakıtı hapsedilmekte ve lazer kullanarak sıkıştırılmaktadır. Buna atalet hapsi füzyonu (ICF) denir.

Diğer yaklaşım ise genellikle manyetik hapis füzyonu (MCF) olarak adlandırılır ve plazmayı yalıtmak ve sınırlamak için ‘şişe’ olarak adlandırılan manyetik bir alan oluşturan son derece güçlü mıknatıslar kullanır. Bu yaklaşımın merkezinde tokamak adı verilen, halka şeklinde bir MCF reaktörü türü yer alır. Bu, bir hidrojen plazmasını yüz milyonlarca santigrat dereceye ısıtmak ve ardından atomları birleşirken plazmayı sabit tutmak için yüksek yoğunluklu manyetik alanlar kullanır. Amaç, anlamlı miktarda birleşmenin gerçekleşmesi için plazmayı yeterince uzun bir süre birlikte tutmaktır. Mevcut rekor sadece altı dakikadır.

Bu yaklaşımların farklı bir türü, hem MCF hem de ICF özelliklerini birleştiren, ancak daha az mühendislik ve daha az kaynak gerektiren Mıknatıslı Hedef Füzyondur (MTF). Manyetik yaklaşımda olduğu gibi füzyon yakıtı, plazmaya ısıtılırken güçlü manyetik alanlar ile daha düşük yoğunlukta hapsedilir. Füzyon reaksiyonu, atalet yaklaşımında olduğu gibi yakıt yoğunluğunu ve sıcaklığını büyük ölçüde artırmak için hedefin hızla sıkılmasıyla başlatılır. Ortaya çıkan yoğunluk, “saf” ICF’ye göre daha düşüktür ve bazı bilim insanları, daha uzun süre hapsetme ve daha iyi ısı tutma sağlayan bu hibrit yaklaşımın nihayetinde MTF’yi mümkün kılacağını ve yapımının daha kolay olacağını düşünmektedir.

Tam teşekküllü bir ticari füzyon reaktörünün diğer elektrik biçimleriyle rekabet edebilecek kadar uygulanabilir olacağına inanıyoruz. Hedeflenen maliyet, kömürle aynı seviyedeki megawatt-saat başına 50 ABD dolarıdır. Diğer yenilenebilir enerji biçimleri daha ucuz olsa da o kadar güvenilir veya esnek değildirler.

Yarının enerjisine yatırım yapmak

Abdul Latif Jameel, sürdürülebilir enerjiye ve net sıfır hedefine ulaşmaya kararlı bir yatırımcı olarak Jameel Investment Management Company (JIMCO) aracılığıyla hızla gelişen füzyon enerjisi sektöründeki küresel öncülerden ikisine yatırım yapmayı seçmiştir: Commonwealth Fusion Systems (CFS) – desteklecileri arasında Jeff Bezos ve Bill Gates’in de bulunduğu Boston merkezli MIT Plasma Science and Fusion Center[13] ve yine Bezos tarafından desteklenen Kanada merkezli General Fusion.

JIMCO Teknoloji Fonu Aralık 2021’de, füzyon enerjisinin ticarileştirilmesini hızlandırmak için CFS’nin 1,8 milyar ABD doları tutarındaki Seri B fon turuna katıldı. Aynı ay, General Fusion’ın E Serisi finansman turuna 130 milyon ABD doları tutarında katılım sağladığını duyurdu.

General Fusion’un teknolojisi, MCF ve ICF arasında farklı bir konumdaki, yukarıda özetlenen MTF yaklaşımını kullanır. Bu proseste, reaktör daha sonra reaktörün çekirdeğine enjekte edilen kendi kendini stabilize eden plazma kabarmaları oluşturmak için güçlü elektrikli darbeler kullanarak manyetik hapsetme ihtiyacını ortadan kaldırır. Halka içindeki hava akımlarının kaybolmadan önce birkaç saniye şeklini koruduğu bir duman halkasına benzer[14]. Plazma kabarmaları sadece yaklaşık 20 milisaniye sürer, ancak bu süre sıkıştırılmaları için yeterince uzundur.

General Fusion’ın reaktörünün çekirdeği erimiş lityum ve kurşun ile kaplanacaktır. Bir plazma kabarması enjekte edildikten sonra, gaz tahrikli pistonların sıraları çekirdeği sıkıştıracak, şeklini silindirden küreye değiştirecek ve füzyon hızını önemli ölçüde artıracaktır.

