Nükleer Enerji Nedir? Nükleer Enerji Nasıl Üretilir?

Nükleer enerji santrallerinde su buharının türbinleri döndürmesi sonucu oluşan mekanik enerji jeneratörlere iletilerek elektrik enerjisine dönüştürülür. Jeneratörler doğrudan şebekeye bağlanabilir.

Nükleer enerji üretiminde nükleer fisyon ve nükleer füzyon olmak üzere iki aşama vardır. Nükleer fisyon atomun ikiye bölünmesi, nükleer füzyon ise iki hafif atomun birleşerek ağır bir atom oluşturmasıdır.

Atomlardaki proton ve nötronların sayısı hafif atomlarda birbirine eşit olma eğilimindeyken, ağır atomlarda nötron sayısı fazlalaşır. Her proton diğerini iterken, protonları bir arada tutmak için gereken enerji proton sayısı arttıkça artar. Nötronlar elektriksel güce maruz kalmazlar ancak tüm nötronlar ve protonlar atom içinde birbirine güçlü bir nükleer güç ile bağlıdır ve nötronların sayısının artması atomlardaki istikrarı artırarak protonların atomdan ayrılmasını önler. Periyodik tablodaki bizmut elementinden sonraki elementler (bizmutun 83 protonu ve 126 nötronu vardır) radyoaktiftir ve atom çekirdeklerinde istikrar yoktur.

Nükleer fisyon, kelime anlamı olarak bölünme demektir ve nükleer enerjide bir atomun çekirdeğinin parçalanması anlamına gelir. Radyoaktivitenin varlığının atom çekirdeğinin istikrarsız olduğunu göstermesi ile birlikte atom çekirdeğinin parçalanması (fisyon) sınırsız enerji olasılığını ortaya çıkartır. Radyoaktivitenin aksine fisyonda atom çekirdeği yaklaşık olarak eşit iki parçaya ayrılır. Birbirine sıkıca bağlanmış proton gruplarının ayrılmasına neden olan bu parçalanmayla çok büyük bir enerji ortaya çıkar.

Nötronlarına ayrılabilen ve parçalanabilen materyallere fisil madde denir ve doğal olarak fisil olan tek materyal Uranyum-235 izotopudur.

Sıkı olarak bağlı protonları ile bir atom çekirdeğinde çok büyük ve yoğun bir enerji bir enerji saklıdır ve fisyonla birlikte açığa çıkan enerji, benzinin yanması ile ortaya çıkan enerjiden milyonlarca kat fazladır.

1905 yılında Albert Einstein, henüz 26 yaşındayken “Hareketli Cisimlerin Elektrodinamiği” başlığında bir bilimsel makale yayımlar. Bu makalede Einstein, Newton’un yasalarının yeni bir teori ile değişmesi gerektiğini ifade eder ve bu teori şu anda “İzafiyet (Genel Görelilik) Teorisi” olarak bilinen teoridir. Bu teori uzay ve zaman kavramlarına bakışı değiştiren radikal bir yaklaşımdır fakat 20. yüzyılda defalarca teyit edilmiştir.

Bu teorinin en önemli sonucu ise maddenin sabit bir sayısı olmadığıdır. Hareket etmeyen cisimlerin durağan (durgun) kütlesi belliyken, hareket eden cisimler kütleleri çok daha büyük gibi davranır. Bu kütle artışı kinetik enerjiye eşittir. Buna göre maddenin hareket halindeyken kütlesi ile durağan kütlesinin farkı kinetik enerjidir. Bu durum kütle enerjisi olarak adlandırılmaktadır.

Albert Einstein’ın İzafiyet (Genel Görelilik) Teorisi, kütle birimini enerji birimine çevirmeyi açıklamakta ve bunu E=mc2formülü ile ifade etmektedir. Bu formülde:

• E =Enerji (Jul)
• m = Kütle (kilogram)
• c2 = Işığın uzay boşluğundaki hızının karesi olarak belirtilmektedir. Bu da hareket eden maddenin kinetik enerjisin hareket etmeyenle arasındaki farkın mc2olması anlamına gelmektedir.

Bir ton doğal uranyum içindeki uranyum-235’in fisyona girmesi durumunda toplam kütlesi 6.6 gram düşecektir. Peki 30 TJ (tera Jul) güç için, formülden yararlanarakne kadar doğal uranyum gerektiğini hesaplamak için:

• E=mc2 (Işığın hızı saniyede 300 Milyon metredir.)

