nükleer enerji
Türkçe nükleer enerji kelimelerinin İngilizce karşılığı.n. nuclear energy
Bir ağır elementin çekirdeğinin daha küçük iki çekirdeğe ayrılması, olayına “nükleer fisyon” denir. Buna karşılık hafif elementlerin iki çekirdeğinin, daha büyük bir çekirdek ortaya çıkarmak için kaynaşmasına “nükleer füzyon” denir.
Nükleer fisyon ilk defaİkinci Dünya Savaşında kullanılmış ve daha sonra pekçok nükleer reaktörün çalışmasını sağlamıştır. Günümüzde bilim ve endüstride pekçok uygulaması mevcuttur. Kontrolsüz nükleer füzyon, bir atom bombasının başlattığı hidrojen bombasında ortaya çıkmıştır (bkz. Hidrojen Bombası). Nükleer füzyon, henüz kontrollü olarak reaktörlerde gerçekleştirilememiştir.
Nükleer enerji, üç nükleer reaksiyondan biri ile oluşur:
- Füzyon: Atomik parçacıkların birleşme reaksiyonu.
- Fisyon: Atom çekirdeğinin zorlanmış olarak parçalanması.
- Yarılanma: Çekirdeğin parçalanarak daha kararlı hale geçmesi. Doğal (yavaş) fisyon (çekirdek parçalanması) olarak da tanımlanabilir.
Nükleer enerji, 1896 yılında Fransız fizikçi Henri Becquerel tarafından kazara, uranyum maddesinin fotoğraf plakaları ile yanyana durması ve karanlıkta yayılan X-Ray ışınlarının farkedilmesi ile keşfedilmiştir.
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 bölgesi ve Trakya) üzerine yayılmış ve Çernobil'den yaklaşık 1100 km uzaklıktaki İsveç Formsmark Nükleer Reaktöründe çalışan 27 kişinin elbiselerinde radyoaktif parçacıklara rastlanmış ve yapılan araştırmada İsveç'teki reaktörün değil Çernobil'den gelen parçacıklar olduğu tespit edilmiştir.
Bunun gibi nedenlerle günümüzde dünyanın birçok yerinde ve Türkiye'de de nükleer karşıtı gruplar oluşmuştur. Bunlardan en ünlüleri; Yeşil Barış (Greenpeace), Nükleer Karşıtı Platfom (NKP) ve Küresel Eylem Grubu (KEG) 'dir. Nükleer enerji santralı yapılması istenilen Sinop ve Akkuyu'da ayrıca yerel bazlı nükleer-karşıtı örgütlenmeler de mevcuttur. Nükleer enerjinin çevre sorununa hiçbir şekilde çözüm olmadığını bilimsel ve siyasi olarak da savunan bu grupların yanı sıra kömüre oranla daha az karbondioksit salınımına sebep olduğu için çevreci olduğunu iddia eden nükleer lobi grupları da mevcuttur.
Uranyum ve nükleer enerji:
Bugün, atom endüstrisinin esasını uranyum madeni teşkil etmektedir. Uranyum çok ağır bir madendir. Bileşikler halinde, yeryüzünün her tarafında bulunmaktadır. Radyoaktif bir metaldir (Bkz. Radyoaktivite). Uranyumunun atom numarası 92'dir. Yani uranyum atomu, 107 elementin, 91 tanesinin atomlarından daha büyüktür. Böyle olmakla beraber, bir gram uranyumda 3x1021 tane atom vardır. Bu miktarın kapladığı hacim ise, ancak 50 mm3tür. Bir uranyum atomunun çekirdeği ise bu atomdan yüzbin defa daha küçüktür. Çekirdek içinde 92 tane proton bulunur. Nötron adediyse bazı çekirdeklerde 142, bazısında 143 ve bazısında da 146'dır. Böylece uranyumun üç izotopu vardır. İzotop, Yunanca “aynı yer” demektir. Buna göre üç izotopun atom ağırlıkları, yani çekirdekteki proton ve nötron sayılarının toplamı 234, 235 ve 238'dir. Uranyum izotoplarının atom ağırlıkları, birbirinden az olmakla beraber farklı olduğundan, dışardan gelip, bunların çekirdeklerine çarpan bir nötrona karşı, farklı tesir ederler. Bunların içinde, 143 nötronlu olan 235 atom ağırlıklı uranyum izotopunun gösterdiği tesir çok mühimdir. Şöyle ki:
Uranyum 235 izotopu çekirdeğine, hariçten (dışardan) bir nötron çarpınca, derhal (saniyenin birkaç milyonda bir anında) kırılıp, ikiye bölünür. Meydana gelen parçaların ikisi de, o an içinde, etrafa nötronlar ile gamma ışınları saçarlar. Uranyum 235 atomunun bu suretle parçalanmasına fisyon (inşikak= yarılma) denir ki, radyoaktiviteye hiç benzememektedir.
