NÜKLEER ENERJİDE AZ BİLİNEN GERÇEKLER
Yazar: MEHMET YILDIRIM | Tarih: 29/09/2017 | Saat: 14:00
1. NÜKLEER ENERJİ NEDİR?
Nükleer enerji, atomun parçalanması sonucu ortaya çıkan ısı enerjisinden yararlanılarak elde edilen bir enerji türüdür. Bilindiği gibi evrendeki tüm maddenin kimyasal ve fiziksel niteliklerini taşıyan en küçük yapıtaşı atomdur. Atom, gözle görülmesi imkânsız çok küçük parçacıklardır ve sadece taramalı tünel mikroskobu (atomik kuvvet mikroskobu) vb. ile incelenebilir. Bir atomun çapı mm'nin takriben iki binde biri kadardır. Bu küçücük boyutlarına rağmen atomlar tek parça değildir ve çok daha küçük parçacıklardan oluşur. İşte bu küçücük parçacıklar parçalandığı zaman boyutları ile asla kıyaslanamayacak büyüklükte bir enerji açığa çıkar. Tabii bütün maddelerin atomları parçalanamaz ya da parçalandıklarında aynı enerji açığa çıkmaz. Atomların parçalanabilmesi ya da parçalanması ile ortaya çıkan enerjinin şekli ve boyutu atomların iç yapısı ile yakın ilişkilidir.
Atomlar aşağıdaki şekilde görüldüğü gibi güneş sistemimizin küçük bir modeli gibidir. Merkezinde Çekirdek (Nükleon) adı verilen güçlü bir kütle ve etrafındaki yörüngelerinde dolaşan elektronlardan oluşur. Nükleon, proton ve nötron adı verilen iki tür parçacıktan oluşur ve atomun esas ağırlığını oluşturur. Elektronlar ise kayda değer bir ağırlığı sahip değildir.
Yeryüzünde tespit edilen tüm elementler Periyodik Tablo adı verilen bir tabloda gösterilmektedir. Bu tablo her elementin atom özellikleri dikkate alınarak hazırlanmıştır. Tablonun en önemli özelliği ise atom numarasıdır. Evrende mevcut tüm elementler 1 den 118 kadar sıralanan atom numarası ile numaralandırılmışlardır. Bu numaralar aslında her elementin sahip olduğu proton sayısını ifade eder. Stabil haldeki bir elementin atomunda atom numarası kadar proton ve ona eşit sayıda nötron ve yörüngesinde de aynı sayıda elektron bulunur. Stabil bir elementine en güzel örnek Helyum elementidir.
Helyum elementinin atom numarası 2 dir ve dolayısıyla çekirdeğinde 2 proton vardır. Helyum elementi stabil bir element olduğundan çekirdeğinde 2 nötron ve yörüngesinde de 2 elektron vardır. Ancak Helyum gibi stabil olmayan elementlerin atomlarındaki nötron ve elektron sayıları protonla aynı sayıda değildir. Aynı sayıda olmaması elementlere çok farklı davranış özellikleri kazandırır. Örneğin:
1) Proton ve Elektron Sayıları
Protonlar artı ( + ) yüklü, elektronlar ise eksi ( - ) yüklüdür. Proton ve elektron sayısı eşit olduğunda element nötr, yani stabil haldedir. Ancak elektron sayısı protondan fazla olduğu zaman atom eksi yüklü iyon haline geçer, elektron sayısı proton sayısından az olduğu zaman da artı yüklü iyon haline geçer. Her iki durumda da atomlar stabil olmaktan çıkar, başka iyonlarla birleşme arayışı başlar. Bu da farklı kutuplu iyonların birleşerek yeni maddelerin oluşumunu sağlar. Örneğin Hidrojen atomunun bir tane protonu olmasına karşın hiç elektronu bulunmamaktadır. Bu durumda Hidrojen atomu pozitif yüklü (H+) iyon oluşturur. Oksijen elementi 8 protonuna karşı 10 elektronu vardır ve dolayısıyla negatif yüklü (O-2) iyon oluşturur.