Buradan

• c = 300.000.000
• c = 3 x 108

Bu örnekte kütle değişimi 6,6 gram yani 0,0066 kg’dır. Yani bu fisyon sonrası açığa çıkan enerji:

• E = 0,0066 x (3 x 108)2
• E = 0,0066 x 9 x 1014

Ortaya çıkan enerji 600 TJ’dür, yani ihtiyaç olan 30 TJ’den 20 kat fazladır. Örnekte bir ton uranyumun değerleri ile hesaplama yapılmıştı, yani 30 TJ enerji üretebilmek için gerekli olan uranyum miktarı bir tonun 20’de 1’i olan 50 kg’dır.

Aşağıdaki listede 30 TJ enerji için maddelerin kütlelerinden ne kadar gerektiği gösterilmektedir ve bu liste fisyonun ve uranyumun enerji kaynağı açısından önemini göstermektedir:

• Uranyum: 50 Ton
• Hidrojen: 230 Ton
• Metan: 550 Ton
• Petrol: 710 Ton
• Kömür: 1.100 Ton
• Odun: 2.000 Ton
• Kurşun asit akü: 69.000 Ton
• 80 derecede su: 120.000 Ton
• 370 metrede su deposu: 8.000.000 Ton

Nükleer füzyon, hafif iki atom çekirdeğinin bir araya gelerek daha ağır bir atom çekirdeği meydana getirmesidir. Nükleer füzyon tüm yıldızların enerjilerini sağlayan süreçtir ve Güneş’in de enerjisinin bu süreçle oluşması, nükleer füzyonun yenilenebilir kaynaklar da dahil olmak üzere tüm enerji kaynaklarının başlangıç noktasıdır. Nükleer füzyon tam olarak nükleer fisyonun tersidir ve hafif atomların reaksiyonu ile enerji açığa çıkar.

Nükleer füsyon Dünya’da en kolay şekilde iki hidrojen izotopu olan döteryum ve trityum birleştirerek elde edilir. Hidrojen, tek bir proton ve bir elektrondan oluşan tüm elementlerin en hafifidir. Döteryumun çekirdeğinde fazladan bir nötron vardır ve "Ağır su" olarak ifade edilen maddeyi yapmak için sudaki (H20) hidrojen atomlarından birinin yerini alır. Trityumda fazladan iki nötron vardır ve bu nedenle hidrojenden üç kat daha ağırdır. Bir füzyon döngüsünde, trityum ve döteryum birleştirilir ve Periyodik Tablodaki bir sonraki en ağır element olan helyum oluşumuyla ve serbest bir nötronun salınmasıyla sonuçlanır.

Döteryum, normal deniz suyunda 6.500'de bir parça bulunur ve bu nedenle küresel olarak mevcuttur ve yakıt kaynaklarının dengesiz coğrafi dağılımı sorununu ortadan kaldırır. Bu, gezegende su olduğu sürece füzyon için yakıt olacağı anlamına gelir.

Nükleer füzyonun oluşması için gerekli olan enerji, mevcut teknoloji ile füzyon ile ortaya çıkan enerjiden daha düşük olduğundan nükleer füzyonun enerji kaynağı olarak kullanılması verimli değildir.

Nükleer enerjinin elektrik üretimi dışında kullanımı da yaygındır ve kullanıldığı alanlar aşağıdaki gibidir:

• Tarım ve Gıda: Tarım alanında zararlı böceklerin üremesini önlemek için radyasyon kullanır.Nükleer enerji kullanılarak yapılan ışınlama çiğ ve dondurulmuş gıdalardaki bakterileri öldürmenin tek yoludur.
• Tıp: Tıp alanında görüntüleme, kanser tedavisi ve sterilizasyon amaçlı olarak nükleer enerji kullanılır.
• Uzay: Özellikle insansın uzay araçlarında çok uzun süre enerji üretmek için nükleer enerjiden faydalanılır, uzay gemileri için gerekli elektrik plütonyumdan üretilir. 1977 yılında uzaya gönderilen Voyager 1 nükleer enerji sayesinde günümüzde hala sinyallerini Dünya’ya iletebilmektedir.
• İçme suyu üretimi: Deniz suyunun tuzdan arındırılarak kullanılabilmesi için nükleer enerji ile distilasyon yapılır.

Nükleer enerji kaynakları uranyum-238 ve uranyum-235 izotoplarıdır. Nükleer enerji fisyon (atomun parçalanması) ile oluşabildiğinden doğada bulunan ve fisil (parçalanabilen, nötronlarına ayrılabilen) olan tek madde uranyumdur-235 izotopudur. Fisyon sonucu uranyum-235 izotopu uranyum-238’e, uranyum-238 de plütonyum-239 izotopuna dönüşür. Bu şekilde bazı nükleer enerji santrallerinin yakıtları uranyum ile plütonyum izotoplarının karışımı ile elde edilir.