Fisyona uğrayan uranyum izotopu, yalnız uranyum 235'tir. Yarılmadan, her zaman aynı iki parça meydana gelmez. Kırktan fazla çeşitli parça meydana gelmektedir. Bunların herbiri de dayanıksızdır. Yani radyoaktif olup, parçalanarak, zerreler ve enerji neşrederler. Bu zerreler de, tekrar parçalanır. Böylece sabit zerrelere ayrılıncaya kadar az veya çok uzun bir zaman parçalanmağa uğrarlar.
Yarılmadan meydana gelen çiftlerden ikisine ait denklem,
92U235+0n1®36Kr89+56Ba144+30n1+Enerji
92U235+0n1®35Br85+57La148+30n1+Enerji
şeklindedir.
En çok rastlanan çiftler; Kripton-Baryum, Brom-Lantan, Stronsiyum-Ksenon ve Yitriyum-İyottur.
Yukarıdaki yarılma denklemlerinde, sağ taraftaki kütleler toplamının, sol taraftaki kütleler toplamından noksan olduğu görülmektedir. Demek ki kütle kayboluyor, enerji haline dönüşüyor: Einstein hesabına göre bu enerji E= mc2 formülü ile verilir. m kaybolan kütle c2 ise ışık hızının karesidir. Bir tek uranyum çekirdeğinin yarılmasından, ikiyüz milyon elektron volt (200 MeV) miktarında enerji hasıl oluyor. 1 eV= 4,45x10-26-26 kwh'lik enerjidir. Yani, 1 kwh'lik enerji hasıl olması için, 1016 kere yarılma olması gerekir. Bu hesaba göre 1 kg uranyum maddesinin yarılması sonunda 8,21x1013 joule'lik enerji açığa çıkar ki, bu miktar yaklaşık 20.000 ton dinamitin patlaması esnasında ortaya çıkan enerjiye eşittir.
Bu enerjinin % 4'ü, yarılma esnasındaki ışınlar halinde, % 16'sı meydana gelen parçaların radyoaktif ışın saçmaları ile, geri kalan % 80 kısmı da, parçaların kinetik enerjisi (süratleri) ile taşınır. Büyük süratle atılan bu parçalar, etraftaki uranyum atomlarına çarparak, bu enerjiyi de hararet şeklinde saçarlar. Atom cihazı (reaktör) kullanılarak, elektrik yapan dinamonun türbinini çevirmek için lazım olan su buharı, işte bu hararetle elde edilmektedir.
Fakat, tabiatte mevcut uranyum parçalarında bulunan uranyum 235 miktarı pek azdır ve binde yedi kadardır. Geri kalan, binde 993 kısmı uranyum 238'dir ki, bu pek nadir yarılmaya uğrayabilir (uranyum 234 izotopu, pek az olduğu için önemli değildir). O halde, bir yarılmadan meydana gelen pek büyük bir hızla atılan bir nötronun, bir uranyum 235 çekirdeğine çarpması ihtimali pek az, hemen hemen hiç yok gibidir. Demek ki, bir uranyum parçasında başlayan yarılma reaksiyonlarının devam edebilecek bir infilak halini alabilmesi için bazı işlemler gereklidir.
İlk işlem, uranyum parçasını çok dikkatle temizlemektir. Çünkü, kıymetli nötronlar, hemen hemen bütün cisimler tarafından tutulur. Bundan başka, uranyum 238 miktarı, uranyum 235 miktarından pek fazla bulunmakla kalmayıp, nötronları kendine daha kuvvetle çeker ve böylece, yarılmanın zincirleme reaksiyon olarak ilerlemesini durdurur.
