Nil REYHAN (Fizik Y. Mühendisi)
İnsanlık, varoluşunun başlangıcından itibaren enerji ihtiyacını karşılamak için çeşitli kaynaklara yönelmiştir. Bu makale, insanlığın enerji kullanımındaki evrimini tarihsel bir perspektifle ele almakta; kas gücünden başlayarak hayvan gücüne, doğanın mekanik enerjisine, buhar gücüne, elektriğe ve nihayet nükleer enerji ile füzyon teknolojilerine uzanan yolculuğunu incelemektedir. Ülkemizin önemli bir zenginliği olan bor madeninden füzyon yoluyla elektrik üretilmesi adına dünyada yürütülen çalışmalara değinilecektir.
İnsanlığın Güç Arayışı: Enerjinin Hikayesi
İnsanlar binlerce yıl boyunca kendi kas gücünün enerjisi ile ayakta durdu, doğa ile mücadele etti. Bu yetersiz kaldı, kendi kasına yeni kas gücü ekledi: Atlar, öküzler, develer, filler. Ama bu güç de yetmedi; çünkü hayvanlar yoruluyordu, bazen inat ediyor, ayrıca doyurulması gerekiyordu. Denizlerde göllerde işe yaramıyorlardı. Rüzgarın ve suyun gücünden yararlanmayı akıl etti. Böylece yelkenliler, yel değirmenleri mekanik araçlara kas olmaya başladı.
Yine yetmedi. Akıl yine yeni bir yol boldu. Suyu kaynattı, buharı hapsetti ve onunla dev makineleri harekete geçirdi.1698 yılında, İngiliz mühendis Thomas Savery, ilk ticari olarak satılan buhar makinesini yaptı. Bu makine maden ocağından suyu dışarı atmak amacıyla tasarlandı. Sonra diğer buharlı makineler peş peşe geldi. Tabii ki bu da yetmedi.
Elektrik: İnsanlık, doğanın gizli damarlarından birini yakaladı. Buharın gücünü elektrik üretmek üzere dizginledi. Nehirlerden, petrol ve doğal gazdan, kömürden buhar üretti, buhardan da elektrik. Hatta gökyüzünden solar enerji çekti. Elektrik, geceyi gündüze çevirdi, evleri aydınlattı, makineleri hızlandırdı. İnsanlık bir anda sıçradı; Telgraf, telefon ve elektrik motorları gibi teknolojik gelişmelerle birlikte, elektrik endüstrisi giderek büyüdü. Bu süreç, elektriğin günlük yaşamın ayrılmaz bir parçası haline gelmesine ve modern toplumun temelini oluşturmasına yol açtı. Elektrik, adeta insanlığın görünmeyen yeni kasları oldu. Elektrik üretimi bir yandan da çevreye zarar veriyordu. Başka yollar arandı. Elektrik görünmezin kontrolü ile elde edilmiş ve insanlığın hizmetine koşulmuştu. Başka görünmezler bilimin ilerlemesi ile görünür olmuştu: Atom altı dünya. Oradan enerji sağlanabilir miydi?
Fisyon: Atom altı dünyanın inanılmaz enerjisi, nükleer güçle ortaya çıktı. Uranyum parçalandı, enerji patladı; ama bu güç, hem umut hem korku getirdi. Çernobil ve Fukuşima gibi kazalar, insanlığı ürküttü. Daha güvenli bir yol aranırken toryum öne çıktı; çevreye daha az zararlıydı, atıkları daha yönetilebilirdi. ABD toryum bazlı nükleer enerjiyi icat etmiş, hatta deneme üretimi bile yapmıştı, ancak her nedense bu müthiş buluşu uyumaya terk etti. Toryum bazlı reaktörlerin ticarileşme süreci yakın zamanda, seddin öte tarafında, Çin’de başladı.
Füzyon: İnsan daha da temiz ve güvenli enerji elde etme yolları aradı. Atomların parçalanması ile fisyon enerjisini bulmuştu. Atamları birleştirerek (füzyon) enerji elde edebilir miyiz diye düşündü. Gökyüzüne baktı ve güneşin sınırsız ışığında bir hazine gördü. Bir ışık çaktı: Yapay Güneş. Güneş, milyonlarca yıldır füzyonla parlıyordu; atomlar birleşiyor, enerji açığa çıkıyordu. “Ya bu gücü Dünya’da yaratırsak?” Gözler parladı, umut yeniden filizlendi. Tokamaklar, bu hayalin ilk adımı oldu.
