NÜKLEER ENERJİ NEDİR?

1
202

Prof.Dr.KASIM KURT Mersin Üniversitesi Fen Edebiyat Fakültesi Fizik Bölümü

Nükleer kelimesi Türk Dil Kurumu sözlüğünde, “atom çekirdeği ile ilgili olan, çekirdeksel” olarak tanımlanmıştır. Atomu da maddenin en küçük yapı taşı olarak tarif edebiliriz. Çekirdekten bahsederken atomu da meydana getiren daha küçük parçacıkların olduğunu ifade etmiş oluruz. Bunları da proton ve nötronlar olarak adlandırabiliriz. Çekirdeği oluşturan proton ve nötronların yanı sıra çekirdek etrafında çeşitli bölgelerde bulunan elektronları da işin içine katığımızda maddenin en küçük yapı taşı olan atomu tanımlamış oluruz. Çevremize baktığımızda farklı özellikler gösteren maddelerin varlığı, bize atomların da farklı özelliklerinin olması gerektiğini düşündürür. Atomların proton sayıları hafif çekirdeklerden ağır çekirdeklere doğru artar.  Her bir atomda proton ve nötron sayıları çekirdeği dengede tutacak şekilde bulunurlar. Atom altı parçacıkları bir arada tutan çekirdek kuvvetleri vardır. Çekirdek kuvvetleri parçacıkları birbirlerine temas etmenden birada tutma yeteneğine sahiptir. Ancak etkileri çok kısa erimlidir. Herhangi bir atomun çekirdeğini parçalamak istersek, bunları bir arada tutan kuvvetten kaynaklanan enerjinin büyüklüğü kadar bir enerji vermemiz gerekir. Bu da proton ve nötron sayıları dengede olan karalı çekirdekler için oldukça fazladır. Buna rağmen gerekli şartlar oluşturulur ve çekirdek parçalanırsa onları bir arda tutan kuvvetten dolayı bir enerji açığa çıkar. Doğada bir atomun çekirdeğini proton ve nötron sayısı karakterize eder. Bazı durumlarda proton sayıları aynı kalırken nötron sayıları da farklılık gösterebilir. Bu tip atomlara izotop denir. Örneğin karbon 14 (C14). Carbon atomunun çekirdeğinde 6 proton ve 6 nötron bulunur. Karbon 14 çekirdeğinde 2 tane fazladan nötron bulunur. Yani 6 proton 8 nötron olacak şekilde organize olmuştur. Nötron sayılarının dengesi bozuldukça çekirdek kararsız hale gelir ve karbon 14 karasız bir çekirdektir. Bazıları izotoplar yeterince kararlı olmayıp çeşitli etkilerle veya kendiliğinden daha küçük parçacıklara bölünme eğiliminde olurlar. Buna radyoaktivite denir. Radyoaktif çekirdekler parçalandıklarında, daha küçük çekirdekler oluşur ve açığa çıkan enerjinin bir kısmı oluşan alt parçacıklar tarafından kullanılarak etrafa savrulurlar. Geri kalan enerjide elektromanyetik dalga olarak (Gamma ışını) etrafa yayılır. Ağır çekirdeklerin havadaki menzili birkaç santimetre civarında olurken, gamma ışınları yüzlerce metre gidebilirler. Alt çekirdekler ve gamma ışınları üzerlerindeki enerjiyi çevrelerindeki maddelerin atomlarıyla etkileşerek, çarpışarak kaybeder ve açığa çıkan enerjiyi ortama çeşitli formlarda bırakmış olurlar. Bu formların bir tanesi de karşımıza ısı enerjisi olarak çıkar. Yani ortam ısınır. Isınınca sıcaklık yükselir. Küçük atomların çekirdeklerinde bu mekanizma çok verimli değilken, 92 protonu 143 nötronu olan Uranyum 235 izotopu bir nötron ile çarpıştığında daha küçük çekirdeklere parçalanarak ortama bir miktar enerji salar.

Şekil 1 Zincirleme nükleer reaksiyonun şematik gösterimi

Şekil 1’de bu çekirdek reaksiyonun şematik bir gösterimi bulunmaktadır. Uranyum 235 üzerine gönderilen bir nötron Uranyum atomu tarafında soğrulduktan sonra Uranyum 236 dönüşmektedir. Uranyum 236 karasız bir yapıda olup çok kısa bir süre sonra daha karalı bir duruma geçmek için olası bozunumlarından bir tanesi olan Baryum 141 ve Kripton 92 çekirdeklerine ayrılarak dışarıya üç nötron ile birlikte 200MeV bir enerji açığa çıkartmaktadır. Açığa çıkan diğer nöronlar çevresinde varsa diğer Uranyum 235 çekirdeklerinin fizyona uğratarak zincirleme bir reaksiyon oluşturur. Nükleer reaksiyon sonucunda dışarıya salınan nötronlar yeni reaksiyonları tetikleme potansiyelindedir. Nötron soğurucu mekanizmalar ile nükleer reaksiyonu kontrol altında alma, yavaşlatma ve hata söndürme olanağı vardır.

