FÜZYON

Füzyon (Çekirdek Birleşmesi): Hafif radyoaktif atom çekirdeklerinin birleşerek daha ağır atom çekirdeklerini meydana getirmesi olayıdır. Füzyon tepkimesinde ortaya çıkan sıcaklık çok daha büyüktür. Güneşteki tepkimeler bu gruba girer.

• Faydalı füzyon reaksiyonları

  - D-T (döteryum-trityum) füzyon reaksiyonu

  - D-D (döteryum-döteryum) füzyon reaksiyonu

• on için sağlanması gereken şartlar

  - Sıcaklık

  - Hapsetme

  - Lawson Kriteri

• Plazmanın Hapsedilmesi Metotları
• Magnetik Hapsetme
• Eylemsiz Hapsetme

Füzyon Tepkimeleri / Reaksiyonları

Bir füzyon reaksiyonundan öngörülen enerjinin elde edilmesi için

• reaksiyon düşük sıcaklıkta oluşmalı
• yüksek enerji açığa çıkmalı
• büyük bir tesir kesitine sahip olmalıdır
• tepkimeye girecek olan maddeler kolayca bulunabilmelidir
• plazmanın yeniden ısıtılması için yüklü parçacıklar elde edilemli
• 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 fakat 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.

Bu tepkimenin 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 düşük 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

n_d döteryum iyonları yoğunluğu ve n_t trityum iyonları yoğunluğu toplamının n_e elektron yoğunluğu toplamına eşit olması gerekir.

n_D+n_T=n_e ve n_T=n_D 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.

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

P_füzyon=(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

E_termal=(n_e+n_D+n_T)(3/2)kT=3nkT dir.

Plazma enerjisinde bir t hapsetme süresi boyunca düzenli oranda kaybedilen enerji

P_kayıp=(3nkT)/t j/s/cm³ ‘dir.

Bu durumda içeri giren güç ve dışarı çıkan güç için sahip olunan ifadeler

P_füzyon>Pkayıp

ise nt >(12kT)/ (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.

Atom, Fisyon, Füzyon, Zincirleme Tepkime (Reaksiyon) Nedir?

Kaynak: http://science.ankara.edu.tr/~tureci/fuzyon.htm