Tokamaklar: Yapay Güneşlerin Doğuşu
Tokamaklar, simit şeklindeki dev makinelerdi. Bilim insanları, bu makinelerin içinde plazma denen bir ateş topu yaratmayı öğrendi. Plazma, milyonlarca derecede dans eden atomlardan oluşuyordu; öyle sıcak ki, hiçbir kap dayanamazdı. Ama manyetik alanlar, bu ateşi havada tuttu, bir şişenin içinde saklar gibi. Tokamakların amacı, döteryum ve trityum adlı iki hidrojen türünü birleştirmekti. Bu birleşim, Güneş’teki gibi enerji açığa çıkaracaktı.
İlk tokamaklar, bir bebeğin ilk adımları gibiydi; çabuk yoruldular, çabuk pes ettiler. Ama insanlık pes etmedi. Avrupa’da JET adında bir tokamak, kısa bir an için enerji patlamaları yarattı. Çin’de EAST, plazmayı 100 milyon derecede dakikalarca tutmayı başardı. Ve sonra, Fransa’da dev bir umut yükseldi: ITER. Binlerce insanın emeğiyle inşa edilen bu tokamak, 2030’larda çalışmaya başlayacaktı. Hedefi, harcadığından 10 kat fazla enerji üretmekti. İnsanlık, ilk kez “Net enerji” hayalinin kapısına bu kadar yaklaşmıştı.
Heyecan verici haber, ABD’nin Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı’ndaki Ulusal Ateşleme Tesisi araştırmacılarından geldi. ABD’li bilim insanları, 2022 Aralık ayında, neredeyse sınırsız, güvenli ve temiz bir enerji kaynağı bulma arayışında, nükleer füzyon reaksiyonunda net enerji kazanımı elde ettiklerini dünyaya duyurdular.
Uluslararası Atom Enerji Ajansı’nın Aralık 2022 raporuna göre 50 ülkede hem kamuya hem özel sektöre ait 90 deneysel füzyon reaktörü faaliyette. 40’dan fazlası da inşa ya da planlama aşamasında. Füzyon enerjisine yönelik ilgi giderek artmakta. Milyarlarca dolarlık araştırma fonları harekete geçirilmiş durumda.
Teknolojiyi geliştirmeyi zorlaştıran en büyük etken, bir yandan hidrojenlerin birbiriyle birleşmesini kesintisiz sürdürürken bir yandan da ortaya çıkan ısıyı, yani muazzam miktardaki nötrondan kaynaklanan enerjiyi istikrarlı biçimde kontrol etmek. Örneğin Çin’in Nisan 2025’de açıkladığı denemede 100 milyon derece santigratın üzerine çıkılmış. Bu ısıyı kontrol altında tutmak ve faydalı hale getirmek en önemli mesele.
Çin devlet televizyonu CCTV’nin haberine göre, Sıçuan eyaletinin merkezi Çıngdu şehrindeki “Huanliu-3” (HL-3) adı verilen deneysel reaktör, Güneş’tekine benzer bir nükleer füzyon reaksiyonu başlatabilecek ısı değerlerine yaklaştı.
Araştırmacılar, reaktörün iyon ısı değerinde 117 milyon dereceye, elektron ısı değerinde ise 160 milyon dereceye ulaştığını belirtti.
Reaktörün Baş Tasarımcısı Cong Vulu, “Yaptığımız deneyde genel füzyon performansında büyük bir atılım gerçekleştirerek çifte 100 milyon derece hedefine ulaştık. Bu, Çin’in füzyon araştırmalarının yanan plazma aşamasına girdiği anlamına geliyor.” dedi.
Cong, HL-3 ile ilk kez ısıtma, kontrol ve teşhis sistemlerinin tamamen Çin’de geliştirildiği bir reaktör geliştirdiklerini vurguladı.
Yukarıda da bahsettiğimiz Çin’in, “Deneysel Gelişmiş Süper İletken Tokamak” (EAST) adını verdiği bir başka plazma reaktörü bulunuyor. Anhui eyaletinin merkezi Hıfey’de kurulan EAST, daha uzun süreli plazma deneyleri için kullanılıyor.
EAST’ten daha büyük olan HL-3’ün, deney ve araştırma yanında gerçek bir nükleer füzyon reaktörü geliştirilmesi için kullanılması hedefleniyor.
