Nükleer Enerji Nedir? Nükleer Enerji Nasıl Çalışır?

Nükleer Enerji Nedir: Bir atomun çekirdeğinde gerçekleşen reaksiyonlar sonucu oluşan enerjidir. Çekirdek reaksiyonları bir kütle kaybı ile gerçekleşir. Bu kütle kaybı, 1905 yılında Einstein formülü E=mc² eşitliğine göre (“m” kaybolan kütle “c” ışık hızı) enerjiye dönüşür.

Bu enerji olağanüstü büyüklükte bir enerjidir. Örneğin 1 g kütle enerjiye dönüşürse, 22 ×109 kcal’ ye eşdeğer bir enerji açığa çıkar. Bu enerji yaklaşık olarak 2500 ton iyi kaliteli kömürün (ısı değeri 8000 kcal/kg) verebileceği enerjiye eşittir. Ya da 20 ton TNT’ nin patlaması sonucu açığa çıkan enerjiye eşittir.

Bununla birlikte, kütle-enerji denklemi, tepkimenin nasıl meydana geldiğini açıklamaz. Bunu nükleer kuvvetler yapar. Nükleer enerjiyi zorlanmış olarak ortaya çıkarmak ve diğer enerji tiplerine dönüştürmek için nükleer reaktörler kullanılır.

Nükleer enerji, üç nükleer reaksiyondan biri ile oluşur:

1. Nükleer Füzyon (fusion): Atomik parçacıkların birleşme reaksiyonu.
2. Nükleer Fisyon: Atom çekirdeğinin zorlanmış olarak parçalanması.
3. Yarılanma: Çekirdeğin parçalanarak daha kararlı duruma geçmesi. Doğal (yavaş) fisyon (çekirdek parçalanması) olarak da tanımlanabilir.

Toryum (thorium), plütonyum ve uranyum (uranium) gibi radyoaktif elementler vardır. Bu elementlerin atomları, nükleer santrallerin reaktörlerinde kontrollü olarak parçalanır. Bunun sonucu oluşan ısı enerjisinden, elektrik enerjisi üretilmesi için kullanılan bir kaynaktır.

Ağır radyoaktif (Uranyum gibi) atomların bir nötronun çarpması ile daha küçük atomlara bölünmesi olayına fisyon denir. Hafif radyoaktif atomların birleşerek daha ağır atomları oluşturur. Bu nükleer tepkimelere ise füzyon tepkimesi denir. Füzyon tepkimeleriyle fisyon tepkimelerinden daha fazla enerji açığa çıkar. Bu enerjiye nükleer enerji denir. Füzyon tepkimeleriyle fisyon tepkimelerinden daha fazla enerji elde edilir. Güneş patlamaları füzyon’ a örnek gösterilebilir.

Nükleer Enerjinin Keşfi

Nükleer enerjinin keşfi uranyumun keşfi ile ortaya çıkmış ve atomun parçalanması ile netlik kazanmıştır. 1896 yılında Fransız fizikçi Henri Becquerel tarafından rastlantı sonucu nükleer enerji bulunmuştur. Uranyum maddesinin keşfedilmesi;

Fotoğraf plakaları ile yan yana durması ve karanlıkta yayılan radyoaktif ışınların fark edilmesi sonucu olmuştur. Uranyum’un keşfi ile başlamış ve 1934 yılında atomun parçalanması ile devam etmiştir. Önce askeri savunma alanında başlayan çalışmalar  sonra ticari alanda devam etmiştir.

Nükleer Enerji Nasıl Elde Edilir?

Bir nükleer santral kurmak için zenginleştirilmiş uranyum (U) gereklidir. Bir nükleer reaktör (nuclear reactor), fisyon denilen bir süreci vardır. Bu süreçte uranyum, plütonyum gibi ağır atom çekirdekleri bölünür veya parçalanır. Helyum, hidrojen, lityum gibi hafif çekirdeklerin birleşmesi sonucu açığa çıkan enerjidir.

Nükleer reaksiyonlarda, kütle kaybı enerji şeklinde açığa çıkar. Atomun kütle kaybına karşılık gelen enerjidir. Bu bölünme için, nötronlar yüksek bir hızla uranyum elementinin çekirdeğine çarpar. Bu çarpışma çekirdeğin kararsız duruma geçmesine ve sonrasında büyük bir enerji açığa çıkartan fisyon tepkimesine sebep olur.

