NÜKLEER ENERJİ NEDİR?

Ağır radyoaktif (Uranyum gibi) atomların bir nötronun çarpması ile daha küçük atomlara bölünmesi (fisyon – parçalanma – bölünme – bozunma) veya hafif radyoaktif atomların birleşerek daha ağır atomları oluşturması (füzyon – birleşme – bir araya gelme) sonucu çok büyük bir miktarda enerji açığa çıkar. Bu enerjiye nükleer enerji denir. Nükleer reaktörlerde fisyon reaksiyonu ile edilen enerji elektriğe çevrilir. Güneşteki reaksiyonlar ise füzyon reaksiyonudur. Bu reaksiyonun yarattığı sıcaklık fisyon reaksiyonundakinden çok daha fazladır (birkaç milyon derece santigrad). Bu yüzden bu sıcaklığı kontrol edebilecek bir füzyon reaktörü henüz kurulamamıştır.

Atom, Fisyon, Füzyon, Zincirleme Tepkime (Reaksiyon) Nedir?

Atom

Bir elementin kimyasal özelliklerini taşıyan en küçük parçasına atom denir. Evrende bilinen bütün maddeler pozitif yüklü bir çekirdek ve etrafında dönen negatif yüklü elektronlardan oluşan yaklaşık 100 farklı atomdan meydana gelmektedirler. Atomun çekirdeği ise nükleon olarak adlandırılan ve elektronlara göre yaklaşık 2000 kat daha ağır olan, artı yüklü proton ve yüksüz nötronlardan oluşmaktadır. Dolayısıyla bu üç parçacık, etrafımızdaki sonsuz çeşitlilikteki maddenin temel yapı taşlarıdır. Şu andaki bilgilerimize göre elektronlar, kendilerini oluşturan alt parçacıklar olmadığından temel parçacık olarak kabul edilirler. Nükleonlar ise, elektronun “-1” yüklü olduğu varsayıldığında, “+2/3” veya “-1/3” elektrik yükünde olan quark adı verilen üç alt parçacıktan oluşmuşlardır.

Molekül

Doğada atomlar genellikle daha kararlı enerji seviyelerinde bulunmak amacıyla yörüngelerinde bulunan elektronları başka atomlarla paylaşırlar. Atomların bir araya gelmesi ile moleküller oluşur. Bir elementte aynı cins atomlar tek olarak veya moleküller halinde bir aradadır.
Kimyasal Tepkime: İki veya daha fazla sayıda madde bir araya geldiğinde, moleküllerdeki atomların aralarında yeniden düzenlenmesine kimyasal tepkime denir. Bu sırada elektronların paylaşılması da değişir. Kimyasal tepkimelerin bir özelliği, ilgili atomların çekirdeklerinde bulunan parçacık sayısının tepkime sırasında değişmemesidir.
Çekirdek Tepkimesi: Kimyasal reaksiyonların aksine atomların çekirdeklerinde bulunan parçacıkların kendi aralarında veya dışarıdan gelen bir etki sonucunda değişimleri sonucunda çekirdek tepkimeleri oluşur. Çekirdek tepkimesi sonucunda eğer proton sayısı değişiyor ise farklı bir elemente ait bir atom oluşmuş olur.

Fisyon (Çekirdek Parçalanması) :

Fisyon bir nötronun, uranyum gibi ağır bir element atomunun çekirdeğine çarparak yutulması, bunun sonucunda bu atomun kararsız hale gelerek daha küçük iki veya daha fazla farklı çekirdeğe bölünmesi reaksiyonudur. Dolayısıyla Fisyon, bir çekirdek tepkimesidir. Parçalanma sonucunda ortaya çıkan atomlara fisyon ürünleri denir. Bunların bazıları radyoaktiftir. Bir nötron yutulması ile başlayan fisyon tepkimesi sonucunda, büyük miktarda enerji ile birlikte, birden fazla nötron ortaya çıkar. Çekirdek tepkimeleri sonucunda açığa çıkan enerji, kimyasal tepkimelere göre yaklaşık bir milyon kat düzeyinde daha fazladır.