Nükleer enerji sıfır karbon enerji kaynağıdır ancak nükleer santrallerin yakıtı doğada bulunan bir element olan uranyumdur ve nükleer enerji yenilenebilir enerji kaynağı değildir.

İnşaat ve işletme esnasında güvenlik önlemleri ve denetimler sağlandığı takdirde nükleer enerjinin çevreye zararı oldukça minimaldir. Rus tipi bir nükleer reaktörün oluşturduğu radyasyon, etki ettiği bölgedeki doğal radyasyonun sadece %1’i kadardır. Ayrıca nükleer enerji ile elektrik üretimi esnasında herhangi bir sera gazı salınımı da olmaz. Ancak nükleer enerji santrallerinde yaşanabilecek kazalar sonucu insan sağlığına ve çevreye zararlı radyoaktivitenin oluşması mümkündür.

Nükleer enerji ile güneş enerjisi arasındaki avantaj karşılaştırmasında şu faktörler dikkate alınır:

• Alan kullanımı: Güneş tarlası için geniş alanlara ihtiyaç duyulur ve bu kullanım için tarım arazilerinin de dönüştürülmesi gerekebilir. Nükleer enerji santralleri daha dar bir alanda üretim yapabilir.
• Kullanım ömrü: Güneş enerji santrallerinin ortalama kullanım ömrü 15-20 senedir. Nükleer enerji santrallerinin ortalama kullanım süresi ise yaklaşık 65 yıldır.

Dünya Nükleer Enerji Durumu Raporu’na (WNISR) göre güneş enerjisi ile 1 MWh elektrik üretmenin maliyeti 36-45 dolar arasında değişirken, aynı miktarda elektriği nükleer enerji ile üretmenin maliyeti ise 112-189 dolar arasında gerçekleşiyor.

Atom enerjisi, atom çekirdeklerinin parçalanmasından veya hafif atomların birleştirilmesinden ortaya çıkan bir enerji türüdür ve nükleer enerji ile aynı anlama gelir.

Nükleer enerjinin gelecekteki durumu ile alakalı yürütülen politikalardan bazıları şunlardır:

• Enerji ihtiyacının %70’ini nükleer enerjiden sağlayan Fransa, 2025 yılına kadar bu oranı %50’ye indirmeyi planlıyor.
• Enerji ihtiyacının %13’ünü nükleer enerjiden sağlayan Almanya 2022 yılı sonuna kadar ülkede faal durumda olan tüm reaktörleri kapatmayı planlıyor.
• AB üyesi ülkelerdeki nükleer reaktörlerin yaklaşık 1/3’ünün 2025 yılına kadar kapatılacağı tahmin ediliyor.
• Elektrik ihtiyacının %17’sini nükleer enerjiden sağlayan Rusya 2050’ye kadar bu oranı %50’ye, yüzyılın sonuna kadar da %80’e çıkarmayı hedefliyor.

Bir nükleer enerji santralinde ortaya çıkabilecek sızıntı ve kazalar sonucunda ortaya çıkan radyasyonun insan üzerindeki olası etkileri şunlardır:

• Mide bulantısı ve kusma
• Yorgunluk
• Saç dökülmesi ve deri döküntüsü
• Kan kaybı
• Alyuvarların azalması ve bağışıklık sisteminin çökmesi
• Ağız ve boğazda yaralar
• İltihaplar
• Lösemi
• Cilt kanseri
• Akciğer kanseri
• Tiroit kanseri

Nükleer enerji en pahalı enerji kaynaklarından biridir. Nükleer enerjisinin üretim maliyeti güneş enerjisinden yaklaşık 4 kat, rüzgar enerjisinden ise 5 kat daha pahalıdır.

Avustralya’da nükleer enerji yasak değildir ancak Avustralya tarihinde hiç nükleer enerji santrali kurulmamıştır. Avustralya dünyadaki uranyum rezervinin %33’üne sahiptir ve yeterli denetimleri yaptığı konusunda şüphe duyduğu ülkelere uranyum satmamaktadır. Örneğin Avustralya’da devletin aldığı karar doğrultusunda Hindistan’a uranyum satışı yasaktır.

Nükleer enerji 1896 yılında Fransız fizikçi Henri Becquerel tarafından keşfedilmiştir.

1934 yılına gelindiğinde fizikçi Enrico Fermi tarafından, uranyum atomlarına nötron bombalaması yapılması sonucunda atomların küçüldüğü ve nükleer bölünme reaksiyonunun gerçekleştiği fark edildi. 1942 yılında bugünkü nükleer reaktör çalışma prensiplerine benzer şekilde ilk nükleer enerji denemeleri yapıldı. 1945 yılında ABD’deki New Mexico Çölü’nde ilk nükleer silah denemeleri yapıldı.

