1983 Mart ayı sonlarında Amerika BirleÅŸik Devletleri’nin Utah eyaletinde gerçekleÅŸtirilen bir deney, büyük yankılar yaratmış ve füzyon enerjisine yönelik geniÅŸ bir ilgi uyandırmıştır. Bu deneyin ve dolayısıyla soÄŸuk füzyonun ayrıntılarına girmeden önce, füzyon enerjisinin tanımını yapmak gereklidir. Bu amaçla, Bilim ve Teknik Dergisi’nin Mayıs 1983 sayısında ayrıntılarıyla verilen bilgileri yeniden kısaca özetlemek yararlı olacaktır.

Nükleer füzyon, atom çekirdeklerinin birbirleriyle kaynaştırılmasıdır. Çekirdekler pozitif elektrik yüklü olduklarından ve bu nedenle birbirlerini ittiklerinden proton sayısı az olan çekirdekler daha kolay kaynaştırılabilir. Bu tür çekirdeklere sahip atomlar arasında, hidrojenin izotopları olan döteryum ve tritiyum atomları büyük önem taşımaktadır. Döteryum çekirdeğinde 1 proton ve 1 nötron, tritiyum çekirdeğinde ise 1 proton ve 2 nötron vardır. Bu çekirdekler yaklaştırılıp kaynaştırıldıkları zaman, aşağıda gösterilen nükleer reaksiyonlar oluşur:
D + D [T + 1.01 MeV] + [p + 3.03 MeV]
[He3 + 0.82 MeV] + [n + 2.45 MeV]
D + He3 [He4 + 3.67 MeV] + [p + 14.67 MeV]
D + T [He4 + 3.52 MeV] + [n + 14.06 MeV]

Görüldüğü gibi, reaksiyonlardan çok yüksek kinetik enerjilere sahip helyum çekirdekleri ile proton ve nötron tanecikleri çıkmaktadır. Bu ürünler reaksiyonun oluşturulduğu bölmeyi saran ve genellikle lityumdan yapılmış olan bir tabakaya saplanır ve bu sırada enerjilerini ısıya dönüştürürler. Bu tabakayı soğutmak için kullanılan bir sıvı, bu ısıyla buharlaşır ve elektrik üretimi için kullanılır. Bir gr döteryumda 3 x 1023 çekirdek bulunduğu göz önüne alınırsa, 100 megavat-saat enerji üreteceği ortaya çıkar. Döteryum izotopu doğal hidrojen içinde % 0.02 oranında bulunduğuna göre. yaklaşık 80 litre normal sudan bu enerjinin üretilebileceği ve okyanuslarda bulunan döteryum miktarının 10-100 milyon yıllık enerji gereksinimini karşılayacağı saptanabilir. Bu nedenle nükleer füzyona, enerji sorununun kesin çözümü olarak bakılmaktadır. Diğer bir üstünlüğü de herhangi bir radyoaktif artık bırakmamasıdır; çünkü son ürün asal helyum gazıdır. Bu yönleriyle füzyon, son otuz yıldır bilimin önde gelen amaçlarından biri olmuş ve bu uğurda milyarlarca dolar ve maddi değerlerle ölçülemeyecek yoğunlukta emek harcanmıştır.

Soguk Füzyon Düzeneği
Soğuk füzyonun oluşturulduğu düzenek.
Bugüne kadar yapılan çalışmalar ise genellikle “sıcak füzyon” yöntemi çevresinde toplanmıştır. Birbirini iten çekirdekleri kaynaÅŸtırabilmek için akla gelen ilk çare, çekirdekleri çok yüksek hızlarla birbirleri üzerine göndermektir. Bunun için de en doÄŸal yol, gazı ısıtmaktır. Yapılan incelemeler, yeterli hızı saÄŸlamak için, döteryum gazının 100 milyon derece mertebesinde bir sıcaklığa ısıtılmasının gerekli olduÄŸunu ortaya koymaktadır. Ayrıca, çekirdeklerin çarpışıp kaynaÅŸma olasılığını artırmak için, bu sıcaklıkta bir gazın belirli bir hacimde ve yoÄŸunlukta, belirli bir süre tutulabilmesi gerekmektedir. Bu iÅŸlemler için reaktöre oldukça büyük bir enerji girdisi saÄŸlanmakta ve füzyon reaksiyonlarından çıkan enerji henüz bu girdiyi dahi karşılayamaz halde bulunmaktadır. Tüm bu zorluklara raÄŸmen sıcak füzyon son otuz yılda çok büyük bir aÅŸama kaydetmiÅŸ ve beklenmedik bir zorlukla karşılaşılmazsa ikibinli yılların başında enerji üretimine baÅŸlayabilecek bir düzeye gelmiÅŸtir.