Bu iki iyon birleşerek;
2 H+ + O-2 ═ H2O
Su meydana getirirler. Oksijen ve Hidrojen elementleri gaz formunda olmasına rağmen birleştiklerinde su gibi akışkanı meydana getirebilmeleri atomların bu özelliklerinin ne kadar önemli olduğu göstermektedir.
2) Proton ve Nötron Sayıları
Atomların proton ve nötronları birbirlerini iten ve birbirlerini çekin iki farklı gücün etkisi altındadırlar ve bu güçler sayesinde bir arada dururlar. Çekim gücü itme gücünden birazcık fazladır. Bu fazlalık sayesinde nötron sayısı proton sayısında belirli bir oranda fazla olabilir. Her elementin dengede durabildiği bir nötron sayısı vardır. Nötron ve proton sayısı dengeli olan atomlar son derecede duraylıdır. Ancak atomların dengede durduğu nötron sayısı her zaman sabit değildir. Yani, her elementin bütün atomları aynı sayıda nötron içermez. Bazı atomlarında farklı sayıda nötron bulunabilir. Bu tür atomlara o elementin izotopu denir. İzotop atomlar normal atomlara göre oldukça duraysız olup radyoaktif bozunma gösterirler. Bu tür atomlar parçalanmaya müsait olan atomlardır. Dışarıdan müdahale edilerek parçalanabilir ve parçalandıklarında da ciddi şekilde enerji açığa çıkar. Her elementin radyoaktif bozunma veren, yani kolayca parçalanabilecek en az bir izotopu vardır. Atom numarası büyüdükçe, yani nötron sayısı arttıkça proton sayısından farklı nötronlara sahip atomlara, yani izotoplara sahip olma olasılıkları artar. İzotopların çoğalması yadyoaktif bozunma ve dolayısıyla parçalanabilme olasılığının da artması anlamına gelir.
İzotop atomların parçalanması sonucu açığa çıkan büyük enerji bilim insanlarını ilgisini çekmiş ve bu enerjiden yararlanma yollarını araştırmışlar ve sonunda da bu müthiş enerjiden hem askeri amaçlarla hem de barışçıl amaçlarla yararlanmanın yollarını bulmuşlardır. Atomların parçalanması ile elde edilen enerjiden askeri amaçlı olarak "Atom Bombası" yapımında, barışçıl amaçlı olarak da "Nükleer Enerji" elde edilmesinde yararlanılmaktadır. Atomların parçalanmasının iki farklı yöntemi vardır:
1. Füzyon Reaksiyonu: Protonların birleştirilmesi reaksiyonudur. İki proton birleştirilerek bir nötron ve bir protona dönüştürülür. Bu reaksiyon sonucunda yeni bir nükleon ve beraberinde çok güçlü bir ışık ve ısı enerjisi açığa çıkar.
2. Fisyon Reaksiyonu: Bir izotop atomunun çekirdeği proton bombardımanına tabi tutularak daha az sayıda nükleonlara bölünmesi reaksiyonudur. Bu reaksiyon sonuncunda atomlar daha küçük nükleonlara bölünürken yeni protonlarla birlikte güçlü bir ısı enerjisi açığa çıkar. Örneğin 235U atomu nötron bonbardımanına tabi tutulduğunda 236U izotopuna dönüşüp kararsız hale geçerek parçalanır ve daha hafif olan 92Kr ve 141Ba atomlarına dönüşür. Ayrıca 3 adet proton ve büyük bir enerji açığa çıkar.
Füzyon reaksiyonu için gerekli olan enerji, fisyon reaksiyonu için gerekli olan enerjiden çok daha fazladır. Yine füzyon reaksiyonu sonucunda ortaya çıkan enerji, fisyon reaksiyonunda ortaya çıkan enerjiden daha fazladır. Füzyon tepkimesi daha çok atom bombası yapımında uygulanan bir reaksiyondur ve bu reaksiyon için uranyumun 238U izotopu kullanılır.