Nükleer enerji 1896 yılında Fransız fizikçi ve bilim insanı Henri Becquerel tarafından keşfedilmiştir. Bu keşif uranyum maddesinin fotoğraf plakalarının yanına koyulduğunda karanlıkta yaydığı radyoaktif ışınların fark edilmesiyle olmuştur.

1852 yılında doğan Becquerel, radyoaktivitenin en önemli kaşiflerinden biri olarak kabul edilir. 1903 yılında Nobel Fizik Ödülü almıştır.

Nükleer santral nükleer enerji kullanılarak elektrik üretimi yapılan enerji üretim tesisidir. Nükleer enerji santrallerinde uranyum gibi zengin atomlar kullanılarak ısı elde edilir ve bu ısıyla su buharlaştırılır. Buharlaşarak yükselen su, rüzgar türbinlerini çalıştırarak mekanik enerjiye dönüşür. Bu mekanik enerji, jeneratörlere iletilerek elektrik enerjine dönüştürülür.

Nükleer enerji üretiminde kullanılan maddelerin, enerji üretimi sonrasındaki durumuna nükleer atık denir. Nükleer atıklar, taşıdıkları yüksek radyoaktivite sebebiyle özel tesislerde muhafaza edilir. Bu tesislerde nükleer atıklar beton, asfalt ve camdan oluşan özel depolarda saklanır. Bu işlemin amacı, tesisteki radyoaktivitenin insan sağlığını ve çevreyi olumsuz etkilemesinin önüne geçmektir.

Nükleer enerji üretiminde nükleer enerji mühendisi tarafından üstlenilen görevler şunlardır:

• Tesisin kurulacağı bölgenin zemin etüdünü yapmak.
• Nükleer santraldeki cihazların kullanımında herhangi bir sorun yaşanmaması için önleyici tedbirleri düzenlemek.
• Üretim esnasında oluşabilecek, sağlık açısından zararlı unsurları tespit ederek çözüm üretmek.
• Enerji üretiminin barışçı bir şekilde ilerletildiğini teyit etmek.
• Üretim sürecindeki performansı artırmaya yönelik çalışmalar yapmak.

1 GW üretim kapasitesine sahip büyük bir nükleer reaktör yılda 25-30 ton kadar nükleer atık üretir.

Nükleer enerji, geçmişi yaklaşık 100 yıl olan, insanlık tarihi göz önüne alındığında yeni bir enerji türüdür. Dolayısıyla bu alanda yapılan akademik çalışmalar, diğer birçok enerji türünden daha azdır. Nükleer enerjinin olası çevresel zararları, birçok ülkeyi nükleer enerji üretiminden alıkoyar. Nükleer enerji alanında yapılacak akademik çalışmalar ile nükleer enerji üretiminin olası zararlarının azaltılması hem üretim hızı hem de çevre bakımından olumlu etkiler yapacaktır.

Nükleer enerji üretiminde uranyum kullanılmasının sebebi, uranyumun fisyon ve füzyon tepkimelerine girebilmesi ve ortaya yüksek ısı enerjisi çıkarabilmesidir.

Nükleer enerji santralleri, nükleer enerjiden elektrik enerjisi üretmek için çalışır. Dolayısıyla elektrikli araçlar, nükleer enerji ile üretilen elektrik ile çalışabilir.

Nükleer piller elektrik üretmek için radyoaktif izotopların atom çekirdeklerinin bozunmasına ihtiyaç duyar. Nükleer piller, hidrojen yakıt pillerinden 10 kat, elektrokimyasal pillerden ise bin kat daha yüksek enerji potansiyeline sahiptir.

Uzay araçlarında nükleer enerjinin kullanılması amacıyla Orion Projesi adı verilen bir proje geliştirilmiştir. Bu projeye göre uzay aracının arkasında bir dizi nükleer bomba patlatılacak ve bu patlamalardan itici güç elde edilecekti. Önceleri kalkışta da bu prensiple çalışması planlanan uzay araçlarına nükleer serpinti endişesiyle izin verilmedi ve sadece atmosfer dışında bu metodun kullanılması düşünüldü. Ardından Kısmi Deneme Yasağı Anlaşması ile birlikte uzayda da kullanılmaması üzerine uzlaşıldı. Orion Projesi ile ilgili yapılan ilk çalışmalarda uzay mekiğinin Satürn’e ulaşıp geri dönebileceği düşünülüyordu.