İkinci işlem, bir yarılmadan saçılan nötronların sürati pekçok olduğundan (yaklaşık 2 MeV) atom çekirdekleri tarafından tutulmasına vakit bulunamaz. Nötronların hızı azalıp orta süratli olunca, uranyum 238 atomları tarafından da yakalanırlar. Yakalanma ihtimali “rezonans enerjisi” halinde en fazladır. Uranyum 238 atomları, bir nötron alınca uranyum 239 haline dönüyor ki, bu cisim radyoaktif olup, beta ışınları saçar ve neptünyum 239 denilen yeni bir element şekline döner. Bu eleman da bir beta ışını neşrettiğinde plutonyum 239 cismi hasıl olur ki, bu cisim de nükleer reaktörler için ayrıca ehemmiyet taşımaktadır.
Uranyum 235 saf olarak, pek güç ayrılabildiğinden, bugün ancak Brileşik Amerika ve Rusya'da ve pek az miktarda da İngiltere'de elde edilebilmektedir. Uranyum 235'in saflaştırılmasında gazların difuzyonu prensibi kullanılmaktadır. Bunun için uranyum, UF6 (uranyum hekzaflorür) gazı haline getirilmekte ve difüzyon kabında hafif olan 235 atomlarının üst kısma geçmesiyle 238 atomlarından ayrılması sağlanmaktadır. Bu saflaştırma yolu ile yüzde doksan üç değerinden daha fazla saflıkta uranyum 235 elde edilmiştir. Fakat, saf bir uran 235 parçasında parçanın kütlesi, kritik (tehlikeli) miktarı bulunca zincirleme reaksiyon bir anda hasıl olmaktadır. Bu suretle bir atom cihazı değil, bir atom bombası meydana gelir. Birleşik Amerika'da, az saflaştırılmış uran 235 kullanılmaktadır. Bu saflaştırma oranı % 2-4 arasında değişmektedir.
1. Fisyonun prensipleri: Ocak 1939 da Otto Hahn ve Fritz Strassman yeni bir tür nükleer reaksiyon tespit etmişlerdir. Uranyum'un düşük enerjili nötronlarla bombardıman edilmesi halinde bazı nötronların uranyum atomlarının çekirdeği tarafından absorbe edildiğini (tutulduğunu) tespit etmişlerdir. Ayrıca, bu suretle zorlanan çekirdeğin yeni bir reaksiyonla baryum verdiğini görmüşlerdir. Lise Meitner ve Otto Robert Frisch tarafından aynı yıl, zorlanan çekirdeğin daha küçük kütlede iki çekirdeğe ayrıldığı da açıklanmıştır. Bu çekirdek ayrışması yani fisyon, bir su damlacığı benzeşimiyle açıklanabilir. Eğer bir damla bir kuvvetle titreşime zorlanırsa, ilk önce elipsoit şekli alır, daha sonra ortası daralır ve sonuç olarak iki küçük damlaya parçalanır.
Bu şekildeki bir çekirdeğin fisyonunda, şekillenen ağır parçacıkların kütlesi, başlangıçtaki kütleden biraz daha azdır. Arada kaybolan kütle enerjiye dönüşür. Bu enerji, fisyon sonucu parçacıklarda çok büyük kinetik enerji ortaya çıkar.
Fisyon işlemi değişik fisyon ürünlerinin ortaya çıktığı pekçok değişik şekillerde meydana gelebilir. Fisyon sonucu ortaya çıkan maddeler, başlangıçtaki maddeden daha düşük atom ağırlıklıdırlar ve genellikle elektron vererek bozunan kararsız izotoplardır. Uranyum -235 izotopunun fisyonunun sonucu, çıkan maddeler çinkodan (atom numarası 30) gadolinyuma (atom numarası 64) kadar uzanır.
Uranyum, toryum ve benzerleri, gamma ışınları veya döteron ile çekirdeklerine yeterli enerji sağlandığında fisyona giderler. Bunun yanında uranyum-238'in de içinde bulunduğu ağır çekirdekler ani fisyon meydana getirirler. Atom numarası ilerledikçe ani fisyona gitme eğilimi de artar. Ancak bu tür fisyonlar, nötronla başlatılan fisyon ve bunu izleyen zincir reaksiyonlarına göre daha az öneme sahiptir.