Fisyon reaksiyonunda açığa çıkan enerji füzyon reaksiyonuna kıyasla çok daha düşük olmasına karşın insanlık için son derecede gerekli hale gelen elektik enerjisi elde etmek için son derecede yararlı bir enerjinin açığa çıkmasını sağlar. Fisyon reaksiyonu sonucu açığa çıkan ısı enerjisi Nükleer Santral adı verilen tesislerde elektrik enerjisine dönüştürülür. Fisyon reaksiyonu için Uranyumun U235 izotopu gerekir.
Nükleer Santrallerde enerji elde etmek için gerekli olan fisyon reaksiyonu için zenginleştirilmiş uranyum izotoplarına htiyaç vardır. Zenginleştirme işlemi 235U izotoplarının santrüfüj yöntemi ile normal atomlardan ayırma işlemidir. Zenginleştirilmiş uranyum izotopları santral içinde fisyon tepkimesine tabi tutulur. Fisyon tepkimesi, dışarıdan bir nötronun yüksek bir hızla uranyum elementinin çekirdeğine çarptırılması (nötron bombardımanı) ile başlayan zincirleme bir reaksiyondur. Nötron bombardımanının uranyum çekirdeğini kararsız hale geçirir ve sonucunda büyük bir enerjinin açığa çıkmasını sağlayan fisyon reaksiyonunu başlatır. Gerçekleşen tetikleyici ilk fisyon reaksiyonu sonucunda ortama nötronlar yayılır. Bu nötronlar diğer uranyum çekirdeklerine çarparak her atom çekirdeğinde benzer bölünme gerçekleşene kadar devam eden zincirleme bir reaksiyona dönüşür. Ortaya çıkan enerji, kontrol edilmediği takdirde ölümcül boyutlardadır. Kontrol etmek için reaktörde fazla nötronları tutan ve tepkimeye girmesini engelleyen üniteler vardır. Bu sayede kontrollü bir fisyon reaksiyon zinciri sağlanır.
Nükleer santralin iç yapısına baktığımızda, uranyumun fisyon reaksiyonuna girmesiyle oluşan ısı enerjisi suyun çok yüksek sıcaklıklara kadar ısıtılarak buharlaşmasını sağlar. Yüksek sıcaklıktaki bu buhar, elektrik jeneratörüne bağlı olan türbinlere verilir. Türbin kanatçıklarına çarpan yüksek enerjili buhar, bilinen şekilde türbin şaftını çevirir ve jeneratörün elektrik enerjisi üretmesi sağlanır. Jeneratörde oluşan elektrik ise iletim hatları denilen iletken teller ile kullanılacağı yere gönderilir. Türbinden çıkan basınç ve sıcaklığı düşmüş buhar, tekrar kullanılmak üzere yoğunlaştırıcıya gider ve su haline geldikten sonra tekrar bölünme ile açığa çıkan enerji ile ısıtılıp buhar haline getirilir ve döngü devam eder.
2. NÜKLEER SANTRALLER GÜVENLİ MİDİR?
Nükleer santrallarının temelini oluşturan fisyon tepkimesinde, hem reaksiyon sonucu ortaya çıkan büyük boyutlardaki ısı enerjisinin hem de reaksiyonu meydana getiren nötronların kontrol altında tutulmasını gerektirir. Kontrol mekanizmaları oldukça sofistike, yani karmaşık sistemlerdir. Bu sistemlerde olabilecek en küçük arıza ya da ihmal kazalara ve ölümcül sonuçları olan çevre felaketlerine neden olabilir. Bu nedenle nükleer santrallarda güvenlik en ön planda gelir. Buna rağmen bazı nükleer kazaların tümüyle önüne geçilebilmiş değildir.
