Temiz ve sürdürülebilir enerji arayışında insanoğlunun en büyük umudu olarak görülen nükleer füzyonun en önemli kaynaklarından biri olan döteryum ve trityumun en verimli hali için geliştirilen bazı çözümler temiz bir gelecek için kilit rol oynuyor. Döteryum ve trityumun, füzyon için önemli bir kaynak olarak kabul edilmesinin başlıca sebeplerinden birisi deneysel olarak elde edebildiğimiz sıcaklık seviyesinde yüksek reaktiviteye sahip olmasıdır. Diğeri ise neredeyse her füzyon reaksiyonunda yüksek miktarda enerji açığa çıkarmasıdır. Fakat trityumun az bulunması, yarı ömrünün düşük olması ve yüksek miktarda üretiminin zor olmasından dolayı santrallerin trityum açısından yeterli olması şartı aranmaktadır.
Bunun için çekirdek çevresindeki örtüde, lityum ile nötron yakalama reaksiyonları yoluyla yerinde üretimi sağlanabilmektedir. Spin polarize edilmiş yakıtlar, daha az trityum ile çalışabilmektedir ve bu sayede hem yüksek trityum yanma verimliliği (TBE) hem de yüksek füzyon gücü sağlamaktadır. Düşük trityum kullanımı, başlangıç trityum gereksinimini önemli ölçüde azaltırken yüksek füzyon gücü üretilmektedir. Daha az trityum üretiminin önemli artılarıdan biri global trityum arzı üstündeki baskıyı azaltmaktadır ve santraller üzerindeki maliyeti düşürmektedir.
TBE’nin artırılması trityumun kendine yeterliliği açısından faydalı olsa da füzyon gücü açısından olumsuzdur. Çözüm olarak helyum ve hidrojen pompalama verimliliği oranını artırarak TBE’nin önemli ölçüde artmasıyla füzyon gücünde daha az kayıp olmaktadır. Ancak yüksek TBE durumunda helyum külü plazmada birikmektedir ve buna karşı spin polarizasyonu tekrardan karşımıza çıkmaktadır. Spin polarizasyonu, atomların (döteryum ve trityum gibi) kuantum spinlerinin aynı yönde hizalanmasıyla kullanılan yakıtların birleşme olasılığını artırarak enerji üretimini daha verimli hale getirmektedir. Spin polarize olmuş yakıtlar, trityumun yanma verimliliğini artırarak helyum seyreltme etkilerini azaltır ve füzyon gücünü artırmaktadır.
ARC benzeri bir füzyon santralinde spin polarizasyonunun; füzyon gücü, trityum yanma verimliliği (TBE) ve trityumun kendine yeterliliği incelenecektir. Spin polarizasyon çarpanı değişen senaryolar için iki yaklaşım yöntemi uygulanmaktadır, Bunlar;
- Füzyon gücünü sabit tutarak TBE’yi artırmak.
- TBE’yi sabit tutarak füzyon gücünü artırmak.
Spin polarizasyonu yöntemiyle TBE artırılarak başlangıç trityum gereksinimi azaltılmış ve daha az kaynakla uzun süreli bir çalışma sağlanmıştır. Buna karşın TBE’nin sabit tutulması ve füzyon gücünün artırılması ile daha yüksek enerji açığa çıkar fakat aynı zamanda daha yüksek trityum kullanılır ayrıca reaktör ve yapı malzemeleri üzerindeki baskı artar.