Zincir reaksiyonları: Frederic Joliot-Curie, Hans von Halban ve Lew Kowarski tarafından 1939'da keşfedilen, nükleer reaksiyonun kendi kendisini beslemesi zincir reaksiyonu olarak isimlendirilir. U-235'in düşük enerjili nötron tarafından sebep olunan fisyonunda ortalama 2,5 ilave nötron açığa çıkar. Bu nötronlar da başka fisyonlar başlatacaklarından hızla büyüyen bir enerji açığa çıkar. Bu tür olayda zincir reaksiyonları sürekli ve hızla artarak devam eder. Zincir reaksiyonunun devam etmesi için tek şart; her bir reaksiyonun daha sonra bir fisyon meydana getirebilecek bir nötron açığa çıkarmasıdır.
Fisyondan meydana gelen nötronlar yüksek kinetik enerjiye sahip olup, “hızlı nötronlar” olarak isimlendirilir. Bu tür nötronlar enerjilerini çarpma ile grafit, berilyum veya ağır su gibi hafif maddelerin bulunduğu ortama verirler. Bu ana ortam tarafından yavaşlatılan nötronlar “termal nötronlar” olarak isimlendirilir. Bunların kinetik enerjileri hidrojen gazı moleküllerininkilere benzer. Hızlı ve yavaş nötronların her ikisi de fisyon meydana getirirlerse de yavaş olanlar U-233, U-235 ve Pu-239 gibi ağır elemanların bazı izotoplarında etkili olurlar.
Fisyon sonucu meydana gelen nötronlar ya reaksiyon ortamından kaçar veya başka bir reaksiyon tarafından kullanılır. İlk duruma ait kayıp, büyük bir sistem kullanılmasıyla küçültülebilir.
Bir nükleer reaktörün kritik büyüklüğünün daha altına inildiğinde sistemden pekçok nötron kaçtığı için zincir reaksiyonu durur. Bu kritik büyüklük, fisyona uğrayan maddeye ve enerji alan ortama bağlıdır. Uranyumu fisyon maddesi olarak ve grafiti ana ortam olarak kullanan bir reaktör en büyük kritik büyüklükte olup, en azından 28 ton uranyum ve 500 ton grafite ihtiyaç duyar. Kanada, Fransa ve Norveç'te inşa edilenlerde olduğu gibi ara ortamı ağır su olan uranyum reaktörleri 3 ton uranyum ve 6,5 ton ağır suya ihtiyaç gösterir.
Termal nötronlar, reaktördeki izotoplar tarafından yakalanarak daha ağır izotopların meydana gelmesine ve gamma radyasyonuna yol açar. İyi bir reaktör sisteminde, bu tür olayın meydana gelmesi en az seviyede olur.
Nükleer fisyon yakıtları
U-235 izotopu termal ve hızlı nötronları yakalayarak fisyona giderken, U-238 üzerinde sadece hızlı nötronlar etkili olur. Nitekim enerjinin kullanılmasında iki ana imkan ilk araştırıcılar tarafından incelenmiştir. Bunlardan birinde U-238'den U-235 ayrılır ve elde edilen saf U-235 hızlı reaktör veya termal reaktörde kullanılır. Diğer bir yol ise tabii uranyumu veya U-235 ile zenginleştirilmiş tabii uranyumu ana ortam ile karıştırmak ve daha sonra bu karışımı, termal reaktörde kullanmaktır.Nükleer fisyon enerjisi
Reaktörlerde nükleer fisyon sonucu serbest kalan enerji esas olarak, fisyon maddelerinin kinetik enerjisi, fisyon maddelerinin radyoaktif enerjisi ve kısmen de fisyondaki gamma radyasyonudur. Fisyona uğrayan maddelerin, çevredeki uranyum ortamına çarpması sonucu, kinetik enerji ısı enerjisine çevrilir. Zincir reaksiyonu devam ettikçe, daha fazla radyoaktif olan uranyum çekirdeğinden çok az fisyon maddeleri kaçar. U-235'in kütlesinin sadece çok az bir miktarı enerjiye dönüştürüldüğü halde, 0,45 kg U-235'in fisyonundan 1250 kilo-watt senelik enerji elde edilir.Fisyon reaktörleri:
Bir nükleer fisyon reaktörü, içinde kontrollü zincir reaksiyonun meydana geldiği bir alettir. Normal işlem şartlarında, zincirin her bir noktasında bir fisyon reaksiyonu, kendisini takip eden sadece bir fisyon doğurur. Böyle bir durumda fisynolaşmanın artma katsayısı birdir. Alışılagelen bir termal reaktörde, zincir reaksiyonu termal nötronlar tarafından sürdürülür.Termal reaktörlerde, fisyona uğrayacak U-235 gibi bir izotop yakıtı, grafit gibi bir ana ortam ve reaktör çekirdeğinden ısıyı uzaklaştıracak su gibi bir soğutucu vardır. Orta hızlı reaktörde ise zincir reaksiyonu nötronların enerjileriyle sürdürülür. Bu tür reaktörlerde, uranyum yakıtı, berilyum ara ortamı ve sıvı sodyum soğutucusu mevcuttur. Hızlı reaktörde ise zincir reaksiyonu hızlı nötronlar tarafından sürdürülür. Onları yavaşlatacak veya sayılarını azaltacak ara ortam yoktur.