Bugüne kadar dünyada faaliyet gösteren reaktörlerde 4 adet nükleer santral kazası kayıtlara geçmiştir. Bunlar:
1) 1957 yılında İskoçya'da meydana gelen Windscale kazası.
Bu kazada reaktörün civarına bir miktar radyasyon yayılmış, ancak bu kazadan dolayı 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 iken, ekipman kaybı ve operatör hatası sonucu ciddi bir nükleer santral kazasına dönüşmüş, ancak kısmi reaktör kalbi ergimesi meydana gelmesine rağmen reaktörü çevreleyen beton koruyucu kab sayesinde çevreye ciddi bir radyasyon sızıntısı olmamıştır.
3) 1986 yılında Ukrayna'da meydana gelen Çernobil kazası.
Tek kelimeyle bir faciadır. 26 Nisan 1986'da Ukrayna'daki Çernobil nükleer reaktöründe meydana gelen patlama ve sonucunda yayılan radyoaktif madde Ukrayna, Beyaz Rusya ve Rusya'da yaşayan 336.000 insanın tahliyesine, 56 kişinin ölümüne, 4.000 doğrudan ilişkili kanser vakasına ve 600.000 kişinin sağlığının ciddi şekilde etkilenmesine sebep olmuştur. Nükleer kalıntıların ürettiği radyoaktif bulut patlamadan sonra tüm Avrupa (Türkiye'de özellike Karadeniz ve Marmara bölgesi) üzerine yayılmış ve Çernobil'den yaklaşık 1100 km uzaklıktaki İsveç Formsmark Nükleer Reaktöründe çalışan 27 kişinin elbiselerinde radyoaktif parçacıklara rastlanmış ve yapılan araştırmada radyoaktif parçacıkların İsveç'ten değil Çernobil'den gelen parçacıklar olduğu tespit edilmiştir.
Kazanın nedenleri olarak; operatörlerin güvenlik mevzuatına aykırı olarak santralde deney yapmaları sonucunda reaktördeki ani güç artışı, reaktörde aşırı basınç oluşumu ve santral tasarımında derinliğine güvenlik prensibine aykırı olarak, reaktörü çevrelemesi gereken bir beton koruyucu kabın inşa edilmemiş olması olarak özetlenebilir.
4) 2011 yılında Japonya'da meydana gelen Fukuşima kazası;
Fukuşima kazası 9.0 büyüklüğündeki Tōhoku depremi sonrasında meydana geldi. Deprem Japonya'da büyük bir tsunamiye yol açtı. Tsunami Japonyaya çok büyük zarar verdi ve bu arada Fukuşima Nükleer Santralinin soğutma sistemine ait pompaları çalıştıran jenaratörlerin su altında kalmasına ve dolayı ile arızalanmalarına neden oldu. Soğutma pompaları çalışmayan santralin aşırı derecede ısınması sonucu reaktörün kalbinde erime, koruma kabında çatlaklar oluştu ve sonucunda radyasyon sızıntısı meydana geldi.
3. NÜKLEER ENERJİYE NEDEN İHTİYAÇ DUYULMAKTADIR?
Bütün tehlikesine rağmen Nükleer enerji, günümüzün ve geleceğin en önemli enerji kaynaklarından biri olarak kabul görmeye devam etmektedir. Enerji kaynaklarının en başında gelen Petrol ve doğalgaz kaynaklarının sınırlı sayıda ülkelerde bulunması, yenilenemez oluşu ve yarattığı çevre kirliliği gibi nedenler birçok ülkeyi nükleer araştırmalara ve nükleer enerjiden faydalanmaya yöneltmektedir. Çeşitli tarihlerde meydana gelen nükleer kazalar bu yönelmede bazı sapmalara neden olsa da tümüyle vazgeçirmeye yetmemiştir.