Gerçekleşen tetikleyici ilk fisyon tepkimesi sonucu çevreye nötronlar yayılır. Bu nötronlar diğer uranyum çekirdeklerine çarpar. Çarparak fisyonu, elementin her atom çekirdeğinde gerçekleştirene kadar devam eder. Ortaya çıkan enerji kontrol edilmediği takdirde ölümcül boyutlara ulaşır.

Nükleer Reaktörler

235U fisyona uğradığında, açığa çıkan yeni nötronlar başka U çekirdeklerini fisyona uğratabilir. Zincirleme reaksiyon kontrol edilmezse şiddetli patlamalar olabilir. (atom bombasının arkasındaki prensip budur). Ancak reaksiyon kontrol edilirse açığa çıkan enerji uygun bir şekilde kullanılabilir.

Enerjiyi kontrol etmek için reaktörlerde vardır. Bu reaktörlerin fazla nötronları tutan ve tepkimeye girmesini önleyen üniteler vardır. Bu sayede kontrollü bir fisyon tepkimesi zinciri sağlanır. Bu sayede kontrollü bir fisyon tepkimesi zinciri sağlanır.

Nükleer Güç Santrali (Reaktörü)

Bir nükleer santraldeki sistemler diğer güç santralleri ile aynı prensiple çalışırlar. Isı enerjisinin üretildiği bölümde buhar elde edilir. Buharın türbin jeneratörünü döndürerek elektrik üretilmesi mantığı nükleer santrallerde de aynıdır. Nükleer santraller de, ısı üretmek için nükleer reaksiyon kullanılır. Bunun için çevreye salınmaması gereken artık radyoaktif maddeler ürettikleri için, bazı ek sistemler kullanılır.

Örneğin; nükleer santralde, nükleer yakıtı barındıran yakıt tüpleri vardır. yakıt tüpleri arasından ısınarak geçen su, doğrudan türbine gönderilmez. Türbin için buhar üretilen ikinci bir çevrimi ısıtmak için kullanılır. Bununla ilgili sistemlere birincil sistem denir.

İkincil sistem ise birincil sistemdeki ısıyı alır. Isıyı alarak türbin jeneratörünü döndürmek için gerekli olan buharın üretildiği sistemdir. Her iki sistem de kapalı birer döngü meydana getirmişlerdir. 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 az olduğu yerlerde  ise soğutma kulelerinden yararlanılır.

 

Nükleer santraller birincil sistemlerindeki farklılıklara göre isimlendirilirler. Şekilde görülen sistem, bir basınçlı su reaktörü dür. Dünyadaki 400 den fazla sayıda nükleer santralın yaklaşık olarak yarısı basınçlı su reaktörüdür.

Basınçlı su reaktörlerinde, birincil sistem yaklaşık 150 atmosferlik bir basınç altında tutulur. Bu şekilde içindeki suyun yüksek sıcaklıklara kaynamadan çıkarılması sağlanmıştır. Kaynar sulu, basınçlı ağır sulu reaktörler en çok kullanılan nükleer santral tipleridir.

Nükleer Santral Nasıl Çalışır?

Nükleer santral çalışma prensibi: Nükleer santralin iç yapısında, uranyumun fisyon tepkimesine girer. Tepkimeye girmesiyle oluşan enerji, su buharının çok yüksek sıcaklıklara kadar ısıtılmasını sağlar. Yüksek sıcaklıktaki bu buhar, elektrik jeneratörüne bağlı olan türbinlere verilir.

Türbin kanatçıklarına çarpan yüksek enerjili buhar, türbin şaftını çevirir ve jeneratörün elektrik enerjisi üretmesi sağlanır. Jeneratör de oluşan elektrik ise iletim hatları iletken teller ile kullanılacağı yere gönderilir. Türbinden çıkan basınç ve sıcaklığı düşmüş buhar, yeniden kullanılmak üzere yoğunlaştırıcıya gider. Su haline geldikten sonra yeniden bölünme ile açığa çıkan enerji ile ısıtılıp buhar haline getirilir ve döngü devam eder.

Nükleer reaktörler birçok farklı şekil ve boyutta gelir. Bazıları çekirdeklerini soğutmak için su kullanırken, diğerleri gaz veya sıvı metal kullanır. En yaygın güç reaktörü türleri su kullanır. Dünyadaki reaktörlerin % 90’ından fazlası su bazlıdır.

Nükleer enerji, günümüzün ve geleceğin en önemli enerji kaynaklarından biri olarak görülmektedir. Petrol ve doğalgaz’ ın bazı ülkede geniş rezervler halinde bulunur. Bu kaynaklar yenilenemezler. Bundan dolayı ülkeleri nükleer araştırmalara ve nükleer enerjiden yararlanmaya yönlendirmiştir.