Dünyada ilk başarılı nükleer reaktör, Chicago Üniversitesinde inşa edilmiştir.
2 Aralık 1942'de çalışmaya başlayan bu reaktör ilk kendi kendini besleyen zincir reaksiyonu meydana getirmiştir.
Ticari nükleer-elektrik santrallerinde, her bir tür reaktör tarafından üretilen ısı, santralin net elektrik çıkışından çok daha fazladır. Nükleer santrallerin verimi % 30 civarında olup, kaybedilen enerji çevreye ısı olarak verilir. Mesela toplam çıkışı 300 MW olan bir reaktörde, net elektrik çıkışı 1000 MW civarındadır.
3. Nükleer fisyon santralleri
Elektrik güç üreten nükleer santrallerin tasarımı, ilke olarak fosil yıkıtı(kömür, petrol veya doğal gaz) kullanan santrallerininkinin aynısıdır. Fisyon sonucu ortaya çıkan ısının faydalı bir şekle dönüştürülmesi gerekir. Bu ise, ısının nükleer fisyon reaksiyonundan, reaktör soğutucusuna nakledilmesiyle yapılır. Kaynar su reaktörlerinde soğutucu, basınç ve yüksek sıcaklıkta, buhar haline getirilir. Diğer tür reaktörlerde ise, ısıtılmış soğutucu, ısıyı buhar üreten kısımdaki suya geçirir ve suyu buharlaştırır. Her iki durumda da buhar türbin kanatlarını dolayısıyla elektrik jeneratörünü döndürmek için kullanılır.Santralin emniyeti
Nükleer santrallerin en önemli özelliklerinden biri bozunma ısısının bulunmasıdır. Reaktör kapatılsa bile radyoaktif fisyondan ve yakıtın doğal radyoaktivitesinden, reaktör yakıtı ısı üretmeye devam eder. Bu ısının uzaklaştırılması gerekir. Bunun yerine getirilmemesi veya soğutma sistemindeki bir hata önemli kazalara sebep olabilir.Soğutucunun eksikliğinden doğan kaza durumunda, nükleer santral kendi acil çekirdek soğutma sistemini harekete geçirir.
