Nükleer Enerji
Bir nükleer tepkimede, yani herhangi bir atom çekirdeğinde bazı değişikliklere yol açan bir tepkimede açığa çıkan enerjiye nükleer enerji ya da çekirdek enerjisi denir. Nükleer enerjiyle ilgili kimyasal ve fiziksel olgulara ilişkin olarak ATOM; ELEKTRON; KİMYA; MOLEKÜL; NÖTRON; PROTON; RADYOAKTİFLİK ve TEMEL PARÇACIKLAR maddelerine bakabilirsiniz.
Normal bir kimyasal tepkimede, bu tepkimeye giren atomların yalnızca en dıştaki bazı elektronları arasında alışverişler gerçekleşir; yani, elementlerin atomları birbirleriyle birleşerek molekülleri oluştururken değişmeden kalırlar. Kimyasal tepkimeler sırasında, maddedeki atomların yerleşiminden kaynaklanan kimyasal enerjinin bir bölümü açığa çıkabilir; yanma olayı bu tür bir tepkimedir. Nükleer tepkimede ise, atomun tam ortasında bulunan, nötron ve protonlardan oluşan atom çekirdeği değişikliğe uğrar ve bu tür tepkime sırasında atom kütlesinin bir bölümü enerjiye dönüşür. Nükleer tepkimede, herhangi bir kimyasal tepkimede açığa çıkabilecek olanın milyonlarca katı kadar enerji açığa çıkar ve kimyasal tepkimeden farklı olarak, bir element bir başka elemente dönüşür.
İki tür nükleer tepkime vardır: Çekirdek bölünmesi (nükleer fisyon ya da kısaca fisyon) ve çekirdek kaynaşması (nükleer füzyon ya da kısaca füzyon).
Çekirdek Bölünmesi
Çekirdek bölünmesinde, serbest bir nötronla çarpışma sonucu atom çekirdeği çeşitli parçacıklara ayrılır. Bütün bu parçacıkların toplam kütlesi, başlangıçta “hedef” alınan atom ile buna çarpan nötronun toplam kütlesinden daha azdır. Aradaki fark enerji biçiminde açığa çıkar. Bu olguyu ilk olarak 1905’te Albert Einstein belirledi ve E=mc² formülüyle tanımladı. Bu formüle göre, açığa çıkan enerji (E), kaybolan kütle (m) ile ışık hızının karesinin (c²) çarpımına eşittir. Işık hızı (c) çok büyük olduğundan, kütle kaybı çok küçük olsa bile açığa çıkan enerji miktarı çok fazladır.
Atom çekirdeği bölünebilen elementlere “bölünebilir element” denir. Doğada bulunan tek bölünebilir element uranyumdur. 1938’de iki Alman bilimci, Otto Hahn ve Fritz Strassmann, nötronlarla bombardıman ederek (döverek) uranyum atomunu bölmeyi başardılar. Gene Alman bilimciler Lise Meitner ve Otto Frisch ise, uranyum çekirdeğinin iki parçaya bölündüğünü kanıtladılar. Bir süre sonra bir grup Fransız bilimci, çekirdek bölünmesi sonucunda yalnızca daha hafif iki element ile çok miktarda radyoaktif ışıma (radyasyon) değil, bunların yanı sıra başka serbest nötronların da ortaya çıktığını buldu. Bu nötronların bu kez çevredeki öbür uranyum atomlarında çekirdek bölünmesine yol açacağı, böylece ortaya çıkacak yeni nötronların bütün uranyum atomlarına yayılacak bir “zincirleme tepkime” yaratabileceği ve sonuçta çok büyük bir enerjiin ortaya çıkacağı anlaşıldı.
Çekirdek bölünmesi sonucunda açığa çıkan enerjinin etkisiyle parçacıklar çok büyük bir hız kazanır; bu parçacıklar çevredeki maddenin atomlarıyla çarpıştıkça yavaşlarlar ve böylece hareket enerjileri ısıya dönüşür. Bu ısı denetim altına alınabilir ve örneğin bir elektrik santralındaki türbinlerin çalıştırılmasında kullanılabilir ya da atom bombası ve nükleer savaş başlıklarında olduğu gibi, büyük yıkıma neden olacak bir patlamayla çevreye salınabilir.