Ancak başka bir sorun vardı. Döteryum-trityum (Hidrojen) füzyonu, enerji üretse de nötronlar saçıyordu. Bu nötronlar, çevreyi biraz kirletebilir, reaktörleri yıpratabilirdi. Bor madeni kullanarak borlama denilen yöntemle reaktörler kurtarıldı. Bor üzerinde düşünmeye başladı bilim adamları ve bor füzyon fikri doğdu.
Bor Füzyonu: Daha Temiz Bir Hayal
Bor, toprağın sessiz bir hazinesiydi. Büyük çoğunluğu (%73) Türkiye’de olmak üzere Amerika’nın çöllerinde, Çin’in uzak köşelerinde bolca bulunuyordu. Bilim insanları, borun özel bir türünü, bor-11’i, bir hidrojen izotopu protonlarla birleştirmeyi düşündü. Hidrojen-bor-11 füzyonu, döteryum-trityumdan farklıydı; neredeyse hiç nötron üretmiyordu, radyoaktif atık çok azdı. Karbon salınımı yoktu, temizdi, saftı. Güvenlik riski yoktu, bir düğmeye basınca üretim duruyordu. Üstelik üretilen enerji, doğrudan elektrik olarak toplanabiliyordu; bu, bir devrim demekti.
Ancak bu hayal, büyük bir meydan okumayla karşı karşıya. Hidrojen-bor füzyonu, inanılmaz sıcaklıklar gerektiriyordu; milyar santigrat dereceler… Tokamaklar bu sıcaklıklara dayanmakta zorlanıyordu. İnsanlık, yeni yollar aradı.
Yol Açanlar
Tri Alpha Energy (TAE Technologies/ABD) adında bir ekip, tokamak yerine “Field-Reversed Configuration” (FRC) denen bir sistem geliştirdi. Plazmayı bir top gibi sıkıştırıp tutan bu sistem, daha küçük ama daha yoğun bir alanda çalışıyordu. TAE’nin reaktörleri, “Norman” ve “Copernicus” adını taşıyordu. Her biri, bir öncekinden daha sıcaktı, daha kararlıydı. 2020’lerde, TAE küçük ölçekte proton-bor füzyonundan enerji üretmeyi başardı; ama henüz bu enerji, bir şehri aydınlatacak kadar değildi. Önünde muazzam sıcaklığı (150 milyon – 1 milyar °C arasında) bir sıcaklığı kararlı olarak tutabilecek teknolojinin geliştirilmesi ve kurulum maliyetinin yüksekliği gibi iki temel sorun vardı. Hidrojen – Bor füzyonu ile elektrik üretmek üzere yoluna devam eden ve bunun için 1.2 milyar dolardan fazla yatırım yapan TAE Teknolojies 2030 yılına kadar ticari reaktörü devreye alma hedefine doğru emin adımlarla yürüyor.
Japonya’da bor füzyon alanında, Japonya Ulusal Füzyon Bilimi Enstitüsü’nün Büyük Helikal Cihazı (Large Helical Device – LHD) ile ABD’li TAE Technologies arasındaki iş birliği, hidrojen-bor (HB) füzyon teknolojisi açısından önemli bir dönüm noktası oluşturmuştur. Bu ortaklık, özellikle manyetik olarak sınırlandırılmış plazma ortamında hidrojen-bor füzyonunun dünyada ilk kez ölçülmesiyle sonuçlanmıştır. Bu çalışmanın sonuçları, 2023 yılında Nature Communication dergisinde yayımlanan hakemli bir makaleyle duyurulmuştur. Makalede, LHD kullanılarak gerçekleştirilen testlerde, manyetik olarak sınırlandırılmış plazmada hidrojen-bor füzyonunun başarıyla ölçüldüğü belirtilmiştir.
HB11 Energy (Avustralya) firması, Sidney Üniversitesi’nden Prof. Heinrich Hora’nın lazer temelli füzyon araştırmalarına dayanan bir start-up. 2017’de kurulan şirket, hidrojen-bor (p-B11) füzyonunu ticarileştirmeyi hedeflemekte ve nispeten yeni bir oyuncu. HB11, lazerle tetiklenen füzyon yaklaşımını kullanıyor. Bu yöntemde, yüksek güçlü lazerler bor yakıtını sıkıştırıp protonlarla reaksiyona sokarak füzyon başlatmaktadır. Geleneksel manyetik hapis (tokamak veya FRC) yerine, atalet hapis (inertial confinement) prensibine dayanmaktadır.