Zincirleme Reaksiyon:

Fisyon sonucunda ortaya çıkan nötronların, ortamda bulunan diğer fisyon yapabilen atom çekirdekleri tarafından yutularak, onları da aynı reaksiyona sokması ve bunun ardışık olarak tekrarlanmasıdır. Kontrolsüz bir zincirleme reaksiyon, anlık bir süre içinde çok büyük bir enerjinin ortaya çıkmasına neden olur. Atom bombasının patlaması bu şekildedir. Nükleer santrallerde ise zincirleme reaksiyon kontrollü bir şekilde yapılır. Bu kontrolün kaybedilerek nükleer yakıtın bir bomba haline dönüşmesi fiziksel olarak olanaksızdır.

Füzyon (Çekirdek Birleşmesi)

Hafif radyoaktif atom çekirdeklerinin birleşerek daha ağır atom çekirdeklerini meydana getirmesi olayıdır. Füzyon tepkimesinde ortaya çıkan sıcaklık çok daha büyüktür. Güneşteki tepkimeler bu gruba girer.

Bir füzyon reaksiyonundan öngörülen enerjinin elde edilmesi için; 

• reaksiyon düşük sıcaklıkta oluşmalı
• yüksek enerji açığa çıkmalı
• büyük bir tesir kesitine sahip olmalıdır
• tepkimeye girecek olan maddeler kolayca bulunabilmelidir
• plazmanın yeniden ısıtılması için yüklü parçacıklar elde edilmeli
• farklı etkileşmeleri önlemek için enerjisi yüksek olan nötronlar açığa çıkmamalıdır

İLK NÜKLEER TEPKİMEYİ KİM BULDU?

Einstein, 1905 yılında E=mc2 formülü ile fisyon sonucu açığa çıkabilecek enerji konusunda öngörüde bulunmuştu. Daha sonra 1930 yılında bu öngörü deneysel olarak Otto Hahn, Lise Meitner ve diğerleri tarafından doğrulandı. Dünyadaki insan yapısı ilk nükleer reaktör 1942 yılında Enrico Fermi’nin yürüttüğü bir proje sonucunda Amerika Birleşik Devletleri’ nin Chicago, Illinois kentinde kuruldu.

Ancak, dünyadaki ilk nükleer reaktörün ortaya çıkışı milyonlarca yıl öncesine dayanmaktadır. Afrika’da Oklo, Gabon’daki bir uranyum madeninde, yeraltı sularının da maden içinde bulunması nedeniyle doğal bir nükleer reaktör oluştuğu ve binlerce yıl ısı ürettiği son yıllarda ortaya çıkarılmıştır.
Her iki reaktör de fisyonu kullanarak ısı üretmiş fakat hiçbiri elektrik üretmemiştir.

Elektrik üreten ilk ticari nükleer güç santralı Shippingport, Pennsylvania’da (ABD) kurulmuş ve 1957’de işletmeye girmiştir. Fisyon kullanılarak üretilen ilk elektrik ise, Aralık 1951’de Arco, Idaho’daki Deneysel Üretken Reaktöründe elde edilmiştir.

NÜKLEER ENERJİNİN DÜNYADAKİ DURUMU NEDİR?

İşletmede olan santrallerin sayısı: 443 adet
İşletmede olan santrallerin net gücü: 369,552 MW(e)
Üretilen enerji: 2544 TW saat
Nükleer enerjinin toplam enerjiye oranı: %16
İnşa halindeki santrallerin sayısı: 35 adet
İnşa halindeki santralerin net gücü: 27.743 MW(e),
İşletme deneyimi:10586 reaktör-yıl

Bazı Ülkelerin Elektrik Üretiminde Nükleer Enerjinin Payı

Fransa: %77, Belçika: %58, Slovak Cumhuriyeti: %53, Ukrayna: %46, İsveç: %44, Macaristan: %39, G. Kore: %39, İsviçre: %36, Japonya: %34, Almanya: %31, Finlandiya: %31, İspanya: %27, İngiltere: %23, ABD: %20, Çek Cumhuriyeti: %20, Rusya Federasyonu: %15, Kanada: %13, Arjantin: %8, Güney Afrika Cumhuriyeti: %7, Hindistan: %4.