1986 yılında gerçekleşen Çernobil faciası ülkelerin nükleer enerjiye sahip olma isteklerinin törpülenmesinde bir dönüm noktası oldu. Çernobil faciasının gerçekleştiği 1986 yılında, toplam 36 ülkede 360 adet nükleer santral projesi gündemdeydi. Faciadan hemen sonra bu projelerin yaklaşık 300 kadarı devreden çıktı ya da ertelendi. Ancak başını Fransa'nın çektiği bazı ülkeler nükleer enerjiden vazgeçmediler ve araştırmalarını güvenlik üzerine yoğunlaştırarak yeni nesil çok güvenlikli santral modelleri geliştirdiler. Bu yeni modeller Nükleer Rönesans ya da Nükleer Gücün Dirilişi olarak kabul edilmiştir. Bu santrallerde güvenlik son derecede arttırılmış bulunmaktadır. Yeni nesil santrallerde kaza riski ve kaza sonrasında çevre felaketi olasılığı sıfır denecek düzeye çekilmiş bulunmaktadır. İşte bu yeni nesil santral teknolojileri Nükleer enerjinin tekrar popüler hale gelmesini sağladı. Çernobil faciasının gerçekleştiği 1986 yılında dünyada 218 nükleer santral faaliyette iken bu gün bu sayı 447 e çıkmış bulunmaktadır. Bunlara hızla yenileri eklenmektedir.
2011 yılında meydana gelen Fukuşima kazası Nükleer Enerjinin ikinci kez sorgulanmasına neden oldu. Kazadan hemen sonra bütün ülkeler nükleer enerji programlarını tekrar gözden geçirme kararı aldılar. Japonya 50 adet nükleer santralinin tamamını geçici olarak durdurarak tüm sistemlerini gözden geçirme karar aldı. Tüm santralların güvenlik sistemlerinin tek tek gözden geçirilerek tam güvenlikli raporu alan santrallerin tekrar faaliyetine izin verildi. Almanya mevcut santrallarının normal ömrünü tamamlayacakları 220 yılına kadar tümünü kapatma kararı aldı. Diğer ülkeler benzer kararlarla tüm nükleer enerji programlarını gözden geçirdiler. Alternatif enerji, özellikle yenilebilir enerji kaynaklarına öncelik vererek tüm araştırmaları bu kaynaklara yönelttiler. Başta Almanya ve Çin gibi ülkeler yenilenebilir enerji kaynaklarından enerji üretimine sağlayacak ekipmanların üretimine büyük hız verdiler ve bu çabaların sonucunda yenilenebilir enerji üretimini sağlayacak ekipmanların maliyetinde çok büyük düşüşler sağlandı. Maliyetlerin düşmesi sonucunda da yenilenebilir enerji kaynakları diğer enerji kaynakları ile maliyet yönünde rekabet edebilir hale geldi ve hızla yaygınlaşmaya başladı. Ancak bu gelişmeye rağmen hiçbir ülke nükleer enerjiden tümüyle vazgeçmiş değildir. Petrol ve doğal gaz zengini ülkeler bile nükleer enerjiden yararlanma konusundaki isteklerinden vazgeçmişlerdir.
1. Ülkeler, enerjide sürekliliği garantilemek için kaynaklarında çeşitlendirme ihtiyacı duymaktadırlar. Her tür enerji kaynağının belirli riskleri bulunmaktadır. Bu riskleri azami sevide tutabilmek için kaynaklarını çeşitlendirmek zorundadırlar.
2. Enerji planlamasında kesintisiz enerji kaynağına mutlak gereksinim duyulmaktadır. Günümüzde enerjinin kullanım alanları çok çeşitlenmiştir. Çeşitlenen elektrik tüketicilerinin elektrik talebi günün saatine göre büyük değişimler gösterir. İşte bu, günün farklı zamanlarında farklı elektrik talebi elektrik üretiminde planlama ihtiyacını doğurdu. Günümüzde çok çok önemli hale gelen bu üretim planlamasında kesintisiz ve güvenli elektik üretim tesisleri büyük önem taşımaktadır. Tüm enerji kaynakları içinde de sürekli ve güvenli enerji sağlanabilen tek kaynak ise nükleer enerjidir.