Nükleer Enerji Santrali

Dünya üzerinde 400′ den fazla nükleer enerji santrali vardır. Bu santraller dünyanın toplam elektrik ihtiyacının %15’ini sağlayacak kapasitede çalışmaktadırlar. Örneğin Fransa, elektrik (electricity) ihtiyacının %77’sini nükleer reaktörlerinden sağlamaktadır.

Şimdiye kadar çevreye zarar verebilecek büyük 4 tane nükleer santral kazası yaşanmıştır. Bunlardan en çok zarar verenler Çernobil Faciası, Fukuşima Faciasıdır. Bu iki facia en çok doğaya ve insanlara çok feci zararlar vermiştir.

Nükleer Santral Kazaları

1) 1957 yılında İskoçya’da Windscale kazası meydana gelmiştir. Bu kazada nükleer reaktörün civarına bir miktar radyasyon yayılmıştır. Radyasyondan dolayı ölümle veya akut radyasyon hastalığıyla sonuçlanan bir olay oluşmamıştır.

2) 1979 yılında ABD’ de Three Mile Island kazası meydana gelmiştir. Bu kaza bir işletim arızası, ekipman kaybı ve operatör hatası ile kazaya dönüşmüştür. Ancak kısmi reaktör kalbi ergimesi oluşmuştur. Buna rağmen reaktörü çevreleyen beton koruyucu kabuğun sayesinde çevreye ciddi radyasyon sızıntısı olmadığı söylenmiştir.

3) 1986 yılında Ukrayna’da meydana gelen Çernobil nükleer reaktör kazası; çok önemli bir faciadır. Kazanın nedenleri;

operatörlerin güvenlik mevzuatına aykırı olarak santralde deney yapmaları sonucu  oluşmuştur. Deney sonucu reaktördeki ani güç artmıştır. Reaktörde aşırı basınç oluşmuştur. Santralın tasarımında derinliğine güvenlik prensibine aykırı olmuştur. Reaktörü çevrelemesi gereken bir beton koruyucu kabuğun inşa edilmemiş olmasından kaynaklanmıştır.

26 Nisan 1986’da Ukrayna’daki Çernobil nükleer reaktöründe patlama oluştu. Patlama sonucu radyoaktif madde Ukrayna, Beyaz Rusya yayılmıştır. Bu ülkelerde yaşayan 336.000 insanın boşaltılmasına, 56 kişinin ölümüne neden olmuştur. 4.000 doğrudan ilişkili kanser vakasına ve 600.000 kişinin sağlığının ciddi şekilde etkilenmesine neden olduğu bilinmektedir.

Nükleer kalıntıların radyoaktif bulut üretir. Radyoaktif bulut patlamadan sonra Avrupa (Türkiye’de Karadeniz ve Marmara bölgesine) yayılmıştır. Forsmark, İsveç’in Uppland’ın doğu kıyısında 59 nüfusa sahip bir köydür.

En iyi Forsmark Nükleer Santralinin yeri olarak bilinir. Forsmark Nükleer Reaktöründe çalışan 27 kişinin elbiselerinde radyoaktif parçacıklara rastlanmıştır. Yapılan araştırmada radyoaktif parçacıkların İsveç’ten değil Çernobil’den gelen parçacıklar olduğu belirlenmiştir.

4) 2011 yılında Fukuşima I Nükleer Santrali kazaları Japonya’da meydana gelmiştir. Fukuşima I Nükleer Santrali kazaları 9.0 büyüklüğündeki 11 Mart günü olan 2011 Tōhoku depremi ve tsunamisi sonrasında oluşmuştur. Honşu adası açıklarında meydana gelen bu deprem, Japonya’da büyük bir tsunamiye yol açtı. Tsunami Japonyaya büyük zararlar vermiştir. Ayrıca nükleer enerji (energy) santrallerinde arızalar oluşturmuştur.

Günümüzde dünyanın birçok yerinde ve Türkiye’de de nükleer karşıtı gruplar vardır. Bunlar;

Yeşiller Partisi, Yeşil Barış (Greenpeace), Nükleer Karşıtı Platfom (NKP) Anti-Nükleer Cephe. Bu konuda öne çıkan bireysel tepkilerdir. Nükleer enerji santralı yapılması istenilen  Sinop ve Akkuyu’ da ayrıca yerel bazlı nükleer-karşıtı örgütlenmeler de vardır.

