Yazımda nükleer enerji nedir, nükleer enerjinin faydaları ve zararları, dünyada nükleer enerji konularını ele aldım. Etrafınızdaki her şey atom denilen küçük birimlerden oluşur. Her bir atomun kütlesinin büyük çoğunluğu merkezde (çekirdek) yoğunlaşır ve kütlenin geri kalanı çekirdeği çevreleyen elektron bulutunda bulunur. Protonlar ve nötronlar çekirdeği oluşturan atom altı parçacıklardır. Belirli koşullar altında, çok büyük bir atomun çekirdeği ikiye bölünebilir. Bu bölünme sonucunda atom, kütlesinin belirli bir miktarı Einstein’ın ünlü formülü E = mc2 formülünü izleyerek saf enerjiye dönüştürülür; burada m; kütle miktarı, c ise; ışık hızıdır. (Işığın boşluktaki hızı: 299.792.458 m/s olarak hesaplanmıştır.)
1930’lu ve 40’lı yıllarda insanlar bu nükleer enerjiyi keşfetti ve potansiyelini silah olarak kullanmak istedi. Manhattan Projesi’nde geliştirilen teknoloji, bu enerjiyi nükleer bomba oluşturmak için zincirleme bir reaksiyonda başarıyla kullandı. II. Dünya Savaşı sona erdikten kısa bir süre sonra, yeni keşfedilen bu enerji kaynağı, nükleer donanmanın itici gücünde kullanıldı ve denizaltılara yakıt ikmali yapmadan bir yıldan fazla çalışabilecek motorlar sağladı. Bu teknoloji daha sonra kendini enerji sektöründe gösterdi. Bununla birlikte bir çok nükleer santral kuruldu.
Dünyada Nükleer Enerji
| Ülkeler | Reaktörler | Toplam Pay | |
| Çalışan | İnşa Halinde | ||
| Arjantin | 3 | 1 | % 4.7 |
| Ermenistan | 1 | 0 | % 25.6 |
| Bangladeş | 0 | 2 | N/A |
| Belarus | 0 | 2 | N/A |
| Belgium | 7 | 0 | % 39.0 |
| Brazilya | 2 | 1 | % 2.7 |
| Bulgaristan | 2 | 0 | % 34.7 |
| Kanada | 19 | 0 | % 14.9 |
| Çin | 46 | 11 | % 4.2 |
| Çek Cumhuriyeti | 6 | 0 | % 34.5 |
| Finlandiya | 4 | 1 | % 32.4 |
| Fransa | 58 | 1 | % 71.7 |
| Almanya | 7 | 0 | % 11.7 |
| Macaristan | 4 | 0 | % 50.6 |
| Hindistan | 22 | 7 | % 3.1 |
| İran | 1 | 0 | % 2.1 |
| Japonya | 42 | 2 | % 6.2 |
| Güney Kore | 24 | 4 | % 23.7 |
| Meksika | 2 | 0 | % 5.3 |
| Hollanda | 1 | 0 | % 3.0 |
| Pakistan | 5 | 2 | % 6.8 |
| Romanya | 2 | 0 | % 17.2 |
| Rusya | 37 | 6 | % 17.9 |
| Slovakya | 4 | 2 | % 55.0 |
| Slovenya | 1 | 0 | % 35.9 |
| Güney Afrika | 2 | 0 | % 4.7 |
| İspanya | 7 | 0 | % 20.4 |
| İsveç | 8 | 0 | % 40.3 |
| İsviçre | 5 | 0 | % 37.7 |
| Tayvan | 6 | 2 | % 11.4 |
| Türkiye | 0 | 1 | N/A |
| Ukrayna | 15 | 2 | % 53.0 |
| Birleşik Arap Emirlikleri | 0 | 4 | N/A |
| İngiltere | 15 | 1 | % 17.7 |
| Amerika Birleşik Devletleri | 99 | 2 | % 19.3 |
| Genel Toplam | 457 | 54 | |
Kaynak: iaea 2018 verileri
Bu kadar ülke nükleer enerji kullanırken biz neden kullanmayalım?