Uranyum Çekirdeğinin Bölünmesi
Uranyum doğada iki ana biçiminin (izotopunun) bir karışımı halinde bulunur. (izotop terimi ATOM ve NÖTRON maddelerinde açıklanmıştır.) Bu karışımın yüzde 99’undan çoğunu uranyum-238 (U-238), yüzde l ’den daha azını da uranyum-235 (U-235) oluşturur. Buradaki rakamlar kütle numarasını, yani çekirdekteki proton ve nötron sayılarının toplamını göstermektedir. U-238’in çekirdeğinde üç nötron fazlası vardır ve bu nedenle iki izotop farklı fiziksel özelliklere sahiptir. Yalnızca U-235’in atomları bölünebilir; U-238’in atomları ise doğurgandır, yani kolayca bölünmeye uğramazlar, ama yüksek hızdaki nötronları soğurarak, daha ağır bir element olan plütonyum-239 atomlarına dönüşürler. Plütonyumun bu izotopu ise bölünebilir özelliktedir. Hem uranyum, hem de plütonyum nükleer reaktörlerde yakıt olarak kullanılır.
Nükleer Reaktör
Yukarıda açıklandığı gibi, uranyum atomlarının serbest nötronlarla dövülerek bölünmesi daha çok nötronun oluşmasına neden olur ve bu da bir zincirleme tepkime biçiminde yeni çekirdek bölünmelerine yol açar. Bu tür bir zincirleme tepkimeyi başlatabilecek en küçük uranyum parçasına kritik kütle denir. Eğer, her ikisi de kritik kütleden daha küçük iki uranyum parçası, kritik kütleden daha büyük tek bir parça oluşturacak biçimde bir araya getirilirse, bunun sonucunda olağanüstü boyutta bir patlama olur. Atom bombasının yapımı buna dayanır.
Ama bir zincirleme tepkime nükleer reaktörde denetim altına alınabilir. Bu tür ilk reaktörü 1942’de İtalyan asıllı ABD’li fizikçi Enrico Fermi, Chicago Üniversitesi’nde kurdu; kendi kendine ilerleyen ilk yapay zincirleme tepkime de burada gerçekleştirildi. Bu reaktörde, zincirleme tepkimenin gerçekleştiği bölüme reaktör kalbi adı verilmişti; katışıksız bir karbon türü olan grafitten yapılmış reaktör kalbine, ince alüminyum kapların içine yerleştirilmiş uranyum metali çubukları daldırılmıştı. Bir çubuktan salman nötronlar, grafitteki karbon atomlarıyla çarpışarak yavaşlıyor ve yeniden başka bir çubuğa girerek bölünme tepkimesini sürdürüyordu. Kullanılan malzemelerin o günden bugüne oldukça değişmesine karşılık, bir zincirleme çekirdek tepkimesini denetim altında tutmanın temel ilkeleri, 1942’de Fermi’nin uyguladıklarıyla hemen hemen aynı kaldı.
Nükleer Enerji Santralları
Nükleer enerji santralları, kömürle çalışan termik santrallardan pek farklı değildir. Termik santrallarda kömür yakılarak su kaynatılır, böylece elde edilen buhar gücüyle bir türbin döndürülür ve türbin elektrik üretir. Nükleer enerji santrallarında ise, gerekli ısı atomların bir reaktörde bölünmesiyle üretilir.
Reaktör Tipleri. Kullanılabilir miktarda enerji üreten ilk reaktörler 1950’lerde İngiltere’deki Calder Hall’da kuruldu. Bu reaktörler aslında askeri amaçla plütonyum üretmek ve nükleer enerji konusunda deneyim kazanmak için kurulmuştu; bunlarda elektrik üretimine 1956’da başlandı. Bu reaktörlerin yavaşlatıcıları, Fermi’nin reaktöründe olduğu gibi grafitti; yakıt olarak, magnezyum alaşımından bir kap içine yerleştirilmiş doğal uranyum metali kullanılıyor ve sistem basınçlı karbon dioksitle soğutuluyordu. Tepkime sırasında oluşan ısıyı emen karbon dioksit bunu ısı değiştiricilerine taşıyor ve ısı burada, elektrik üretmeye yarayan türbo-alternatörleri çalıştıracak buharı elde etmek için kullanılıyordu. Bu reaktörlere “magnox” tipi reaktör denirdi; daha sonra bunların benzeri başka reaktörler yapıldı ve Geliştirilmiş Gaz Soğutmalı Reaktör (AGR) tipi ortaya çıktı.