Nükleer santral endüstrisi
Nükleer santral endüstrisinin doğumu, Chicago'da Enrico Fermi ve arkadaşlarının ilk kontrollü zincir reaksiyonunu yapmalarından 14 yıl sonra 1956'da olmuştur. Bu 14 yıllık zaman aralığında deney safhasından endüstrideki uygulamaya geçiş hızlı bir gelişmeye işaret eder. Ancak, dünya enerji ihtiyacının artması bu gelişmeyi gölgelemiştir. Fosil yakıtlarının azalması ve enerjiye olan ihtiyacın artması, nükleer enerjiyi yakıt maliyeti bakımından cazip duruma getirmiştir. Mesela ABD'de ilk defa 1966 yılında fosil yakıt santrallerinden daha fazla nükleer yakıt santralleri planlanmıştır. Ancak, toplumun nükleer santrallerin çevre kirliliğine karşı olan endişesi, yeni nükleer reaktörlerin planlanmasını yavaşlatmıştır. Normal hafif su reaktörleri, günümüzdeki enerji darlığını rahatlatabilirlerse de U-235 yakıt kaynakları uzun dönemde çözüm getirecek kadar yeterli değildir. Bunun yanında üretici reaktörler, yeryüzünün çok büyük uranyum cevherindeki enerjiyi kullanabilecek tek yol olarak görünmektedir. Söz konusu bu enerji, petrol, doğal gaz ve kömürdekinden çok daha fazladır.Bir enerji kaynağı, yalnız enerji muhtevası ile değerlendirilmemeli, aynı zamanda çevreye getirdiği yük de gözönüne alınmalıdır. 1000 MW'lık bir üretici reaktör santrali, senede yaklaşık 5,7 metreküp yüksek seviyeli radyoaktif artık madde ve yaklaşık 510 metreküp düşük seviyeli artık madde üretir. Bu artıklar çevreyi tahrip edeceği için bunların emniyetli bir şekilde ayrılması ve depo edilmesi gerekir. Üretici reaktörlerin bu bakımdan üstünlükleri vardır. Mesela 1000 MW'lık üretici reaktör sadece senelik yaklaşık 300 metreküplük uranyum cevherinin ocaklarından çıkarılmasını ve nakledilmesini gerektirir. Buna karşılık benzer bir elektrik üretimi için kömür ile çalışan santral yaklaşık 3,4 milyon metreküp kömüre ihtiyaç duyar. Ayrıca üretici reaktörün daha az gaz, sıvı, katı ve termal artıkları vardır. Bu tür reaktör 1320 termal MW'lık artık ısı açığa çıkarırken, mukayese edilebilir güçteki kömürlü olanda bu değer 1570 termal MW'dır. Hafif su reaktöründe ise 2120 MW'tır.
Bunun dışında üretici reaktörün kömürlü santrallerin karakteristik artığı olan, azot oksitleri, kükürt dioksit ve maddesel tanecikler gibi artıkları yoktur.
Çevre ve sağlık zararları
Konu ile ilgili bazı kimseler, reaktör teknolojisi ilerledikçe, insan ve canlıların daha fazla radyasyona maruz kalacağını iddia etmekte ve bunun ciddi çevre ve sağlık zararlarına sebep olacağını bildirmektedir. Radyasyonun zararlı etkisinin en düşük seviyede olmak üzere, radyasyon seviyesiyle doğrudan orantılı olduğu günümüzde kabul edilmiştir. Yani, sıfır radyasyon tamamen tehlikesizdir. En az doğal radyasyonun bile tehlikesi vardır.Reaktör teknolojisi tarafından dışarıya verilen radyasyon geri döndürülemez türdendir. Bu sebepten, radyasyon seviyesi sürekli artmaktadır. Günümüzde radyasyonun insana ve diğer canlılara olan etkisinin tamamen anlaşıldığı söylenemez.
Çalışan nükleer reaktörler kontrollü fisyon ile çok büyük miktarlarda ısı üretirler. Bunun bir kısmı buhar haline dönüştürülerek, elektrik üretilir. Bunun yanında büyük miktarda yeni radyoaktif artık üretilir ve ısının % 60'ı kullanılamaz. Reaktör emniyetinin tartışılan konularından en önemlisi, radyoaktivitenin açığa çıkma büyüklüğü, ortaya çıkma ihtimali ve bunların canlılara olan tesirleridir. Bu tür açığa çıkma işlemi, reaktörlerin arızasında, kazasında ve normal çalışmasında olabildiği gibi, yakıt nakli, yakıtın hazırlanması, alınması, artık maddelerin atılması sonucunda da meydana gelebilir.
Günümüzde nükleer enerjinin kullanımı: Petrol fiyatlarının artması ve petrolün sınırlı olması pekçok ülkeyi nükleer enerji kullanmağa zorlamıştır. Mesela Fransa elektrik ihtiyacının % 75'ini; Belçika % 60'ını; Bulgaristan % 36'sını; Almanya % 33'ünü; Japonya % 27'sini; ABD ve İngiltere % 21'ini nükleer enerjiden elde etmektedir. Türkiye'de ise bu oran % 0 denecek durumdadır.
Dünya'da 30 kadar ülkede nükleer enerji üreten santrallar vardır. Bu santralların sayısı 438 civarındadır (1994).