HB11’in füzyona yaklaşımı, trityum gibi nadir, radyoaktif ve zor temin edilen yakıtları ve inanılmaz derecede yüksek sıcaklık ihtiyacını tamamen ortadan kaldırıyor. Bunun yerine, füzyon reaksiyonunu başlatmak için çok özel lazerlerin hassas uygulamasını kullanarak bol miktarda hidrojen ve bor B-11 kullanımına dayanmaktadır.
Bilimsel Araştırmalar: Durmak Yok, Yola Devam
Diğer yandan Avrupa’da, Japonya’da, Avustralya’da ekipler hidrojen bor temelli nükleer füzyon fikrini kovalamaya başladı. Başlıca üniversite ve enstitüler:
- Japonya Ulusal Füzyon Bilimi Enstitüsü (National Institute for Fusion Science – NIFS)
- Sidney Üniversitesi
- Zhejiang Üniversitesi
- Princeton Üniversitesi
- Massachusetts Teknoloji Enstitüsü (MIT)
- Varşova Plazma Fiziği ve Lazer Mikrofizyon Enstitüsü
- Çekya Bilimler Akademisi Fizik Enstitüsü
Türkiye’de Nükleer Füzyon Çalışmaları:
Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı’na bağlı Türkiye Enerji Nükleer ve Maden Araştırma Kurumu (TENMAK) bünyesindeki Nükleer Enerji Araştırma Enstitüsü Başkanlığı internet sitesinde küçük ölçekli füzyon reaktörleri yapıldığına dair bilgi yer almaktadır.
İstanbul Üniversitesi 1960-1965 yılları arasında Türkiye’nin ilk deneysel tokamak reaktörünü geliştirmiştir. 1970 yılında deneysel füzyon çalışmalarına Ankara’da, Türkiye Atom Enerjisi Kurumu (TAEK) Nükleer Füzyon Laboratuvarı’nda Ortadoğu Teknik Üniversitesi Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümüyle işbirliği çerçevesinde başlandığı hususları dikkate alındığında belli bir akademik birikimden bahsedilebilir.
Heidelberg Üniversitesi ile Dünya Kültür Konseyi’nin ortak çalışmasının sonucunda, Plazma Fiziği ve Nükleer Füzyon alanının genişlemesine yaptığı katkılardan dolayı 1987 yılında Albert Einstein Dünya Bilim Diplomasına layık görülen Prof. Dr. Sadrettin Sinman tarafından alternatif bir nükleer füzyon reaktörü kapsamında bor ve lityum gibi ileri füzyon yakıtları kullanarak gerçekleştirilecek füzyon reaksiyonu araştırması amacıyla 2002 yılında TAEK’e kapsamlı bir proje önerilmiş ancak sonuç alınamamıştır. Türkiye’de halen hidrojen bor füzyon temelli reaktör çalışması bulunmamaktadır.
İnsanlık bir yandan hidrojen ve bor birleşmesinden elektrik üretme yolunda hızla ilerlerken diğer yandan üretilen elektriği katı, sıvı, gaz halinde hidrojene dönüştürüp tüketime sunmanın yolunu bulmuş ve geliştirmek için çaba sarf etmektedir.
Sodyum Bor Hidrür
Elektrik elektrolizörler yardımıyla hidrojene dönüştürülmekte, hidrojen gaz ve sıvı halde tanklarda, fiziksel olarak nanotüplerde veya kimyasal olarak hidrürler biçiminde depolanabilmektedir. Aslında hidrojen bizatihi elektrik depolanmasıdır. Şöyle ki; rüzgar ve güneşten elde edilen elektrik enerjisi düzenli değildir. Rüzgar esmezse rüzgar gücünden ya da gece güneşten elektrik elde edilemez. Fazla üretilen elektriğin depolanması ciddi bir sorun olarak ortaya çıkmış devasa bataryalar üretmek üzerinde durulmuş ama hidrojen üretmek en makul çözüm olarak ortaya çıkmıştır.
Yeşil hidrojen depolamasında aranan çözüm bor madeninde bulundu.
