Günümüzün nükleer güç santrallerinin nasıl çalıştığını ve nükleer füzyonun gelecekte sunacaklarını inceliyoruz.
Elektrik elde etmek için nükleer tepkimelerden faydalanma fikri 60 yıldan daha eskiye dayanıyor. 1970ʻlerde durgunluk yaşayan nükleer güç, kısmen de fosil yakıtı yakmanın çevre üzerindeki zararlı etkileri yüzünden tekrar yükselişte. Günümüzün ticari nükleer reaktörleri, enerjiyi nükleer fisyon işlemiyle üretiyor ve bunun ne anlama geldiğini, neden bu kadar çok enerji ürettiğini ve bir nükleer güç santralinin nasıl çalıştığını bu makalemizde size anlatacağız. Fisyon denenmiş ve kendini kanıtlamış bir teknoloji olsa da, birçok bilim insanı geleceğin nükleer füzyonda yattığına inanıyor.
Kimyasal bağlar, çok miktarda enerji içerir ve bu enerjiyi kimyasal tepkimelerle serbest bırakmak mümkündür. Fosil yakıtlarını yakmak bunun klasik bir örneğidir ve bir litre benzinin oksitlenmesinin koca bir otomobili ne kadar uzağa taşıyabildiğini düşününce, enerjinin miktarını gözümüzde daha rahat canlandırabiliriz. Ancak bir atomun çekirdeğinde, protonlarla nötronlar arasındaki bağlarda depolanan enerji miktarının yanında, kimyasal bağların depoladığı enerji çok küçük kalır.
Nükleer santrallerde gerçekleşen nükleer tepkimeler, işte bu enerjiyi salıverir ve fosil yakıtı yakmaya kıyasla elde edilen enerji farkı dudaklarınızı uçuklatabilir. Aynı miktarda nükleer yakıt kullanmak, petrol ya da kömür yakınca elde edilen enerjinin 2 ila 3 milyon katını açığa çıkarır.
Bilim insanları nükleer enerjinin potansiyelini 1930ʻlarda fark ettiler ve bu iş asla tek bir kişinin başarısı olmasa da, İtalyan fizikçi Enrico Fermi, genellikle “nükleer çağın mimarı” kabul edilir. Fermi 1939 yılında ABD’de Columbia Üniversitesinde çalışmaya başladı ve burada nükleer fisyonun açığa çıkardığı enerjiyi fark etti. Takvimler 1942’yi gösterdiğinde Fermi, dünyanın ilk kendini sürdüren kontrollü nükleer zincirleme tepkimesinin kurulmasına yardımcı olmuştu. Ancak çok geçmeden siyasi olaylar nükleer teknoloji araştırmalarının çehresini değiştirecekti. Amerika Birleşik Devletleri 2. Dünya Savaşı’na dahil olunca, Fermi de Manhattan Projesi‘nde görevlendirildi ve burada, başta Robert Oppenheimer olmak üzere dönemin en ünlü bilim insanlarıyla bir arada çalışarak atom bombasının geliştirilmesinde büyük rol oynadı.
Savaşın bitmesinin ardından dikkatler nükleer fisyonun barışçıl amaçlarla, enerji kaynağı olarak kullanılmasına döndü. Dünyanın ilk ticari nükleer santrali olan 50 megawatt kapasiteli Calder Hall, İngiltere’de 1956’da hizmete girdi. Birkaç yıl geçmemişti ki ABD, Kanada, Fransa ve SSCB çok sayıda nükleer santrali devreye soktu. Günümüzde dünyanın 30 ülkesinde 450 civarı operasyonel nükleer santral bulunuyor.
Bir zamanlar atomun bölünmesine olanaksız gözüyle bakılıyordu ama nükleer fisyon tam da bunu yapıyor ve atom ağırlığı büyük olan bir atomu, daha küçük atom ağırlığına sahip iki atoma bölüyor. Nükleer enerji santrallerinde tercih edilen element uranyum olsa da, uranyum dışında elementler kullanmak da olanaklı. Bir elementin atom numarasını belirleyen şey, çekirdeğindeki protonların sayısı ve uranyum için bu, 92.
Bununla birlikte elementler, çekirdeklerindeki nötron sayısı daha farklı olan biçimlerde bulunabiliyor ve buna izotop deniyor. Uranyumun izotopları arasında uranyum 235 (yani 235U) ve uranyum 238 (238U) bulunuyor. Bu rakamlar o izotopun atom ağırlığını, yani proton ve nötron sayılarının toplamını gösteriyor. Doğada bulunan haliyle uranyum, %99,27 oranında uranyum 238’den ve yalnızca %0,7 oranında uranyum 235’ten oluşuyor.
Bu da enerji üretmek için çok kullanışlı değil zira sadece uranyum 235 izotopu fisyon tepkimesine girebiliyor. (Uranyum 238 bir fisyon zincirleme tepkimesini devam ettiremiyor.) O yüzden de, yakıt olarak kullanabilmek için fizil uranyum 235’i zenginleştirme denen bir işleme tabi tutmamız ve konsantrasyonunu artırmamız gerekiyor. Uranyumun bu iki ana izotopunun kimyasal nitelikleri çok benzer olduğundan, uranyum 235 konsantrasyonunun artırılması adım adım gerçekleştirilebilen ve çok zamanalan bir işlem.
