Füzyon Tepkimeleri

Füzyon, Nükleer kaynaşma (füzyon), fizyonun (nükleer parçalanma) tersine, farklı iki element çekirdeğinin birleşerek daha ağır bir element atom çekirdeği oluşturmasıdır. Çekirdek Tepkimesi olarak da bilinen bu tepkimenin sonucunda çok büyük miktarda enerji açığa çıkar.

Füzyon tepkimeleri Güneş'te her an doğal olarak gerçekleşmektedir. Güneş'ten gelen ısı ve ışık, hidrojen çekirdeklerinin birleşerek helyuma dönüşmesi ve bu dönüşüm sırasında kütle kaybı karşılığı enerjinin ortaya çıkması sayesinde meydana gelmektedir. Kütle kaybının karşılığı enerjinin büyüklüğü Einstein'in ünlü E = mc² formülüyle rahatlıkla hesaplanabilir.

Füzyonun Enerji Kaynağı Olarak Yararlanılması
Füzyon sonucunda açığa çıkan Bağlanma Enerjisi'ni kullanmaktır. Ama bunu denetim altında oluşturmak oldukça zor bir iştir. Çünkü çekirdekler pozitif elektrik yükü taşır ve birbirlerine yaklaştırmak istenildiğinde çok şiddetli bir şekilde birbirlerini iterler. Bunların kaynaşmasını sağlamak için aralarındaki itme kuvvetini yenebilecek büyüklükte bir kuvvetin kullanılması gerekmektedir. Gereken bu kinetik enerji, 20-30 milyon derecelik bir sıcaklığa eşdeğerdir. Bu olağanüstü bir sıcaklıktır ve kaynaşma tepkimesine girecek maddeyi taşıyacak hiçbir katı malzeme bu sıcaklığa dayanamaz.


Füzyon Reaksiyonları
Bir füzyon reaksiyonundan öngörülen enerjinin elde edilmesi için:


Reaksiyon düşük sıcaklıkta oluşmalıdır.

Yüksek enerji açığa çıkmalı.

Büyük bir tesir kesitine sahip olmalıdır.

Tepkimeye girecek olan maddeler kolayca bulunabilmelidir.

Plazmanın yeniden ısıtılması için yüklü parçacıklar elde edilmeli.

Farklı etkileşmeleri önlemek için enerjisi yüksek olan nötronlar açığa çıkmamalıdır.


D-T Reaksiyonu
Döteryum bir proton ve bir nötrondan oluşan hidrojen çekirdeğinin bir izotopudur. Bilindiği gibi izotop proton sayısı aynı nötron sayısı farklı olan atom çekirdekleri için kullanılan bir tanımdır. Simgesel olarak 12H şeklinde gösterilir.

Trityum bir proton ve iki nötrondan oluşan Hidrojen çekirdeğinin bir diğer izotopudur. Simgesel olarak 13H şeklinde gösterilir. Döteryum- Trityum füzyon tepkimesi aşağıdaki şekilde meydana gelir.

Trityum füzyon tepkimesinin özellikleri:


Büyük tesir kesitine sahiptir

Gerekli olan sıcaklık 4.4 keV 'dir. 1 eV yaklaşık olarak 11600 K 'dir. Yaklaşık olarak bu sıcaklık değeri 51040000 K lik bir sıcaklık demektir.

Ortaya çıkan enerji 17.6 MeV gibi yüksek bir enerjidir.

3.5 MeV lik enerjiye sahip olan Helyum çekirdeği başka bir deyişle alfa parçacığı plazmanın yeniden ısıtılması için kullanılır.


D-T reaksiyonunun gerçekleştirilmesinde aşağıdaki problemlerle karşılaşılır:

Trityum kolayca bulunan bir yakıt değildir. Oldukça ender bulunan Lityum çekirdeği izotoplarından aşağıdaki reaksiyonlar sonucu elde edilir.

Bu tepkimeler füzyon reaktörünü çevreleyen bir lityum tabakası ile nötronların etkileşmesi sonucu elde edilir ve ürünler direk olarak tepkimeye sokulabilir.

D-T reaksiyonu sonucu açığa çıkan enerjisi yüksek olan nötronların rekatör ile etkileşmeye girerek reaktöre zarar vermesi maliyetin artmasına neden olur.


D-D Reaksiyonu
İki döteryum çekirdeğinin direk olarak reaksiyona girmesiyle meydana gelen füzyon reaksiyonudur. Ve aşağıda gösterildiği şekilde meydana gelir.

D-T reaksiyonundan daha düţük bir tesir kesiti yani reaksiyon oranına sahiptir. Ve dolaylı olarak bu olumsuz bir durumdur.

48 keV gibi yüksek bir sıcaklıkta meydana gelir.

Füzyon reaksiyonu başına açığa çıkan enerji yaklaşık olarak 4 MeV kadardır.

Yakıt deniz suyundan kolayca elde edilebilir.


D-D ve D-T füzyon reaksiyonlarının kıyaslanması

D-T reaksiyonunun tesir kesiti D-D reaksiyonuna kıyasla daha büyüktür.

D-T reaksiyonu daha düşük sıcaklıkta meydana gelir.

Ticari olarak düşünülen füzyon tepkimesi maliyeti düşük olduğundan D-D reaksiyonudur.

Lawson Kriteri
Plazmanın dağılmadan hapsedilmesi için gerekli zamanın ve plazma yoğunluğunun ilişkisini tanımlar.


Plazmanın dağılmaması için "Dışarı Çıkan Güç=İçeri Giren Güç" olmalıdır.

D-T plazması için: nd döteryum iyonları yoğunluğu ve nt trityum iyonları yoğunluğu toplamının ne elektron yoğunluğu toplamına eşit olması gerekir. nD+nT=ne ve nT=nD olmalıdır. Bu son eşitlik plazmanın toplam elektriksel yük açısından nötr olması gerekliliğinden sağlanması gerekir.

Plazma içinde üretilen güce karşı resaksiyonu başlatmak için plazmayı ısıtmakta kullanılan güç dengeli olmalıdır.
Plazma içindeki reaksiyon oranı G =nD+nT<s V> ile tanımlanır.

Eğer her füzyonda E kadarlık enerji üretilirse plazma içinde üretilen füzyon gücü;

Pfüzyon=(n/2)(n/2)s VE=(n2/4)s E j/s/cm3 olmalıdır bu plazma içinden dışarı çıkan güçtür.

Eğer plazma bir T sıcaklığına sahipse toplam enerjisi Etermal=(ne+nD+nL)(3/2)kT=3nkT dir.

Plazma enerjisinde bir t hapsetme süresi boyunca düzenli oranda kaybedilen enerji Pkayıp=(3nkT)/t j/s/cm³'tür.

Bu durumda içeri giren güç ve dışarı çıkan güç için sahip olunan ifadeler: Pfüzyon>Pkayıp ise nt >(12 kT)/ (sVE)

Bu eşitsizlik Lawson Kriteri olarak anılır. Bu ifade plazmanın dağılması için gereken hapsedilme süresini ve hapsedilmesi gereken parçacık sayı yoğunluğunu verir.

D-T reaksiyonu için nt > 3.1020 sn/cm³ dür.

D-D reaksiyonu için bu değer nt > 1022 sn/cm³ mertebesindedir.