Enerji üretimi için iki temel nükleer süreç vardır. Bunlar; fisyon ve füzyon. Ayrıntılı bilgi almak için bu yazıları okuyabilirsiniz:
Kısaca bahsetmek gerekirse fisyon, Uranyum veya Plütonyum gibi büyük atomların, fisyon ürünleri olarak adlandırılan iki küçük farklı atomlara bölünmesidir. Bu bölünme sırasında bir atomu parçalamak için, bir nötronla vurmanız gerekir. Bu bölünme sırasında ortaya enerji ve yeni nötronlar çıkar. Bu enerji miktarı 200 MeV kadardır. Yaklaşık 3.204E-11 Joule kadardır. Meydana gelen yeni nötronlar diğer atomları parçalar. Bu bölünmeler hızlı bir şekilde devam ederek zincirleme çekirdek tepkimesi gerçekleşir. Tüm ticari nükleer santraller bu reaksiyondan meydana gelen ısı enerjisini, kinetik enerjisine dönüştürür. Aşağıdaki görselde uranyum 235 atomunun bölünmesi gösterilmiştir. Onun hemen altındaki videoda ise bu olayın simülasyonu gösterilmiştir.
Kısaca füzyon hakkında konuşmak gerekirse; füzyon, hidrojen veya helyum gibi küçük atomları birleştirerek, daha büyük atomları oluşturup bundan enerji üretmektir. Bu reaksiyonlar, çok sayıda radyoaktif yan ürün üretmeden fisyondan daha fazla enerji açığa çıkarabilir. Füzyon reaksiyonları, genellikle yakıt olarak hidrojen kullanan ve atık olarak helyum üreten füzyon reaksiyonlarından meydana gelir. Bu reaksiyon henüz ticari olarak geliştirilmemiştir ve neredeyse sınırsız, düşük kirlilik ve proliferatif olmayan enerji vaadi nedeniyle dünya çapında ciddi bir araştırma konusudur. Daha çok ayrıntı için yukarıdaki füzyon nedir bağlantısına tıklayınız :)
Füzyon nasıl kontrol edilir? Pratik şekilde füzyon elde etmek için üç şeye ihtiyacınız vardır. Bunlar:
- Yüksek sıcaklık (bu sayede çarpışmalar elektrostatik itmenin üstesinden gelebilir),
- Yüksek yoğunluk
- Uzun bir süre (çok fazla çarpışma)
Bilim adamları bunu yapmak için çalıştığı üç temel yol var:
- Atalet hapsetme – Atomları birlikte çok iyi bir şekilde sıkıştırmak için lazerler, x-ışınları veya mekanik sıkıştırma kullanmak. Örnekler arasında ABD Ulusal Ateşleme Tesisi
- Manyetik Hapsetme – Atomları bir araya getirmek için süper iletken mıknatısların kullanılması. Örnekler arasında tokamaklar, stellerators, spheromaks, vb.
- Yerçekimi Hapsi – Füzyona neden olacak kadar yerçekimi sağlamak için gezegensel derecede büyük bir kütle kullanmak. Güneş ve yıldızlar bunu yapar, ancak insanlar yakın zamanda yapamazlar.
Rusya’da bulunan eski bir füzyon reaktöründe bulunmuştum. Amatör bir çekim, göz atabilirsiniz :)
Ayrıca bu videoya da göz atabilirsiniz
Çeşitli Yakıt Kaynaklarının Enerji Yoğunluğu
Nükleer reaksiyonlarda salınan enerji miktarı çok ciddi boyutlardadır. Aşağıdaki tabloda 100 Watt’lık bir ampulün 1 kg çeşitli yakıtlar ile ne kadar süre kullanabileceğini göstermektedir. Uranyum nükleer fisyona uğrar ve bu nedenle çok yüksek enerji yoğunluğu ortaya çıkar. Aşağıdaki tabloda bu farkı görebilirsiniz.
| Yakıt Türü | Enerji Yoğunluğu (MJ/kg) | 100W lamba yakma süresi (1kg) |
| Odun | 10 | 1.2 gün |
| Etanol | 26.8 | 3.1 gün |
| Kömür | 32.5 | 3.8 gün |
| Ham petrol | 41.9 | 4.8 gün |
| Dizel | 45.8 | 5.3 gün |
| Doğal Uranyum (LWR) | 5.7×105 | 182 gün |
| Reactor Grade Uranyum (LWR) | 3.7×106 | 1,171 gün |
| Doğal Uranyum (Üretken Reaktör) | 8.1×107 | 25,700 gün |
| Toryum (Üretken reaktör) | 7.9×107 | 25,300 gün |
LWR: hafif su reaktörü (light-water reactor), üretken reaktör (breeder reactor)
Meraklısı için, enerji yoğunluğunu aşağıdaki formülden hesaplıyoruz.