Sıcak füzyon üzerinde çalışmalar sürerken, pek umut vermeyen diÄŸer bir yöntem üzerinde de çok daha mütevazi bir düzeyde bir takım araÅŸtırmalar yapılmaktaydı. Öncülüğünü 1940 yılında, tanınmış Sovyet bilim adamı Andrei Sakkarov’un yaptığı bu araÅŸtırmalar, müyon adıyla anılan bir taneciÄŸe dayanıyordu. Bu tanecik doÄŸada uzaydan gelen kozmik ışınlar içinde bulunmakta ve ancak 2 mikrosaniye yaÅŸayabilmektedir. Kütlesi, elektron kültesinin 207 katı, elektrik yükü ise elektronunkinin aynısıdır. Dolayısıyla böyle bir tanecik, döteryum atomuyla karşılaÅŸtığı zaman büyük kütlesi ve negatif yükü sayesinde atomdaki elektronu kolaylıkla yörüngeden kovup yerine kendisi geçebilmektedir. Büyük kütlesinden ötürü elektron yörüngesinden 207 kat daha küçük yarıçapta bir yörüngeye oturmaktadır. Yörüngelerinde müyon bulunan iki döteryum çekirdeÄŸi böylece birbirlerine kolaylıkla 207 kat daha fazla yaklaÅŸabilmekte ve oda sıcaklığında kaynaÅŸma olasılıkları 1080 kat daha artmaktadır. Bu nedenle söz konusu yönteme “soÄŸuk füzyon” adı verilmektedir. Kozmik ışınlar içinde gelen müyon taneciklerinin sayısı çok az, yeryüzünde güçlü hızlandırıcılar yoluyla elde edilmeleri de çok pahalı olduÄŸundan, bu yöntem yakın zamana kadar fazla ilgi çekici olamamıştır.

GeçtiÄŸimiz Mart ayında Amerika BirleÅŸik Devletleri’nin Utah eyaletinde M. Fleischmann ve D. Pons adlarındaki iki bilim adamının soÄŸuk füzyonu son derece basit bir yöntemle, yaklaşık 100 saat boyunca gerçekleÅŸtirdiklerini ve verdikleri enerjinin 4 katını aldıklarını açıklamaları, doÄŸa! olarak büyük yankılar uyandırmıştır. Bu yöntem, paladyum ve titanyum gibi metallerin bir asır kadar önce saptanmış ve diÄŸer amaçlarla kullanılan bir özelliÄŸine dayanmaktadır. Söz konusu metaller çok miktarda hidrojen gazını ve izotoplarını soÄŸurup depo edebilme özellikleriyle tanınmaktadır. Bu iki bilim adamı bir ÅŸekilde çok miktarda döteryum gazını palladyumun kristal örgüsü içindeki çok küçük boÅŸluklara sokarak, anormal yoÄŸunlukla döteryum gazı elde etmeyi, böylece döteryum çekirdekleri arasındaki uzaklığı azaltıp, füzyon olasılığını artırmayı amaçlamışlardı. BaÅŸka bir deyiÅŸle, müyonun yaptığı iÅŸi, yüksek yoÄŸunlukla baÅŸarmayı planlamışlardı. Döteryum gazını palladyum içine çok miktarda sokabilmek için elektrokimyasal güçlere, daha açıkçası herkesçe bilinen elektroliz olayına baÅŸvurmuÅŸlardı. İçinde hidrojen yerine döteryum bulunan ve “ağır su” diye anılan su dolu ÅŸiÅŸelere çeÅŸitli çaplarda, onar santim uzunluÄŸunda palladyum çubukları daldırmış, çubukların çevresine ince platin telden yapılmış helezon ÅŸeklinde kafesler geçirmiÅŸ, palladyum ile platini, bir akünün negatif ve pozitif kutuplarına baÄŸlayıp beklemeye baÅŸlamışlardır. Negatif gerilimdeki palladyum çubuklarının yüzeyinde döteryum iyonları birikmeye ve difüzyon yoluyla çubuÄŸun içlerine girerek, kristal örgüsü içindeki boÅŸluklara yerleÅŸmeye koyulmuÅŸ, üç ay sonunda palladyum çubuktan füzyon belirtileri olan nötronların çıktığı hem doÄŸrudan hem de dolaylı yoldan (alfa ışınları vasıtasıyla) gözlenmiÅŸtir. Böylece bu iki bilim adamı kendileri dahil herkes tarafından çok saçma diye nitelendirilebilecek böylesine basit bir yöntemle, füzyon olayını gerçekleÅŸtirmiÅŸ ve ertesi gün yaptıkları basın toplantısıyla dünyaya duyurmuÅŸlardır.

