Nükleer Füzyon

Çok hafif çekirdekleri daha ağır çekirdeklere dönüştürme işlemine, füzyon adı verilen bir işlem olan kütlenin büyük miktarda enerjiye dönüştürülmesi de eşlik eder. Güneşteki ana enerji kaynağı, dört hidrojen çekirdeğinin birleştiği ve sonuçta bir helyum çekirdeği ve iki pozitron ürettiği net bir füzyon reaksiyonudur.

Bir helyum çekirdeği, dört hidrojen çekirdeğinden %0,7 daha az bir kütleye sahiptir; bu kayıp kütle füzyon sırasında enerjiye dönüştürülür. Bu reaksiyon, füzyon yolağına bağlı olarak üretilen helyum-4’ün her molü başına yaklaşık 1,7 × 10⁹ ila 2,6 × 10⁹ kilojül enerji üretir. Bu, bir mol U-235’in (1,8 × 10¹⁰ kJ) nükleer fisyonu ile üretilen enerjiden biraz daha azdır. Bununla birlikte, bir gram helyum-4’ün füzyonu, bir gram U-235’in (8,5 × 10⁷ kJ) bölünmesiyle üretilen enerjiden daha büyük olan yaklaşık 6,5 × 10⁸ kJ üretir. Helyum füzyonu için reaktanlar U-235’ten daha az pahalı ve çok daha bol olduğu için bu özellikle dikkat çekicidir.

Hidrojenin ağır izotopları olan bir döteron ve bir tritonun çekirdeklerinin, bir helyum çekirdeği ve bir nötron oluşturmak için son derece yüksek sıcaklıklarda termonükleer füzyona uğradığı tespit edilmiştir. Bu değişiklik, oluşan helyum-4’ün her molü başına 1,69 × 10⁹ kilojul salınımına karşılık gelen 0,0188 amu kütle kaybıyla ilerler. Çekirdeklere, çekirdekler üzerindeki pozitif yüklerden kaynaklanan çok güçlü itici kuvvetlerin üstesinden gelebilecek kadar kinetik enerji vermek için çok yüksek sıcaklık gereklidir, ancak bu şekilde çarpışabilirler.

Yararlı füzyon reaksiyonları, başlatılması için çok yüksek sıcaklıklar —yaklaşık 15.000.000 K veya daha fazla— gerektirir. Bu sıcaklıklarda, tüm moleküller atomlara ayrışır ve atomlar iyonize olur ve plazma oluştururlar. Bu koşullar, evren boyunca çok sayıda yerde meydana gelir—yıldızlar füzyonla güçlendirilir.

Füzyon reaktörleri oluşturmak zor bir iştir, çünkü hiçbir katı madde bu kadar yüksek sıcaklıklarda stabil değildir ve mekanik cihazlar füzyon reaksiyonlarının meydana geldiği plazmayı içeremez. Bir füzyon reaksiyonu için gerekli yoğunluk ve sıcaklıkta plazma içermek için iki teknik şu anda yoğun araştırma çabalarının odak noktasıdır: bir emniyet reaktöründeki bir manyetik alanın ve odaklanmış lazer ışınlarının kullanılması. Bununla birlikte, şu anda dünyada faaliyet gösteren kendi kendini devam ettiren füzyon reaktörleri yoktur, ancak küçük ölçekli kontrollü füzyon reaksiyonları çok kısa bir süre için çalıştırılmıştır.

Bu metin bu kaynaktan uyarlanmıştır: Openstax, Chemistry 2e, Section 21.4: Transmutation and Nuclear Energy.