Reaktörün sıvı metal ceketi sadece plazmayı sıkıştırmakla kalmaz, aynı zamanda reaksiyondan gelen enerjiyi de yakalar. Isınan metal, boru ile bir ısı eşanjörüne bağlanacak ve buhar oluşturmak için kullanılacak. Bu sırada, füzyon reaksiyonundan kaynaklanan nötronlar, lityumun bir kısmını nadir ve pahalı bir yakıt olan trityuma dönüştürecektir. Reaktör ayrıca çekirdek döngülerinin hızını değiştirerek güç çıkışını on kat artırabilir veya azaltabilir. Bu, elektrik talebi yüksek olduğunda üretimi artırarak ve düşük olduğunda azaltarak “yük takibine” izin vermelidir.

Ulusal Ateşleme Tesisinde kullanılanlarla benzer nitelikteki lazer sıkıştırma, saniyenin milyarda biri kadar sürer. Ancak Genel Füzyon reaktöründeki sıkıştırma, saniyenin binde biri kadar sürer ve bu da onu çok daha ucuz dijital elektronik ürünler yelpazesine taşır. Sonuç, bir MCF veya ICF makinesinden daha ucuz ve oluşturulması ve çalıştırılması daha basit bir reaktör olmalıdır.

General Fusion, on yıllardır Birleşik Krallık’ın füzyon araştırma merkezi olan Londra yakınlarındaki Culham’da 2025 yılında faaliyete geçmesi planlanan bir demo tesisi inşa ediyor. Şirket, ilk reaktörlerini 2030’ların başında piyasaya sürmeyi hedefliyor.

Tokamak ile uğraşmak

Boston merkezli Commonwealth Fusion Systems, tokamak teknolojisine dayanan farklı bir yaklaşımı benimsiyor. CFS’nin İcra Kurulu Başkanı ve Kurucu Ortağı Bob Mumgaard, şirketin altı yıl içinde çalışan bir reaktöre sahip olmayı hedeflediğini söylüyor.

Mumgaard, yakın tarihte Abdul Latif Jameel Perspectives makalesi için verdiği bir röportajda, şirketinin güçlü mıknatısları hiç olmadığı kadar küçük hale getirmek için nadir bulunan toprak elementlerinden biri olan baryum bakır oksitten yapılmış çığır açan yüksek sıcaklık süper iletkenlerini (HTS) nasıl kullandığını açıkladı.

Bu, reaktörde kullanılan tokamak cihazının da çok daha küçük olabileceği anlamına geliyor.

Fransa’daki ITER tesisinin alanının 1 kilometre uzunluğunda ve 400 metre genişliğinde olduğunu vurgulayarak, “Mevcut tokamak teknolojisi, füzyon ile net enerji elde edebilmek için manyetik alanın çok büyük olmasını gerektiriyor” dedi. “Bu HTS mıknatıslarını doğru konfigürasyonlarda geliştirerek füzyon sistemleri için ITER’den yaklaşık 40 kat daha küçük, oyunun kurallarını değiştiren tokamaklar yapabilir hale geldik.”

HTS mıknatıslarının gücü hakkında fikir vermek için mıknatısların gücü, manyetik alan gücünü ifade eden Tesla birimiyle ölçülür.[15] CFS’nin reaktörlerinde kullandığı mıknatıslar 20 Tesla’dır ve bu bir savaş gemisini kaldıracak kadar büyük bir güçtür. Mumgaard, “büyük bir manyetik şişe” olarak gördüğü tokamak’a 100 milyon derecelik plazma toplarının kontrol edildiği güçlü manyetik alanları olan “yıldızlı şeyler” diyor.

MIT ve CFS, Eylül 2021’de kavram kanıtını başarılı bir şekilde elde ettikten sonra Mumgaard’ın “net enerji üreten ilk füzyon makinesi” olarak adlandırdığı, yani tükettiğinden daha fazla enerji üretecek ilk füzyon tesisi olan 100 MW’lık bir enerji çıkışıyla, Mumgaard’a göre 10 kat daha fazla enerji üretecek bir yapı inşa ediyor[16]. SPARC adı verilen bu tesis, Devens, Massachusetts’te inşa edilmekte ve 2025 sonu itibarıyla faaliyette olması planlanmaktadır.

Özel sermayenin gücü

Füzyon teknolojisini ilerletmek için büyük yatırımlar gerekmektedir ve bu yatırımlar kendini çok uzun vadede amorti edecektir. Ancak Abdul Latif Jameel Başkan Vekili ve Yönetim Kurulu Başkan Yardımcısı Fady Jameel, özel yatırımcıların füzyon enerjisinin uzun vadeli başarısı için hayati önemde olduğuna inanmaktadır

“Özel sermayenin ve aile işletmelerinin sabırlı olmak gibi bir avantajı var. Üç ila beş yıl içinde hemen getiri elde etmek isteyen çok sayıda hissedarları olmadığı için uzun vadede yatırım yapmaları mümkün olabiliyor” diyor ve devam ediyor: “Bu nedenle, iş sürekliliğinin bir parçası ve gelecek nesillere karşı bir sorumluluk olarak bu tür çığır açıcı gelecek teknolojilerine yatırım yapma konusunda benzersiz bir fırsata, belki de sorumluluğa sahip olduklarına inanıyorum.”