Hidrojeni üretme konusunda teknoloji yeterince gelişmiş durumdadır. Hidrojenin kullanıma sunulmasının yolları aranmış ve katı, sıvı, gaz halinde doğrudan yakıt olarak ya da yeniden elektriğe dönüştürülerek tüketilmesi üzerinde çözümler geliştirilmiştir. Bizi ilgilendiren katı depolama ve tüketime sunulma kısmıdır. Bu bağlamda Türkiye’de ciddi çalışmalar başlamıştır.
Güney Marmara Hidrojen Kıyısı Platformu Güdümlü Projesi’nin bir ayağı da hidrojenin katı (kimyasal) depolanmasına yönelik sodyum bor hidrür üretimi projesidir. Bu kısmı Eti Maden üstlenmiştir. Bandırma’da trimetil borat üretim tesisinin kurulması devam etmektedir. Akabinde sodyum bor hidrür üretim tesisinin kurulacaktır. Bu aşamalar Tübitak-MAM ortak çalışması ile ilerlemektedir. Sodyum bor hidrürden başka amonyum boran ve diğer bor bileşikleri de katı malzeme olarak araştırma konusu olmaktadır.
Depolama özelliğinin yanı sıra, sodyum bor hidrürün yakıt pillerinde doğrudan yakıt olarak kullanımının da mümkün olduğu bilinmektedir. Bor Araştırma Enstitüsü (BOREN) ve TÜBİTAK MAM işbirliğinde yürütülen projede sodyum bor hidrür üretimi için know-how geliştirilmiş, TÜBİTAK-MAM yerleşkesinde sodyum bor hidrür üretimi pilot tesisi kurulmuştur. TÜBİTAK-MAM bünyesinde yürütülen yakıt pili üretimi konulu projede, 100W gücünde doğrudan sodyum bor hidrürlü yakıt pili üretimi gerçekleştirilmiştir.
Sodyum bor hidrür yakıt pilli araç konulu projede, TÜBİTAK MAM bünyesinde oluşturulan yetkinliğin bir araç konseptinde test edilmesi amaçlanmış; proje kapsamında araç üzerine entegre sodyum bor hidrürden hidrojen üreten sistem geliştirilmiş ve yine araç üzerinde bulunan yakıt pili beslenerek aracı tahrik için gerekli elektrik enerjisi üretilmiştir. İhtiyaca yönelik anlık hidrojen üretim sistemi Türkiye’de ilk defa denenmiş ve bu ilk prototip, yol testlerinde de başarılı olmuştur. Araç tamamen yerli ve el yapımıdır. Aracın maksimum hızı 80 km/ saat, aracın menzili 150 km olarak ölçülmüştür. Araç 1 kg bor hidrür ile 50 km yol gidebilmektedir. Bor hidrürün tamamı geri kazanılabilmektedir. Bu özelliği bor madenini tarihteki en değerli maden konumuna taşıyacaktır.
Sonuç olarak; füzyon enerjisinin kamuoyu nezdindeki algısı, teknik belirsizlikler ile potansiyel faydalar arasında bir dengeye sahiptir. Bu teknolojinin geliştirilmesi, uzun vadeli finansman ve sürekli bir araştırma taahhüdü gerektirmektedir. Buna karşın, füzyon enerjisi, karbonsuz, güvenli ve neredeyse sınırsız bir enerji kaynağı sunma potansiyeliyle, sürdürülebilir enerji sistemleri için dönüştürücü bir çözüm olarak değerlendirilmektedir. Devam eden bilimsel ilerlemeler ve artan yatırımlar, füzyon teknolojisinin ticari uygulanabilirliğine yönelik beklentileri güçlendirmiştir.
Türkiye’de gerek kamuda gerekse özel sektörde bor temelli nükleer füzyon çalışması bulunmamaktadır.
Sodyum Bor Hidrür konusunda Eti Maden, Boren ve Tübitak tarafından yapılan başarılı çalışmalar sonuçlarını vermeye başlamıştır. Yatırım süreçleri devam etmektedir. Hidrojen bor temelli füzyon reaktörü çalışmaları ile hidrojen bor birleşmesi ile başlayan elektriğin serüveni bor hidrojen birlikteliği ile insanlığın hizmetine sunulacak ve döngü tamamlanacaktır.
Küresel ısınma yeşil enerjiye dönüşümü zorlarken teknoloji de kendi yolunu aramakta ve yolların kesişim noktasında, zengin nadir toprak elementleri, bor, lityum ve toryum kaynaklarının varlığı ile Türkiye bulunmaktadır.