- kfis, her çekirdek için fisyon başına enerji salınımıdır. Bu değerler bilim adamları tarafından ölçülür ve Ulusal Nükleer Veri Merkezinde bulunanlar gibi nükleer veri dosyalarında toplanır. Ulaşmak için google da “evaluated nuclear data file” araması yapınız.
- NA, Avogadro sayısıdır. 6,02214199×1023’tür. Bu sayı, mol başına düşen atom sayısıdır. Atom fisyonunun % 100’ünü üstlendiğimize göre, bu mol başına düşen fisyon sayısına eşittir.
- A, ilgili çekirdeğin atomik kütlesidir.
Aşağıda 2 element için örnek değerler verilmiştir.
| Malzeme | Fisyon Başına Enerji Salınımı (MeV) | Atomik Kütle (g/mol) | Enerji Yoğunluğu (MJ/kg) |
|---|---|---|---|
| U-235 | 193.4 | 235.04 | 79,390,000 |
| U-238 | 198.9 | 238.05 | 80,620,000 |
Meraklısına dip not: Nükleer reaktörlerde fisyon, enerjiyi açığa çıkaran tek işlem değildir. Aktinitler, fisyon ürünleri ve hatta yapısal bazı soğutucu nüklidler çoğu zaman, fizyonlama olmadan enerji yayan, yakalama reaksiyonlarına girerler. Bu reaksiyonlarla bir nükleer reaktör tarafından oluşturulan enerjinin oranı, reaktörün toplam gücünün % ≅7’si seviyesinde olabilir.
Nükleer Enerjinin Faydaları
1- Sürdürülebilir: Enerji yoğunlukları tablosundan görüldüğü gibi, nükleer enerjinin sağlamış olduğu enerji miktarı sürdürülebilirliğini oldukça iyi bir şekilde özetlemektedir. Bununla birlikte, nükleer yakıt (uranyum) hakkında da, tıpkı petrol gibi yakında bitecek gibi çok fazla düşünce var. Teknik olarak nükleer atık geri dönüşümlü olduğu için bu bir sorun değildir. Yalnız ekonomik olarak, büyük bir sorun haline gelebilir. Bugünün nükleer reaktörleri, yakıtın % 3’ünden daha azını yakıyor ve geri kalanı da bekletiliyor. (tükenmekte olan uranyum ve nükleer atık). ABD’nin geri dönüşüm programı, 70’lerde, çoğalma ve ekonomik kaygılar nedeniyle kapatıldı. Bugün Fransa ve Japonya yakıtı büyük bir başarıyla geri dönüştürüyorlar. Proliferasyon endişelerini büyük ölçüde azaltabilecek yeni teknoloji var. ABD IAEA tarafından 2005 yılında yayımlanan uranyum rezervlerine göre, 200 yıldan fazla uranyum rezervinin bulunduğu ileri sürülmektedir. Nükleer reaktörlerde ayrıca Toryum yakıtı da kullanılabilir.
2- Ekolojik: Nükleer santraller sıcak su dışında çevreye hiçbir şey yaymazlar. Nükleer reaktörlerin klasik soğutma kulesi simgesi tam da bu işe yaramaktadır. Her şey temiz su buharıdır. Çok az miktarda CO2 veya iklim değişikliğine uğrayan gazlar, nükleer enerji üretiminden ortaya çıkar (madencilik, inşaat vb. sırasında kesinlikle bir miktar CO2 üretilir), ancak bu miktar kömürden 50 kat daha az, doğal gaz santrallerinden 25 kat daha azdır.). Harcanan nükleer yakıt (nükleer atık), çevreyi hiçbir şekilde etkilemeden uygun şekilde kullanılabilir ve jeolojik olarak elden çıkarılabilir. Mart 2013’te, eski NASA bilim adamı James Hansen, nükleer enerjinin bilinen bir katil olan hava kirliliğini değiştirerek dünya çapında toplam 1.8 milyon hayat kurtardığını gösteren bir bildiri yayınladı. Google’da “es3051197” aratarak ilgili makaleye ulaşabilirsiniz.