Enerji elde etmek için kullanılan zenginleştirilmiş uranyumdaki uranyum 235 miktarı %3 ile %5 arasında. Uranyum 235 fisyonu, çekirdeğe nötron fırlatılmasıyla meydana geliyor. Nötron ilk başta uranyum 235 tarafından yakalanıyor. Fakat bu uranyumun son derece istikrarsız hale gelmesine ve ikiye bölünerek başka elementlere dönüşmesine yol açıyor. Bu sırada da enerji açığa çıkıyor. Uranyum 235’in fisyonu bir dizi farklı yan ürün meydana getirse de, en yaygın olanları baryum ve kripton izotopları. Bu yan ürünlerin birçoğu zaten son derece radyoaktif olduklarından bozunuma uğruyorlar.
Daha da önemlisi, fisyon tepkimesi iki ya da üç nötron açığa çıkarıyor. Bunlar da diğer uranyum 235 atomlarıyla çarpışarak onları nükleer tepkimeye sokuyor. Böylece bir zincirleme tepkime meydana geliyor; yani, bir kez başladıktan sonra fisyon tepkimesi kendi kendine sürüyor. Ne var ki bir nükleer reaktörde bu süreç kontrol altına alınmazsa enerjinin gereğinden hızlı biçimde serbest kalmasına ve bir felakete yol açabiliyor. Bunu Çernobil nükleer santralinin bir reaktörünün yok oluşu sırasında hepimiz gördük.
Bu sorunun çözümü, kendisi fisyon tepkimesine girmeden nötron yakalayabilen bir madde kullanmak. Bu da genelde bor oluyor. Bu maddeler kontrol çubuklarında kullanılıyor ve reaktör çekirdeğine yerleştiriliyor. Kontrol çubuklarını alçaltıp yükselterek nötron akışını kontrol altında tutmak, fisyon tepkimelerinin adına “kritiklik” denen tehlikeli duruma ulaşmasını önlüyor. Kontrol çubukları, reaktörün acil olarak kapatılmasına da olanak tanıyor.
Nükleer enerji santrallerinden söz ederken elbette çeşitli reaktör çeşitlerine değinmek gerekli. Bunlar arasında basınçlı su reaktörleri, kaynar su reaktörleri ve Magnox ya da gaz soğutmalı reaktörler var. Ancak en genel şekliyle aşağı yukarı tüm santraller benzer biçimde çalışıyor. Nükleer fisyon tepkimesi ısı üretiyor. Isı suyu su buharına çeviriyor ve bu noktadan sonrası kömürle ya da petrolle çalışan termik santrallerde olduğu gibi yürüyor. Su buharı bir türbini, türbin de elektrik üreten jeneratörü döndürüyor.
Reaktör türleri arasındaki farkı, ısının çekirdekten ne şekilde alındığı belirliyor. Kaynar su reaktörlerinde, su buharı üretmek üzere ısıtılan su, nükleer reaktör içinde pompalanıyor. Basınçlı su reaktöründeyse kirlenen su buharının türbine girmesini önlemek için birbirinden farklı iki adet su devresi var. Birincil su devresi reaktör içinden akıyor ama bir ısı eşanjörü aracılığıyla ısısını ikinci devredeki suya veriyor. Bu su da su buharına dönüşerek türbini çeviriyor. Tercih edilen gaz soğutmalı reaktörler de buna benziyor ancak bunlarda, reaktörün ısısını ikincil su devresine aktaran birinci devrede su değil, karbondioksit kullanılıyor.
Durum şimdilik bu, ancak nükleer güçte herkesin ulaşmaya çalıştığı şey fisyon değil, füzyon. Adından da anlaşılacağı gibi nükleer füzyon (kaynaşma), fisyonun (bölünme) tam tersi. Yani iki atom çekirdeği birleşerek daha büyük atom kütlesine sahip bir element üretiyor. Bu da yine enerji açığa çıkarıyor. Örneğin Dünya‘nın Güneş‘ten bol bol aldığı enerji, devasa bir nükleer füzyonun ürünü. Güneş‘in nükleer füzyonlarından birinde (ve en çok araştırma konusu olanda) hidrojenin iki izotopu olan döteryum (hidrojen 2) ve trityum (hidrojen 3) bir araya gelerek helyum oluşturuyor.
Füzyon, fisyondan çok daha fazla enerji üretiyor ve yan ürünleri de o kadar radyoaktif değil. Bu da nükleer atık sorununu büyük oranda hafifletiyor. Dahası, füzyonun hammaddesi kolayca bulunuyor. Ancak bunca faydasına rağmen, güç üretiminde füzyona geçmemizin önünde büyük engeller var. Her şeyden önce, tepkimeyi başlatmak ve sürdürmek için 100 milyon dereceyi aşan sıcaklıklar gerekiyor. Üstüne üstlük, döteryum ve trityum atomlarını bir arada tutabilmek için, Dünya‘nınkinden binlerce kat kuvvetli bir manyetik alana gereksinim duyuluyor.
Fosil yakıtı yakmak sera gazı üretiyor, oysa hiç karbondioksit üretmeden dünya elektriğinin yaklaşık %11’ini karşılayan nükleer fisyon eleştiri oklarına hedef oluyor. Yenilenebilir enerji kaynakları elbette gelecekte çok önemli bir rol oynayacak ama şayet elde edebilirsek füzyonun sunacağı faydaları yabana atmak olanaksız. Şu anda Çin, Avrupa Birliği, Hindistan, Japonya, Güney Kore, Rusya ve ABD’nin üzerinde ortaklaşa çalıştığı ITER projesi büyük ilgi görüyor. ITER’in amacı ilk büyük ölçekli füzyon reaktörünü 2035’ten önce üretmek.
Kaynak: How It Works