NÜKLEER ENERJİDEN ELEKTRİK ÜRETİMİ

Nükleer reaktörler nükleer enerjiyi elektrik enerjisine dönüştüren sistemlerdir. Temel olarak fisyon sonucu açığa çıkan nükleer enerji nükleer yakıt ve diğer malzemeler içerisinde ısı enerjisine dönüşür. Bu ısı enerjisi bir soğutucu vasıtasıyla çekilerek bazı sistemlerde doğrudan bazı sistemlerde ise ısı enerjisini başka bir taşıyıcı ortama aktararak türbin sisteminde kinetik enerjiye ve daha sonra da jeneratör sisteminde elektrik enerjisine dönüştürülür. Malzemelerin çok çeşitli fiziksel, kimyasal ve nükleer özellikleri sebebiyle pek çok değişik nükleer reaktör tasarımı mevcuttur. Aşağıdaki şekilde bir Basınçlı Su Reaktörünün basit şeması verilmiştir. Bu tasarımda reaktör kalbindeki yakıtlardan ısı enerjisi basınç altında tutularak kaynaması engellenen su ile çekilmektedir. Çekilen ısı enerjisi buhar üreteçlerinde ikinci devredeki suya aktarılmakta böylece üretilen buhar ile türbin-jeneratör sistemi döndürülerek elektrik enerjisi üretilmektedir.

NÜKLEER GÜÇ SANTRALİ

1. Reaktör kalbi
2. Kontrol çubuğu
3. Reaktör basınç kabı
4. Basınçlandırıcı
5. Buhar üreteci
6. Birincil soğutma su pompası
7. Reaktör korunak binası
8. Türbin
9. Jeneratör – Elektrik üreteci
10. Yoğunlaştırıcı
11. Besleme suyu pompası
12. Besleme suyu ısıtıcısı

Bir nükleer santraldeki sistemler konvansiyonel güç santralleri ile aynı mantıkla çalışırlar. Isı enerjisinin üretildiği kısımda elde edilen buharın türbin-jeneratörü döndürerek elektrik üretilmesi felsefesi, temel olarak nükleer santrallerde da aynıdır. Nükleer santraller ısı üretmek için nükleer reaksiyonu kullandıkları ve bunun sonucunda çevreye salınmaması gereken radyoaktif maddeler ürettikleri için, bazı ek sistemler kullanırlar. Örneğin, birçok nükleer santralde nükleer yakıtı barındıran yakıt tüpleri arasından ısınarak geçen su, doğrudan türbine gönderilmeyip, türbin için buhar üretilen ikinci bir çevrimi ısıtmak için kullanılır. Bununla ilgili sistemlere Birincil (Soğutma) Sistem(i) adı verilir.

İkincil sistem ise birincil soğutma sistemindeki ısıyı alarak türbin-jeneratörü döndürmek için gerekli olan buharın üretilmesi için kullanılan sistemdir. Her iki sistem de kapalı birer döngü oluşturmuşlardır.

Soğutma sistemi ise ikincil sistem içinde yer alan yoğunlaştırıcıyı soğutmak için kullanılır. Bu sistemde sıcaklığı yoğunlaştırıcıya göre daha az olan, deniz, göl veya ırmaklardaki su kullanılır. Suyun bolca bulunmadığı yörelerde ise bu sistemin içinde soğutma kulelerinden faydalanılır.

Nükleer santraller, birincil sistemlerindeki farklılıklara göre değişik şekillerde adlandırılırlar. Şekilde görülen sistem, tipik bir “basınçlı su reaktörü”ne aittir. Dünyadaki 400 den fazla sayıda nükleer santralin yaklaşık olarak yarısı “basınçlı su reaktörü”dür. Basınçlı su reaktörlerinin de, birincil sistem yaklaşık 150 atmosferlik bir basınç altında tutularak, içinde bulunan suyun yüksek sıcaklıklara kaynamadan çıkarılması sağlanmıştır.

Buna ek olarak “kaynar sulu”, “basınçlı ağır sulu” reaktörler de en çok kullanılan nükleer santral tipleridir.