1932 yılında James Chadwick tarafından nötron keşfedildi. Bu keşif J. Chadwick’e 1935 yılında Nobel Ödülünü kazandırdı. O sıralar Cockcroft ve Walton hızlandırılmış protonları elementlerin üzerine göndererek çekirdek dönüşümleri ile yeni elementler elde etmenin yolunu bulmuşlardı. 1934 yılında Irene Curie ve Frederic Joliot yapay çekirdeklerin oluştuğunu gözlemlediler. Bir yıl sonra Enrico Fermi proton yerine nötron kullanarak çok daha fazla yapay çekirdekler oluştuğunu gözlemledi. Deneylerine devam eden Fermi daha ağır elementler oluştuğunu gözlerken Uranyum’dan daha hafif elementler oluştuğunu gözlemlemiştir. Niels Borh ile çalışan Lise Meitner ve Otto Frisch teorik olarak bunun gerçekleşmesini çekirdeğin bir nötron yakaladıktan sonra kararsız hale gelerek daha hafif çekirdeklere parçalanırken 200MeV enerjinin açığa çıkması gerektiğini hesaplardılar. Bu teori bir yıl sonra 1939 yılında Frisch tarafından deneysel olarak ispat edilmesi nükleer füzyonu çok farklı yerlere taşımasının yolunu açtı. 1939 ve 1945 yılları arasında açığa çıkan bu muazzam büyüklükteki enerji ikinci dünya savaşına giren istilacı devletlerin nükleer bomba yapımı için iştahlarını açmıştı. Uranyum kaynaklarında, %0.72 civarında bulunan U235 izotopunun %99 olan U238 bulunmaktadır. Uranyum 235 izotopu yavaş nötronlarla tetiklenerek dada küçük çekirdeklere ayrılıp füzyon oluşmaktadır. Doğal uranyum kaynaklarında yeterli miktarda bulunmayan U235 çekirdeğinin zenginleştirilmesi gündeme gelmiştir. Nükleer reaksiyon başladıktan sonra kendi kendini besleyebilmesi için gerekli olan kritik U235 oranını 1939 yılında Francis Perrin önerisiyle nükleer reaksiyondan elde edilecek olan enerjinin sürdürülebilirliğine biraz daha yaklaşılmış oldu. Bu tarihten itibaren Almanya’da nükleer enerjini çalışmaları başlangıçta askeri amaçla başlasa da 1942 yılında bundan vazgeçildi. Ancak ikici dünya savaşının başlaması Almanya’da başlayıp biten proje, İngiltere ve Amerika’daki nükleer bomba projesine temel teşkil etmiştir. Üretilen nükleer bombanın 1945 yılının 6 ve 9 Ağustos günlerinde kullanılmasıyla şehirlerin yıkılması ve 250 bin insanının hayatına mal olması büyük bir dram ve nükleer enerjiye silinmez bir leke yapıştırdı. Daha sonra barışçıl amaçlı yapılan bilimsel çalışmalar meyvesini vererek 1951 yılında ilk elektrik üretimi için nükleer jeneratör yapıldı. Isı üretiminde oksijene ihtiyaç duymadığından deniz altılarda kullanılabilecek bir enerji kaynağı adayı haline geldi. Bunu takiben 1 nesil, 2 nesil ve üçüncü nesil nükleer güç reaktörleri geliştirilerek hali hazırda dünya çapında 450 elektrik enerjisi üretme amaçlı reaktör bulunmaktadır. Nükleer enerji ile çalışan gemi ve deniz altıları da dâhil edersek yaklaşık 1000 civarında çalışır vaziyette nükleer güç santralleri bulunmaktadır.

Nükleer Güç santralleri

Kararsız olan çekirdek izotoplarının kendiliğinden Fizyona uğraması sonucunda ortaya çıkan enerji son 60 yıldır elektrik enerjisi elde etmede kullanılmıştır. Nükleer güç santralleri temel olarak radyoaktif elementlerin kontrollü olarak çekirdek reaksiyonları başlatılmasına dayanmaktadır. Çekirdek reaksiyonlarından açığa çıkan enerjinin ısı enerjisine dönüştürülerek elde edilecek gücün elektrik üretiminde kullanılmasıdır. Nükleer reaktörler birçok bileşenden oluşmaktadır. Ana bileşenleri yakıt, kontrolör, kontrol çubukları ve soğutucu şeklinde sıralayabiliriz.