Nükleer enerjinin diğer kullanım yerleri: Silahtan sonra en yaygın nükleer enerji kullanım yeri nükleer tahriktir. Denizaltı ve denizüstü araçların hareketinde gerekli olan tahrikte de kullanılır. İlk olarak USSNautilus Nükleer Denizaltısı 1955'te denize indirilmiştir. Bu suretle geliştirilen hafif-su reaktörleri daha sonra ticari uygulama alanı da bulmuştur. ABD'de nükleer tahrikli 118 denizaltı mevcuttur. Uçak gemilerinin tahrikinde derin deniz araştırmalarında da nükleer tahrik kullanılmaktadır. Enterprise, Nimitz ve Eisenhower uçak gemileri bunlardandır.
NASA'nın önderliğiyle nükleer enerji tahrikli uzay gemileri de geliştirilmiştir.
Az geçirgenliğe sahip jeolojik tabakalardaki doğal gazı yeryüzüne çıkarmak için yine nükleer patlamadan faydalanılmaktadır. Ayrıca petrol depolamada, artık maddeleri aklamada, jeotermal enerjiden faydalanmada veya madencilikte kullanmak üzere yeraltı boşluklarının meydana getirilmesinde nükleer patlamadan faydalanılır.
Deniz suyunu arıtma tesislerinde de nükleer patlamadan istifade edilir. Dünyada bulunan 1455 milyon kilometre küp sudan ancak % 1'i içmeye müsaittir ve bunun çoğu donmuş olarak kutup bölgelerinde bulunmaktadır. Nükleer enerji büyük arıtma tesislerinin kurulmasında tercih sebebi olmaktadır.
Nükleer Füzyon
Füzyonun prensipleri
Güneş ve diğer yıldızların enerji kaynağı olan nükleer füzyon atom çekirdeğinin temel enerji açığa çıkarma reaksiyonlarından biridir. Bilim adamları, hidrojen bombası ile kontrolsüz füzyon elde etmişlerse de, kontrollü füzyon kendine has problemleri dolayısıyla henüz gerçekleştirilememiştir. Eğer kontrollü nükleer-füzyon yapılabilirse, insanlığın enerji problemi çözülebilir.Bazı hafif element izotoplarının çekirdeklerinin çarpışması sonucu, çekirdeği oluşturan proton ve nötronların yeni bir düzene girmesi, reaksiyon ürünlerinin meydana getirilmesi ve bu arada enerji açığa çıkması füzyonu meydana getirir. Açığa çıkan enerji, reaksiyon maddelerinde kinetik enerji olarak bulunur.
Atom çekirdekleri ihtiva ettikleri protonların artı (+) elektrik yüküne sahip olmaları sebebiyle birbirlerine elektrostatik itme kuvveti uygularlar. Bu kuvvet, uzaklığın karesiyle ters orantılı olduğundan çekirdekler birbirine yaklaşırken çok büyük değerlere çıkar. Fakat çekirdeğin enerjisi bu kuvveti de yenerek daha da yaklaşırsa, birden nükleer kuvvetlerin çekim sahasına girer. Bu sahada çekirdekler birbirlerine doğru gittikçe artan bir süratle yaklaşırlar. Çekirdeklerin kaynaşmaları neticesinde yeni bir çekirdek meydana gelirken kütle kaybı olur. Bu da enerji olarak açığa çıkar.
Kaynaşma hadisesi, elektriki itmenin daha az olduğu az sayıda proton ihtiva eden çekirdeklerde kolay gerçekleşir. Nukleon kuvvetlerinin tesir mesafesine girebilmesi için bir çekirdeğin, elektrostatik itme kuvvetini yenebilecek kinetik enerjiye, yani çok büyük bir hıza sahip olması gerekir. Bu değerde hızlı olabilmesi için, çekirdeğin bulunduğu ortamın sıcaklığının tek protonlu çekirdekler için (hidrojen), yaklaşık 80 milyon derece Kelvin civarında olması gerekir. Tabii ki bu sıcaklıkta atomlar elektronlarını kaybedip, çıplak çekirdekler halinde uçuşurlar. Böyle bir ortama “plazma” denir.
Kaynaşma reaksiyonunda açığa çıkan enerji, şualarla (ışınlarla) dışarı yayılırken, aynı zamanda ortamın sıcaklığını da arttırır. Ortam sıcaklığı çok artarsa, kaynaşma reaksiyonları aniden meydana gelip, infilak hasıl olur. (Bkz. Hidrojen Bombası)
Güneş ve yıldızlarda kaynaşma hadisesi, yani termonükleer reaksiyonlar devamlı olmaktadır. Buna göre güneş ve yıldızların sıcaklıkları 107 derece santigrad mertebesinden aşağı değildir.