ELEKTRİK NASIL ÜRETİLİR?

Elektrik, bakır gibi iletken bir telin manyetik bir alan içinde hareket ettirilmesi ile üretilir. Elektrik jeneratörü, bir mıknatıs içinde dönen sarılı iletken tellerin bulunduğu, ve bu tellerin mıknatıs içinde dönmesiyle elektrik akımı üreten bir makinedir. Evlerimizde, işyerlerimizde, endüstride gereksinim duyduğumuz büyük miktardaki elektrik enerjisini elde etmek için, elektrik jeneratörlerini döndürecek büyük güç santrallerine ihtiyaç duyarız.
Çoğu güç santrali, jeneratörü döndürmek için ısı üretiminde bulunurlar. Fosil yakıtlı santraller ısı üretimi için doğal gaz, kömür ve petrol yakarlar. Nükleer santraller da uranyum yakıtını parçalayarak ısı üretirler. Ancak bütün bu değişik tip santraller ürettikleri ısıyı, suyu buhar haline dönüştürmek için kullanırlar.

Oluşan buhar ise elektrik jeneratörüne bağlı olan türbine verilir. Su buharı, türbin şaftı üzerinde bulunan binlerce kanatçık üzerinden geçerken daha önce üretilen ısıdan almış olduğu enerjiyi kullanarak, türbin şaftını döndürür.
İşte bu dönme, jeneratörün elektrik üretmek için gereksinim duyduğu mekanik harekettir. Jeneratörde oluşan elektrik ise iletim hatları denilen iletken teller ile kullanılacağı yere gönderilir.
Türbinden çıkan, enerjisi diğer bir deyişle,basınç ve sıcaklığı azalmış buhar ise yoğunlaştırıcı (kondenser) denilen bölümde soğutulup su haline dönüştürüldükten sonra, tekrar kullanılmak üzere santralin ısı üretilen bölümüne geri gönderilir. Yoğunlaştırıcıda soğutma işini sağlayabilmek için deniz, göl veya ırmaklarda bulunan su kullanılır. Su kaynaklarından uzak bölgelerde ise santralin hemen yanında bulunan ve uzaktan bakıldığı zaman geniş dev bacalara benzeyen soğutma kuleleri kullanılır. Bu kulelerin üzerinde görülen beyaz duman ise su buharıdır.

NÜKLEER SANTRALLERDE GÜVENLİK NASIL SAĞLANIR?

Nükleer santrallerde, nükleer maddelerin çevreye bırakılmamasını ve aynı zamanda nükleer reaksiyon sonucunda oluşan ısının her durumda reaktörden alınmasını garantiye alacak şekilde birçok güvenlik önlemi alınmıştır. Nükleer maddelerin dışarıya salınmaması için kademeli koruma önlemleri, oluşan ısının alınması için ise yine kademeli ve yedekli sistem ve bileşenler bulunmaktadır.
Nükleer yakıt, seramik formunda, yaklaşık 1 cm çap ve yüksekliğinde silindirik parçaların arka arkaya dizilmesiyle yine silindirik biçimde kapalı sızdırmaz tüpler içindedir. Bu tüplerin binlercesinin, aralarından soğutucu suyun geçmesine izin verecek şekilde bir araya getirilmesi ile de reaktör kalbi oluşturulmuştur. Bu kalp ise paslanmaz çelikten yapılan bir basınç kabının içinde bulunur (Basınçlı veya Kaynar Sulu reaktörlerde). Basınç kabı ve buna bağlı sistemler ise reaktör korunak binası adı verilen betondan yapılmış kubbemsi yapının içinde bulunurlar. Dolayısıyla, yakıt içinde bulunan radyoaktif maddelerin dışarıya salınmalarını, seramik yakıt, yakıt tüpü, basınç kabı, çelik gömlek ve beton korunak binası, kademeli olarak engellemiş olurlar.