Kyoto protokolü (kyoto protocol) ve İklim Değişikliği Anlaşması:

Yenilenebilir enerji ile dengeli nükleer enerji stratejisi istemektedir. Karbondioksit gibi ısıyı tutan gazların atmosferde artmasıyla küresel ısınmaya yol açmaktadır. Bu sorun nükleer ve yenilenebilir enerji kaynakları (su ve rüzgâr) enerjinin artması ile çözümlenecektir. Dünya elektrik enerjisinin % 17’si nükleer enerjiden sağlanmaktadır. Dünyada birçok ülke, nükleer enerjisinden elektrik enerjisi elde etmek için yararlanmaktadır. Ülkemizde henüz nükleer enerji ile elektrik üreten santrallar bulunmamaktadır.

Nükleer yakıtlar; fosil yakıtların neden olduğu sera etkisi, asit yağmurları ve ozon tabakasına zarar veren atıkları oluşturmaz. Oysa reaktör arızalarından radyasyon ve nükleer atıklar yayılmaktadır. Bu atıkların kısa zamanda yok edilememesi ise potansiyel bir tehlike yaratmaktadır.

Türkiye’ de Nükleer Enerji 

Türkiye’de 1956 senesinde “Atom Enerjisi Komisyonu Genel Sekreterliği” kurulmuştur. 1982 senesinde tekrar yapılanarak “Türkiye Atom Enerjisi Kurumu’ na dönüştürülmüştür. Bu kurumun görevi, nükleer teknolojinin, barışçıl amaçlar için, sağlıklı bir biçimde kullanılmasıdır. Aynı zamanda transfer edilmesine yönelik araştırma, geliştirme ve işbirliği faaliyetlerini yürütmektir. Türkiye Atom Enerjisi Genel Sekreterliği, 1957 senesinde ilk ticari nükleer güç santralini işletmeye açmıştır.

Nükleer Enerji Ve Çevre

Nükleer enerjinin avantajları:

Nükleer enerji, çevre göz önüne alındığında birçok avantaja sahiptir. Nükleer enerji karbondioksit üretmez. Çevresel sorunlardan biri olan sera gazlarının (CO₂, SO₂, NO_x) artmasına katkıda bulunmaz. Nükleer santraller, kükürt dioksit, azot oksitler gibi asit yağmurlarına yol açan çeşitli gazları atmosfere bırakmazlar. Aşırı miktarda kül ve kül içindeki zararlı metalleri (özellikle radyoaktif uranyum) üretmezler.

Nükleer Enerjinin Dezavantajları

• Kurulum maliyetleri pahalıdır.
• Nükleer bozunmadan dolayı üretimden önce, üretim aşamasında ve gerekse atıklar nedeniyle tehlike arz eder. Atıklar zehirliliğinin %99 nun 600 yıl sonra kaybetmektedir.
• Uranyum madeni hacimce hafiftir. Buna rağmen çıkarım esnasında çok fazla uranyum edilmesinden sonra geriye 20 bin ton atık madde kalır
• Nükleer santrallerde kaza riski doğal afetlerle artar.

Nükleer Enerji Kullanım Alanları

Nükleer enerji hangi amaçla kullanılır? Nükleer enerji ne işe yarar?

Nükleer enerji sağlık sektöründe kullanılmaktadır. Bazı hastalıklar için tanı koyma ve tedavi  yöntemlerinde de nükleer enerjiden faydalanılmaktadır. Tarım alanında sağlıklı gıdalar üretmek için nükleer enerjinin payı büyüktür. Yiyeceklerin içindeki zararlı maddelerin arındırılması bu enerji kaynağı ile yapılmaktadır. Dünyada tıp, bilimsel araştırma, enerji, tarım ve endüstrideki ihtiyaçlara destek vermektedir. 3000’ den fazla da nükleer tesis bulunmaktadır.

 

Nükleer reaktörler, tıp ve endüstride kullanılan yararlı radyoizotopların üretilmesinde de kullanılırlar.

• Kanser tedavisinde, boru kaynaklarının tahribatsız muayenesinde kullanılan kobalt-60
• Tiroit bozukluklarının teşhis ve tedavisinde kullanılan İyot-131,
• Doktorların vücut içini görme amacı ile kullandıkları çeşitli tarayıcı cihazlarda kullanılan teknesyum-99
• Akciğer havalanmasının ve kan akışının ölçülmesinde yararlanılan ksenon-133,

bu izotoplara örnek olarak verilebilir.

Nükleer santrallerde elde edilen fazla enerji ise:

• Ev ve seralarımızın ısıtılması,
• Tuzlu sudan içilebilir su elde edilmesi,
• Petrol üretimi gibi alanlarda kullanılmaktadır.