Yakıt : Temel yakıt olarak uranyum kullanılmaktadır. Zenginleştirilmiş uranyumdioksit (UO2) çubukları borular içerisinde reaktör çekirdeğine yerleştirecek şekilde üretilirler.

Kontrolör : Reaksiyon sonucunda salınan nötronları yavaşlatmak için kullanılan  malzemedir. Yavaş nötronlar daha çok reaksiyon oluşmasını sağlar. Genellikle ağır su veya grafit kullanılır.

Kontrol çubukları : Reaksiyonu kontrol altında tutmak veya durdurmak için kullanılan nötron soğurucu olan kadmiyum, hafniyum veya boron içerikli malzemelerdir.

Soğutucu: Çekirdekteki ısıyı dışarı atmak için kapalı bir devrede dolaştırılan sıvıdan oluşur. Genellikle hafif su kullanılır. Hafif su (H2O) iki hidrojen bir oksijenden oluşur.

 Nükleer reaktörler çalışma prensiplerine göre sınıflandırılırlar. Altı tip reaktör bulunmaktadır. Bu yazımızda en yaygın olarak kullanılanlardan bahsedeceğiz. Enerjinin buhar gücüne dönüştürmede en yaygın olarak kullanılan basınçlı hafif su ile soğutulan reaktörler (PWR) dir. Ayrıca hareketli aksamı bulunmayan Radyoizotop termoelektrik jeneratörleri (RTG) bulunmaktadır.

Şekil 2 Japonya’da Fukushima kazasından sonra kapatılan ve tekrar güvenli bir şekilde devreye alınan nükleer reaktörlerden bir görüntü

Basınçlı hafif su ile soğutulan reaktörler (PWR)

Nükleer reaktörlerde en yayın olarak kullanılan reaktör tipidir. Yakıt olarak zenginleştirilmiş uranyum 235 kullanmaktadır. PWR reaktörleri asıl deniz altılar için taslanmış olup şekil 3’de şematik gösterimi mevcuttur. Kontrolör ve soğucuda her iki bölümde birbirnden tamamem yalıtılmış olarak hafif su (H2O) kullanılmaktadır. Reaktör haznesi şekil 3’de 1 ile numaraldırılmıştır. Yakıt olarak kullanılan, uranyum yakıt çubukları kırmız rekte reaktör haznesinde 2 numar ile gösterilmektedir. Yakıt çubuklarının hemen üzerinde 3 numara ile kontrol çubukları reaksiyonu kontrol altında tutabilmek için yerleştirilmiş ve bu çubuklar 4 ile gösterilen kontrol sürücülerine bağlanmıştır. 5 nıumara basıç ayarlayıcı sisteminin 6 numaradaki buhar üreteci takip eder. Reaktör haznesi hafif su ile doludur. Reaksyon başladığında buradaki hafif su basıç altında yaklaşık 300C sıcaklığında 7 numaralı su pompası ile buhar üretecinden dolaşması sağlanarak buhar elde edilir. Basınçlı buhar 8 nuolu kırmızı borular ile 10 ve 11 nolu sırasıyla yüksek ve düşük basıçlı türbünlerin dönmesini sağlar. Türbünlere bağlı olan 12 numaralı elektrik jenartörlerinin çalışması sağlanır ve 13 nolu çıkıştan elektrik üretimi dışarıya aktarılır. Türbünleri hareket ettiren su buharı 14 nolu hazneden yine halif su ile yoğunlaştırılarak başınçlı buhar oluşturmak için tekrar 6 nolu sisteme 16 nolu pomba ile gönderilir. 19 nolu soğuk su pompası ile denizden alınan su kapalı devrede dolaştırılarak tekrar denize boşaltılır.

Şekil 3 Basınçlı hafif su reaktörlerine şematik bir gösterim.

Bu sitemde dışarıya hiçibir şekilde bir nükleer atık bulaşması veya sızması sözkonusu değildir. Bu reaktörlerin en avantajlı tarfı dışarıya hiçbir emisyon vermemesidir. Oluşacak olan olası kazalar için çekirdek soğutma ve reaksiyonu durulmasını sağlayan yeni üniteler eklemiştir. Bu üniteler nötron soğurma tesir kesiti yüksek olan malzemlerden yapılmış olup bir kaza anında reaktör haznesindeki yakıt çubuklarını içerisine hapsederek nükleer reaskiyonun sönmesini, durulmasını sağlar.