Abdul Latif Jameel, sürdürülebilir enerji teknolojilerine yatırım yapma konusunda köklü bir geçmişe sahiptir. Ayrıca, su altyapısı ve hizmetlerinin geliştirilmesi ve yönetiminde öncü bir şirket olan Almar Water Solutions ve Fotowatio Renewable Ventures (FRV) gibi yenilenebilir teknolojiler sektöründeki işletmelerin her ikisi de Abdul Latif Jameel Energy’nin bir parçasıdır. FRV, Avustralya’daki dokuz güneş çiftliğinden Britanya’nın enerji şebekesinin karbondan arındırılmasına katkıda bulunacak Birleşik Krallık’ın en büyük akü depolama geliştirme projesi olan Clay Tye’a kadar sürdürülebilir enerji geliştiren bir dizi projeye imza atmıştır.

Bolca getiri

Büyük ölçüde devlet desteğinden ziyade özel sermaye tarafından yönlendirilen füzyon enerjisine yapılan rekor düzeylerde yatırımla ilgili bir soru var: Buna değer mi?

Bloomberg Intelligence[17], ticari olarak uygulanabilir bir reaktör geliştirme başarısının o kadar yakın olduğuna inanmaktadır ki buna verilecek yanıt ‘denemeye değer’ olacaktır. Bu konuyla ilgili makalesinde, ticari olarak uygulanabilir füzyon enerjisinin “modern ilerlemelerin Richter ölçeğinde” bir başarısı olacağını ifade ediyor. Füzyon enerjisinin sonuçları çok daha büyük olsa da böylesine bir etkinin en yakın rakibinin motor üreticisi Tesla’nın olduğuna inanmaktadır.

Füzyon teknolojisinin, dünyanın enerji gigawatt üretiminin %1’ini karşılayabileceğini varsayarsak bu, 40 trilyon ABD doları değerinde bir değerleme anlamına gelecektir, diye ekliyor. Bunun da ötesinde füzyon enerjisi bu süreçte enerji piyasasında dikkatleri üzerine çekiyor ve mümkün olduğunu düşündüğümüz şeyi dönüştürme sürecindedir. Herkes için sınırsız, temiz, yenilenebilir ve uygun fiyatlı enerji.

Kesinlikle yatırım yapmaya değer bir gelecek değil mi?

[1] https://www.economist.com/science-and-technology/2021/06/24/the-race-to-build-a-commercial-fusion-reactor-hots-up

[2] https://www.bloomberg.com/professional/blog/nuclear-fusion-market-could-achieve-a-40-trillion-valuation/

[3] https://www.forbes.com/sites/christopherhelman/2022/01/02/fueled-by-billionaire-dollars-nuclear-fusion-enters-a-new-age/

[4] https://www.sciencefocus.com/future-technology/fusion-power-future/

[5] https://www.cnbc.com/2019/03/06/bezos-microsoft-bet-on-a-10-trillion-energy-fix-for-the-planet.html

[6] https://www.nasdaq.com/articles/bill-gates-and-big-oil-are-chasing-the-nuclear-fusion-dream-2020-06-03

[7] https://www.climate.gov/news-features/understanding-climate/climate-change-atmospheric-carbon-dioxide

[8] https://www.iter.org/sci/Fusion

[9] https://www.economist.com/science-and-technology/2021/06/24/the-race-to-build-a-commercial-fusion-reactor-hots-up

[10] https://ccfe.ukaea.uk/fusion-energy/fusion-in-brief/

[11] https://www.vox.com/22801265/fusion-energy-electricity-power-climate-change-research-iter

[12] https://www.iter.org/sci/MakingitWork

[13] https://www.economist.com/the-economist-explains/2022/02/09/what-is-nuclear-fusion

[14] https://www.economist.com/science-and-technology/2021/06/24/the-race-to-build-a-commercial-fusion-reactor-hots-up

[15] Tesla (T), Uluslararası Birimler Sistemindeki manyetik B alanı gücünden türetilmiş bir ölçü birimidir. Bir tesla, metrekare başına bir weber’e eşittir. 1 T, Uluslararası Birimler Sistemindeki şu temel birimlere eşittir: 1 kg⋅s−2⋅A−1 Sembol: T Türetme: 1 T = 1 Wb/m2

[16] https://www.nature.com/immersive/d41586-021-03401-w/index.html

[17] https://www.bloomberg.com/professional/blog/nuclear-fusion-market-could-achieve-a-40-trillion-valuation/