Spin polarize yakıtların diğer avantajlarından bazıları pasif stabilizasyon ve basitleştirilmiş bir sistemdir. Pasif stabilizasyon, plazmayı termal kaçıştan koruyarak güvenli bir ortam sağlar. Spin polarize yakıtların diğer bir avantajı santralin karmaşık yapısını artırmadan uygulanabilmesidir. Fakat avantajlarının yanında çeşitli uygulanma zorlukları da bulunmaktadır. Plazma içinde yüksek polarizasyonu sürdürmek zordur çünkü metal duvar geri dönüşümleri ve dalga rezonansları, polarizasyon kaybına neden olmaktadır. Yüksek TBE değerlerinde helyum külünün biriktiğinden bahsetmiştik, bu plazmanın soğumasına ve enerji kaybına neden olmaktadır ayrıca düşük hidrojen yoğunluğundan dolayı güç çıkışı daha karmaşık hale gelmektedir.1
Döteryum ve trityum; füzyon yakıtı olarak öne çıksada, trityumun radyoaktif bozunumu sonucunda ³He izotopu, milikelvin (mK) ölçeğinde düşük sıcaklık deneylerini mümkün kılan bir çekirdektir. Öte yandan trityumla kirlenmiş ağır su atıkların büyük bir kısmını oluşturmaktadır. Hidrojen izotoplarının (protiyum, döteryum, trityum) ayrışması zordur. Mevcut yöntemler, Girdler sülfür prosesi gibi yüksek enerji tüketimi ve düşük ayırım faktörlerine sahiptir. Hem saf döteryumun eldesi hem de ağır sudan trityumun elde edilmesi için daha verimli yöntemler gerekmektedir.
İki boyutlu kristaller ve metal-organik yapılar hidrojen izotop ayrımı için önemli malzemeler olarak karşımıza çıkmaktadır. İki boyutlu kristaller, oda sıcaklığında 10 kat seçicilikle H izotoplarını ayırma kapasitesine sahiptir. Daha önceki çalışmalarda, adsorpsiyon entalpisinin artırılması, hidrojen izotopunun ayrışmasını olumlu yönde etkilediği gözlemlenmiştir. Şöyleki daha yüksek oranda ayrışma gerçekleşecek ve adsorpsiyon-desorpsiyon süreci daha yüksek sıcaklıklara ulaşacaktır. Bu bağlamda Cu(I)-MFU-4l bir adaydır.
Yapılan araştırma da Cu(I)-MFU-4l’nin hidrojen izotop ayrımı üzerindeki performansı incelenmiştir. 100 K sıcaklıkta izotop ayrımı, adsorpsiyon izotop değişimi nedeniyle termodinamik olarak kontrol edilmektedir. Cu(I)-MFU-4l, H2/D2 izotop karışımlarına maruz bırakılmış ve farklı sıcaklıklarda elde edilen spektrumlar özellikle 100 K sıcaklıkta elde edilen D2‘nin Cu(I) sitelerine daha güçlü bağlandığı gözlemlenmiştir. Çeşitli deneysel sonuçlarda, Cu(I)-MFU-4l’nin ağır hidrojen izotoplarını gaz fazından yakaladığı gözlemlenmiştir. Yüksek adaptasyon ısısı nedeniyle, Cu(I)-MFU-4l’den gaz moleküllerini serbest bırakmak için 200 K sıcaklık değeri gerekmektedir.
Hidrojen adsorpsiyonunda Cu(I)-MFU-4l üzerinde yapılan deneylerde, düşük miktarda H2 kullanıldığında daha güçlü bağlanma etkilerine sahip olduğu, yüksek miktarda H2 kullanıldığında ise bağlanmanın daha karmaşık bir yapıya sahip olduğu gözlemlenmiştir. Hesaplamalar, Cu(I) bölgelerindeki hidrojen adsorpsiyonunun moleküller arası bağların potansiyel enerji yüzeylerinin anharmonik olduğunu göstermektedir. Bu hesaplamalar, hidrojen molekülünün Cu(I) sitesine olan uzaklığını ve molekül içi titreşimlerini analiz etmiş ve bağ uzunluğunu yaklaşık 0,83 Å olarak tahmin etmiş, deneylerde ölçülen 0,85 Å’lik bağ uzunluğu ile bu hesaplamalar arasında uyum sağlanmıştır.
Bu araştırma, döteryum ve trityumun en verimli şekilde kullanılması için spin polarizasyonu ve gelişmiş malzemelerin hidrojen izotoplarının ayrıştırılmasında kullanımı gibi birden fazla yaklaşımı birleştirmektedir. Bu teknikler, yalnızca enerji üretiminde değil, aynı zamanda sürdürülebilir bir geleceğin inşasında da kritik bir role sahiptir.2
Kaynaklar