Elektrik üretiminde kullanılan PWR tipi nükleer güç santrallerinin çevreye ve atmosfere kaza olmadıça zaralı herhangi bir salınımı yokutur. Yani en çevreci güç üniteleri olarak sınıflandırılabilinir. Yakıt olarak radyoaktif materyaller kullanıldığından tehlike sınıflandırılmasında en üst düzeyde değerlendirilir. Nükleer reaktörlerin çevreye ve halka potansiyel tehlike yaratmaması için nükleer reaktörelerin yapımında, çalıştırılamsında bir dizi önlemler alınmıştır. Bu önlemler nükleer reaktörlerin yapımında ve çalıştırılmasında altın kurallardır.

  • Reaktöre gücü kontrol altında tutulmalıdır,
  • Yakıt soğutulmalı,
  • Radyoaktivite bulaşıp bulaşmadığu konrol edilmeli

Bu üç altın kural sürekli kontrol altında tutulmalıdır. Kuralları uygulamanın farlı yolları vardır. Derinlemesine savunma olarak bilinen kurallar beş bölümde oluşmaktadır. Güvenilir işleme sistemleri, Güvenilir güvenlik sistemleri, Çoklu bariyerler, Yetkin ve yetkili işletim ve bakım personeli, Arzaları algılama ve düzeltme olmak üzere sıralıyabiliriz. Buna rağmen nükleer güç santrallerinin kullanılmaya başladığından bugüne kadar  4 tane major kaza meydan gelmiştir. Her kazandan sonra riskler tekrar değerlendirilip çalışan ve yeni yapılacak reaktörler için gerekli önlemler alınmıştır.

Radyoizotop termoelektrik jeneratörleri (RTG)

Kararsız olan çekirdek izotoplarının kendiliğinden Füzyona uğraması sonucunda ortaya çıkan enerji 60 yılda elektrik enerjisi elde etmede kullanılmıştır. Bunlara örnek olarak Radyoizotop termoelektrik jeneratörleri (RTG) verebiliriz. Bu tip jeneratörlerin mekanik aksamları olmayıp nükleer füzyon sonucunda ortaya çıkan ısı enerjisini ısıl çiftleri ile elektriğe dönüştürme yöntemine dayanmaktadır. Uzay araçlarına elektrik enerjisi sağlamak için geliştirilmiş ve daha sonra Ruslar tarafından deniz fenerlerinde kullanılmıştır. Bu tip RTG uygulamalarında radyoaktif izotop olarak Plütonyum, Stronsiyum,  Amerikyum ve Polonyum kullanılmaktadır. Özellikle Rusya’da deniz fenerlerinde kullanılan RTG üniteleri için yeterince güvenlik önlemleri alınmadığı kayıtlara geçmiştir.

Nükleer santrallerden yüzeysel olarak bahsettik. Bu kısa bilgilerden sonra nükleer santrallerin enerji üretiminde sürdürülebilir yani sürekli enerji elde edilebilen bir güç kaynağı olarak değerlendirilebilir. Yakıt olarak kullanılan uranyum miktarı ve verimliliği diğer güç santrallerle karşılaştırıldığında hem ucuz hem de hacim olarak çok daha az yer kaplamaktadır. Aşağıdaki tabloda karşılaştırmalı olarak yakıt tipi ve verimliği verilmiştir.

Şekil 4 Radyoizotop Termoelektrik Jeneratörlerin (RTG) uygulandığı bir deniz feneri

 

Tablo 1. Güç santrallerindeki yakıt verimlilik tablosu

Yakıt türü

Birim miktar başına açığa çıkan enerji

1 ton U-235’e karşı gereken miktar

U-235

2,3×1010 kW.saat / ton

1 ton U-235

Kömür

6944 kw.saat / ton

3,3 milyon ton kömür

Doğal Gaz

10,62 kW.saat / m3

2,2×109 m3 doğal gaz

Fuel oil

11120 kW.saat / ton

2,1×106 ton fuel-oil

Petrol-varil

1700 kW.saat /varil

13,5×106 varil ham petrol

(http://www.nukte.org/atomenerjisi)

Nükleer güç santrallerin herhangi bir emisyon yapmıyor olması çevreci olduğunu gösterir. Yakıt atıkları önce dinlendirme havuzlarında bekletilerek radyoaktivitenin azalması sağlanır. Özel kimyasallar ile çözülerek radyoaktif izotoplar ayrılır ve bunlar camlaştırma yöntemi ile camsı bir yüzeye homojen bir şekilde yedirilir. Yarı ömrü çok uzun olan sezyum ve stronsiyum radyoaktif çekirdeklerin radyoaktivitesini kaybedene kadar muhafaza edilmelidir. Bu işlemler için her reaktörde gerekli önlemler alınmak zorundadır. Aksi takdirde Uluslararası atom ajansı tarafında işletme ruhsatı alması mümkün değildir.