Yöntemin basitliÄŸi, dünyanın çeÅŸitli yerlerinde irili ufaklı kuruluÅŸlarda. Ä°lgili ilgisiz kiÅŸilerce bu deneyin tekrarlanmasına yol açmış, nötron üretimini saptamak, bir onur meselesi haline getirilmiÅŸ ve olayın temeline yönelik bilimsel araÅŸtırmalar ÅŸimdilik bir kenara itilerek dünya, belki de zamansız ve gereksiz ÅŸekilde umutlandırılmıştır. Fleischmann ve Pons’un deneyindeki en büyük çeliÅŸki, çıkan nötron sayısıyla, yani füzyon reaksiyonu sayısıyla elde edilen enerjinin hiçbir ÅŸekilde baÄŸdaÅŸmamasıdır. Ölçülen enerjiye karşılık gözlenmesi gereken nötron sayısı, belirtilen sayının 100 milyon katıdır. Öte yandan ölçülen enerji, bilinen her kimyasal reaksiyonun 100 katıdır. Bu durum, deneydeki ölçümlerin doÄŸruluÄŸu hakkında ciddi şüpheler uyandırmakladır. Nitekim, bir ay sonra Ä°talya’da Frascatti Laboratuvarları’nda yapılan daha yalın, kimyasal iÅŸlemler içermeyen bir deneyde gözlenen nötron sayısı ilk deneydekinden 200 kat fazla olmasına karşılık, ölçülen enerji üretimi ileri sürülenin milyarda biri mertebesinde olmuÅŸtur. 1960 yıllarında yine çok basit yöntemler olan “patlayan teller” ile bu deneylerde çıkan nötron sayısından 1000 ya da 10000 kat fazla nötron elde edilmesine raÄŸmen, bu ÅŸekilde pek bir yere varılamayacağı saptanarak bu araÅŸtırmalar terk edilmiÅŸtir.

Sonuç olarak, soğuk füzyon deneylerinde füzyon reaksiyonu oluşturulduğunun kesin olduğunu, sayısının ise henüz sağlıklı bir şekilde saptanamadığını söyleyebiliriz. Yazının başında verilen denklemlerden görüleceği üzere, bu reaksiyonlarda tritiyum ve helyum gazları da oluşmakta, kesin reaksiyon sayısını saplayabilmek için, nötronların yanı sıra bu gazların miktarının da ölçülmesi gerekmektedir. Bu ölçümlerden sonra reaksiyonları gerçekleştiren fiziksel mekanizmanın kesinlikle saptanabilmesi için, bir dizi deneyin daha yapılması, sonuçların olumlu çıkması halinde yöntemin geliştirilmesi ve verimin artırılması yönünde çalışmalara hız verilmesi gerekir. Son olarak, sıcak ya da soğuk yöntemlerle füzyon enerjisinin ikibinli yılların başında hizmete sunulmasını bekleyebiliriz.

*ODTÜ Fizik Bölümü
Prof. Dr. Ordal DEMOKAN *

Kaynak: Tübitak Bilim ve Teknik Dergisi, Haziran 1989, Sayfa: 9-10