Bugüne kadar çevreye zarar verebilecek özellikte 3 nükleer santral kazası olmuştur:

1. 1957 yılında İskoçya’da meydana gelen Windscale kazası; bu kazada reaktörün civarına bir miktar radyasyon yayılmakla beraber ölümle veya akut radyasyon hastalığıyla sonuçlanan bir olay meydana gelmemiştir.
2. 1979 yılında ABD’de meydana gelen Three Mile Island kazası; normal bir işletim arızası, ekipman kaybı ve operatör hatası ile kazaya dönüşmüş, ancak kısmi reaktör kalbi ergimesi meydana gelmesine rağmen reaktörü çevreleyen beton koruyucu kabuğun sayesinde çevreye ciddi bir radyasyon sızıntısı olmamıştır.
3. 1986 yılında Ukrayna’da meydana gelen Çernobil kazası; bu kaza insan ölümüne neden olmuş tek ticari nükleer santral kazasıdır. Kazanın nedenleri; operatörlerin güvenlik mevzuatına aykırı olarak santralde deney yapmaları sonucunda reaktördeki ani güç artışı ve santral tasarımında derinliğine güvenlik prensibine aykırı olarak, reaktörü çevrelemesi gereken bir beton koruyucu kabuğun bulunmaması olarak özetlenebilir.

ÇERNOBİL NÜKLEER REAKTÖRÜ KAZASI

Ukrayna’daki Çernobil nükleer güç santralindeki kaza, reaktör güvenliği ile ilgili bir test sırasında gerçekleşmişti. Yapılan test, bu tür reaktörlerin kararlı çalışamadığı çok düşük güç seviyesindeydi ve bu seviyede reaktörün güvenlik sistemlerinin devreye girmemesi için, sorumlu operatörler, normalde yapmamaları gerektiği halde acil durum kapama sistemini devre dışı bırakmışlardı. Deney sırasında kalp içi sıcaklıklar güvenli seviyenin üstüne çıktığında ise reaktörü kapatacak ve soğutma sağlayacak sistemler devre dışındaydı. Bu affedilmez hata, buhar basıncının artmasına ve bu yüzden oluşan buhar patlamasıyla birlikte çatının çökmesine yol açtı. Böylece, reaktör içindeki sıcak grafit doğrudan atmosferle temas eder hale geldi. Havada bulunan oksijenle reaksiyona giren grafitin yanmasıyla reaktör kalbi bütünlüğünü kaybetti ve bu tür Rus reaktörlerinde (RMBK-1000) koruma kabuğunun da olmaması nedeniyle, radyoaktif maddeler dışarı salındı.

26. Nisan 1986, saat 01:23’de olan bu kazanın etkileri çok büyük oldu.

Dünyadaki, çoğunluğu 25 yıldan fazla işletme deneyimine sahip 400’den fazla nükleer reaktör içinde, çevredeki halk için ciddi olumsuz sonuçlara yol açan ilk kazaydı. 35 kişi kaza nedeniyle hayatını kaybetti. Uzun dönemde de binlerce kişi üzerinde olumsuz etkileri görülmeye devam etmekte.

Nükleer enerji çevre dostu bir teknolojidir.

1. Nükleer santralların güvenlik değerlendirmesi bağımsız lisanslama kuruluşları tarafından son derece tutucu varsayımlara göre yapılmaktadır. Ayrıca bu santrallar işletmede oldukları sürede sürekli denetim altındadır. Bu nedenle nükleer santralların çevre ve insana zarar verebilecek şekilde kaza yapma riski, günümüzde kullandığımız diğer teknolojik ürünlere göre, yok denecek kadar azdır. Bir nükleer santralın çevresinde yaşayan insanlara yüklediği yıllık doz doğal radyasyonun çok altındadır.
2. CO2 emisyonuna neden olmaz. Dünyada kurulu bulunan nükleer santraller yılda 2300 milyon ton CO2 emisyonuna engel olmaktadır.
3. SO2 emisyonuna neden olmaz. Dünyada kurulu bulunan nükleer santraller yılda 42 milyon ton SO2 emisyonuna engel olmaktadır.
4. NOx emisyonuna neden olmaz. Dünyada kurulu nükleer santraller yılda 9 milyon ton NOx emisyonuna engel olmaktadır.
5. Atık kül üretimine neden olmaz. Dünyada kurulu bulunan nükleer santraller yılda 210 milyon ton kül üretimine engel olmaktadır.