Bilim ve teknolojinin gelişmesi ile birlikte, nükleer güç santrallerinde de verimliği artıracak, riski azaltacak yeni yöntemler ve uygulama çalışmaları bilim dünyasında devam etmektedir. Dileğimiz, bilimde ve teknolojide ülkemizdeki bilim insanlarında bu alana katkı sağlaması için desteklenmesidir.

Kaynakça

http://bellona.org/news/nuclear-issues/radioactive-waste-and-spent-nuclear-fuel/2005-04-radioisotope-thermoelectric-generators-2

(http://www.nukte.org/atomenerjisi)

http://www.nukte.org/node/119

http://www.nukte.org/node/285

http://www.nukte.org/node/283

https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1935/chadwick-bio.html

http://www.tdk.gov.tr/index.php?option=com_gts&arama=gts&guid=TDK.GTS.5a574b9d206d59.68956271

A.W. Penn (1974) “Small electrical power sources”, Physics in TechnologyVolume 5Number 2

Kasım KURT

adana ahmetverde alisamiyen ankara Azerbaycan Beşiktaş cimbom corona coronavirüs deprem dünyadanhaberler ekonomi fenerbahçe Galatasaray Gaziantep gs gündem haber habercizgi instagram izmir korona koronavirüs magazin makale mersin mersinhaber moda ortadoğu ortadoğuhaberleri saglık salgın sağlık siyaset sondakika spor sporhaberleri suriye tv türkiye ultraslan virüs yks ÇİN İstanbul

Önceki İçerikKARNELER 18 HAZİRAN’DA
Sonraki İçerik50 YAŞ ÜSTÜNE AŞILAMA BAŞLIYOR
1968 Adana Doğumlu olan Kasım KURT, ilk ve orta ve lise eğitimini Adana’da tamamladı. 1989 yılında Çukurova Üniversitesi Fizik Bölümünden Fizikçi Lisansı ile mezun olduktan sonra bir süre bilişim sektöründe programcı ve bilgisayar uzmanı olarak çalıştığı dönemde Çukurova Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsünde Fizik Yüksek Lisans programına devam etti. 1995 Yılında Yüksek lisansını tamlayan Kasım KURT 1994-1998 yılları arasında Mustafa Kemal Üniversitesi Antakya Meslek Yüksekokulu Bilgisayar Programlama Bölümünde Öğretim Görevlisi olarak çalıştı. 1998 yılında Mersin Üniversitesi’ne geçtikten sonra Doktora programına Çukurova Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsünde Başlayıp 2003 yılında Fizik Doktorası tamlayarak doktor unvanını aldı. Doktora çalışmaları sırasında deneysel çalışmalarını yapmak üzere NATO-A2 bursu ile İngiltere’nin Sussex Üniversitesinde bulundu. 2008 yılında Üniversiteler Arası Kuruldan doçent unvanını aldıktan sonra, Doktora sonrası çalışmalarında Amerika Oklahoma Devlet Üniversitesi Fizik Bölümü Radyasyon dosimetresi ve luminesans laboratuvarında yaptı. 2012 yılında Oklahoma Üniversitesi Fizik Bölümü Radyasyon dosimetresi ve luminesans laboratuvarında misafir öğretim üyesi olarak 3 ay çalıştı. 2014 yılında Profesörlüğe atanan Kasım KURT halen Mersin Üniversitesi Fen Edebiyat Fakültesi Fizik Bölümünde Profesör olarak çalışmalarında devam etmektedir.

1 YORUM

  1. Merhaba Hocam, Nükleer enerji hakkında o kadar güzel, net ve detaylı bir bilgi olmuş ki… Fakat aklımıza takılan yüzlerce sorudan bir tanesinin cevabını alabilmek mümkün olursa sevinirim.
    Mersin Akkuyu da yapılan Nükleer santralin, Ruslar tarafından yapılacağı ve Rusların kendileri için kullanılacağı, atıklarının da bize bırakılacağı v.b. dedikoduları ne derece yalandır ya da doğrudur? Bu konuda da bizi aydınlatırsanız sevinirim. Teşekkürler

CEVAP VER

Please enter your comment!
Please enter your name here