Füzyon reaksiyonlarından birkaçı şunlardır:
D + D ® T + p + 3,98 MeV
T+D ® He4+n+17,6 MeV
He3+D ® He4+n+18,3 MeV
Li6 + D ® 2He4+22,4 MeV
(D: Döteryum, T: Trityum.)
Füzyon reaktörleri
Füzyon reaksiyonlarını kontrol altına alarak, çıkan enerjiden faydalanılmasını temin için yapılan reaktörlerdir. Füzyon reaksiyonlarını tam kontrol altına almak henüz mümkün olmamıştır. Füzyon reaktörlerinin sıcaklığının, yaklaşık 100.000.000°C olması gerekir. Bu sıcaklığı bir hacimde tutacak çeper, bayağı usullerle sağlanamaz. Kaynaşma malzemesi olarak döteryum, trityum gibi hidrojen izotopları kullanılır. Her 6500 hidrojen atomunda yaklaşık bir tane döteryum bulunur. Okyanuslarda çok rastlanır. Reaksiyonun devam edebilmesi için, kaynaşma ortamı sıcaklığının 100 milyon derece Kelvin civarında olması gerekir.Kaynaşma yapacak atomlar, toroit şeklindeki bir vakuma konur. Bu ortamın içinden elektrik akımı geçirilerek, elektrik boşalmaları ile atomlar iyonlaşarak plazma haline geçerken, 50.000 gauss şiddetteki bir manyetik saha içinde tutulurlar. Böylece bir arada bulunurlar. Bu alan, yeryüzündeki manyetik alan şiddetinin 100 bin katı şiddettedir. Bu durumda çekirdeklerin hareketleri sebebiyle de, manyetik kuvvet plazmayı iyice büzer. Bu hacim, artık bayağı çeperlerle irtibatı olmayan fakat hudutlu bir hacimdir. Bu hacme “manyetik şişe” denir. Bu durumda plazmaya ısı veren akım 10.000 amper civarında, plazma yoğunluğu santimetreküp başına 1015 çekirdek civarındadır. Plazma bu şartlarda tutulursa reaksiyon devam eder.
Plazma içindeki nötronlar, manyetik kuvvetten etkilenmediklerinden manyetik şişeden kurtulup toroit şeklindeki hacmin çeperlerine çarparlar. Bu çarpmalarla enerji transferi sağlanır. Ayrıca hareketli yüklerden indüksiyon yolu ile direkt olarak elektrik enerjisi alınır.
Kontrollü füzyon
Nükleer füzyon enerjisi ilk defa kontrolsüz olarak 1950'lerin başında hidrojen bombasında ortaya çıkarılmıştır. Girişilen pekçok araştırma programı, hafif elementlerin nükleer reaksiyonundan kontrollü bir şekilde füzyon enerjisi elde etmeyi amaçlamıştır. Füzyon enerjisinden de elektrik enerjisi elde edilecektir.Büyük miktardaki suyun elektrolizi sonucu hafif hidrojenden kolayca ayrılarak bulunan döteryumdan füzyon reaktörlerinde hemen hemen sonsuz enerji elde edilebilir. Ayrıca kontrollü füzyon tamamen emniyetli olacaktır. Çünkü belirli bir zamanda reaktörün içinde yakıtın küçük bir miktarı mevcuttur. Nükleer füzyonda sözkonusu olan patlama veya plansız reaksiyonların, burada meydana gelmesi imkanı yoktur. Diğer bir yönü de sonuç artığın radyoaktif olmamasıdır. Bu sebeple artığın çevreyi radyoaktif kirletme durumu yoktur. Çalışma sisteminin özelliğinden dolayı füzyon enerjisinin, fisyon enerjisinden çok daha ucuz olacağı tahmin edilmektedir.
Atom enerjisinden istifade için yeni bir kaynak da, çekirdekle etrafında dönen elektronlar arasındaki etkileşim enerjisi olacaktır. Bu öyle bir enerjidir ki; birçok atomda, ışık hızının yarısına yakın hızlarla dönen elektronlar mevcuttur.
Kaynak: Rehber Ansiklopedisi