3- Özgürlük: Nükleer enerji ile birçok ülkeye enerji bağımsızlığını getirebilir. “Petrol bağımlısı” olmak, çeşitli nedenlerden dolayı büyük bir ulusal ve küresel güvenlik sorunudur. Nükleer reaktörler tarafından beslenen elektrikli veya hibrit elektrikli araçlar kullanarak, petrol taleplerimizi büyük ölçüde azaltabiliriz. Ek olarak, birçok nükleer reaktör tasarımı, elektriğe ek olarak yüksek kalitede proses ısısı sağlayabilir, bu da suyu tuzdan arındırmak, yakıt hücreleri için hidrojen hazırlamak veya mahalleleri ısıtmak için diğer birçok endüstriyel proses arasında kullanılabilir.
Nükleer Enerji ile İlgili Sorunlar
1- Nükleer atık: Atomlar parçalanırken açığa çıkardığı enerjinin yanında, yanlarında daha küçük atomlarda getirir. Biyolojik hasara neden olabilecek enerjik parçacıklar yayar. En uzun ömürlü atomların bazıları yüzbinlerce yıl dengeyi bozmaz. Bu nükleer atıklar en azından o kadar uzun süre kontrol altında tutulmalı ve çevre dışında tutulmalıdır. Bu kadar uzun süre dayanacak sistemler tasarlamak göz korkutucu bir iştir.
2-Dramatik kazalar: Nükleer santrallerde üç büyük kaza meydana geldi: Çernobil, Three Mile Island ve Fukuşima. Çernobil, çevreye büyük miktarda radyasyon yayan, 50 kişiyi öldüren, yüz binlerce insanın toplu tahliyesini gerektiren ve 4000 kanser vakasına neden olan kontrolsüz bir patlamaydı. Three Mile Island, soğutma sıvısının reaktörü soğutamayıp ve yakıt çubuklarının bir kısmının erimesine neden olduğu kısmi çekirdekli bir erime idi. Kimse zarar görmedi ve çok az radyasyon yayıldı, ancak tesis kapanmak zorunda kaldı ve böylece işletme şirketi ve yatırımcıları çok para kaybetti. Fukushima, devasa bir Tsunaminin neden olduğu kazaydı. Elektrik kesintisiyle birlikte (dizel jenaratörler su altında kaldı) reaktör soğutulamayarak yüksek ısı çekirdeği eritti. Radyasyon serbest bırakıldı ve halk tahliye edildi. Bu üç kaza çok korkutucu ve birçok insanın nükleer enerji ile rahat etmesini önlüyor.
3- Maliyet: Nükleer santraller diğer santrallere göre daha büyük ve daha karmaşıktır. Tesisin güvenli bir şekilde çalışmasını sağlamak için birçok yedek güvenlik sistemi kurulmuştur. Bu karmaşıklık, bir nükleer santralin ön maliyetinin karşılaştırılabilir bir kömür santralinden çok daha yüksek olmasına neden olmaktadır. Tesis kurulduktan sonra, yakıt maliyetleri fosil yakıt maliyetlerinden çok daha düşüktür. Genel olarak, bir nükleer santral büyüdükçe, operatörlerinin kazandığı para da artar. Büyük sermaye maliyeti, birçok yatırımcının nükleer santralleri finanse etmeye karar vermesini önlüyor.
Kısaca nükleer santraller nasıl çalışır? 2 konturlu reaktörler için anlatacak olursak; reaktörde uranyum atomlarının bölünmesi sonucunda açığa çıkan ısı enerjisi ile reaktörde bulunan su ısıtılır. Isınan su buhar jenaratörüne gönderilir. Burada doygun buhar üretilerek türbinlere gönderilir. Türbine kazandırılan kinetik enerji ile jenaratör sayesinde elektrik üretilir. Daha sonra türbinde kullanılan buhar, yoğuşturucuya (kondenser) gönderilir ve burada soğutularak su haline dönüştürülür. (Filtreleme ve temizleme işlemleri için suya dönüştürülür.) Daha sonra gerekli filtreleme, temizleme işlemleri yapılarak tekrar döngüye kazandırılır.