4. NÜKLEER ENERJİDEN YARARLANAN ÜLKELER
Dünyada halen 31 ülkede 447 nükleer reaktör faal halde, 61 adedi de inşaa halinde olmak üzere toplam 508 adet nükleer reaktör bulunmaktadır. Dünya genelinde elektrik üretiminin yaklaşık % 11'i nükleer enerjiden sağlanmaktadır. 104 santralle dünyanın en fazla nükleer santraline sahip bulunan ABD, elektrik üretiminin % 19,0'ını nükleer enerjiden elde etmektedir. 35 nükleer santralin üretime devam ettiği, 8 santralin ise inşa halinde bulunduğu Rusya elektrik üretiminin % 18,5'ini, 25 santrali bulunan Güney Kore % 30,4'ünü, 59 nükleer santralin üretimde olduğu Fransa ise % 78'sini nükleer santrallerden elde etmektedir. 31 nükleer santrale sahip Çin ise ileriki yıllarda gerçekleşecek elektrik enerjisi talebini karşılamak için 24 nükleer santralin inşasına başlamıştır. Bunların yanı sıra Birleşik Arap Emirliği (BAE) ve Beyaz Rusya (Belarus) ilk nükleer santral inşaatına başlamış bulunmaktadırlar
FRANSA'NIN NÜKLEER SANTRALLARI
Bütün kazalara ve tehlikesine rağmen Nükleer Enerji konusunda hiçbir tereddüt göstermeden, aralıksız ve kararlılıkla yatırımlarına devam eden ülkelerin başında Fransa gelmektedir. Bu nedenle Fransa'nın nükleer enerji durumunu biraz yakından incelemek yararlı olabilir. Fransa'nın toplam 22 adet nükleer santral tesisi bulunmaktadır. Tesislerin Fransa içindeki dağılımı aşağıdaki haritada gösterilmektedir. Bu tesislerden 3 tanesi, sahip oldukları eski teknoloji nedeniyle faaliyeti durdurulmuştur. Geri kalan 19 adet tesiste toplam 59 adet reaktör faaliyet halindedir.
Fransa'nın Nükleer santrallarının 4 adedi deniz kenarında; 15 adedi tatlı su, yani nehir kenarlarına kurulmuştur. Fransa, su kaynakları yönünden zengin bir ülkedir. Nükleer santralların 5 adedi RON nehri, 5 adet LOİR nehri, 3 adedi SEN Nehri ve 2 adedi GORAN Nehri üzerindedir.
Fransa'da halen faal 59 adet reaktörden elde edilen enerji Fransa'nın toplam enerji ihtiyacının % 78 ini oluşturur. Bu oran enerji planlamasında ideal oran olarak kabul edilen % 30 oranının çok üzerindedir.
Fransa'nın nükleer santralları ağırlıklı olarak 1970 ve 1980 li yıllarında yapılmışlardır. Normal şartlarda nükleer santralların faydalı ömrü 50 yıldır. Bu durumda Fransa'nın nükleer santrallarının % 10 nu önümüzdeki 10 yıl içinde ve % 70 ise 20 yıl içinde proje ömrünü tamamlamış olacaktır. Yani, 2040 yılına gelindiğinde Fransa'nın nükleer enerji santrallarının % 80 ni kapanmış olacaktır. Fransız politikacılar bu günlerde kapanacak santralların yerine yenilerinin yapılmasını mı, yoksa enerji planlaması için ideal kabul edilen % 30 seviyesine çekilene kadar alternatif enerji kaynaklarına yönelmek mi gerektiği konusunu tartışmaktadırlar.
Mehmet YILDIRIM, Jeo. Yük. Mühendisi