1950’lerin başlarında ABD’li bilimciler, denizaltılarda güç kaynağı olarak kullanılmak üzere küçük reaktörler geliştirme çabasına giriştiler. ABD’li yetkililerin elinde çok miktarda zenginleştirilmiş uranyum (U-235 oranı artırılmış uranyum) vardı; yavaşlatıcı olarak da grafit yerine su kullanmayı düşündüler. Aslında su nötronları soğurur, yani içinde tutar ve zincirleme tepkimeyi sürdürmeye yarayan nötronların sayıca azalmasına neden olur; ama nötronları yavaşlatmakta grafitten daha etkilidir. Denizaltılar için küçük reaktörler yapmayı başaran ABD’li bilimciler daha sonra, ucuz elektrik üretebilecek bir reaktör geliştirmenin yollarını aramaya başladılar. Bu çalışmaların sonucunda iki ana reaktör tipi tasarımı geliştirildi: Basınçlı Su Soğutmalı Reaktör (PWR) ve Kaynar Sulu Reaktör (BWR).
PWR tipi reaktörlerde yakıt olarak, yaklaşık yüzde 3 oranında U-235 içerecek biçimde zenginleştirilmiş ve özel alaşımdan yapılmış bir kutu içine yerleştirilmiş uranyum dioksit kullanılır. Yavaşlatıcı ve soğutucu olarak da sudan yararlanılır. Pompalanan su önce reaktörde dolaştırılır, sonra ısı değiştiricisine aktarılır; reaktörde ısınan su, ısı değiştiricisindeki ikinci bir su devresinde buhara dönüştürülür ve bu buhar elektrik üreten türbinleri çalıştırır. BWR tipi reaktörde, reaktörün “kalp” bölümü, yani zincirleme tepkimenin oluştuğu bölüm PWR’ninkiyle aynıdır; ama bunlarda ikinci bir su sistemi yoktur ve reaktörün soğutma devresinden çıkan buhar doğrudan türbinlere beslenir. Nükleer enerji üretmekte olan ülkelerin pek çoğunda PWR ya da BWR tipi reaktörler kullanılır.
Reaktörün İçi. Modern nükleer reaktörlerde, yakıt elemanları olan uranyum çubukları reaktörün içine demetler halinde yerleştirilir. Çubuklar kafes biçiminde düzenlenir; böylece soğutma sıvısı ya da gazının bunların arasından akarak ısıyı emmesi ve taşıması sağlanır. Yakıt elemanlarının arasındaki kanallara, kolayca nötron soğurabilen ve böylece zincirleme tepkimeleri durdurabilen bir maddeden (örneğin bordan) yapılmış “denetim” çubukları yerleştirilir. Bu çubuklar bulundukları kanallarda yükseltilip alçaltılarak enerji üretim miktarı denetim altında tutulabilir. Bütün yakıt elemanları ve denetim çubukları yavaşlatıcı olarak kullanılan malzemeye gömülmüş durumdadır. Yavaşlatıcı olarak grafit, su ya da ağır su (bir hidrojen izotopu olan döteryum bakımından zengin su) kullanılabilir. Reaktörün bu kalp bölümü, çekirdek bölünmesi sırasında ortaya çıkan ışınımın (radyasyonun) dışarı sızmasını engellemek amacıyla çok kalın bir beton ya da çelik kalkanla çevrilidir.
“Hızlı” Reaktörler. Her uranyum çekirdek bölünmesi tepkimesinde iki ya da üç nötron serbest kalır. Oysa zincirleme çekirdek bölünmesi tepkimesini sürdürebilmek için bunlardan yalnızca birine gerek vardır ve sonuçta çok sayıda nötron “yedek” olarak kalır. Yedeklerden bazıları kaçar; ama bunlar reaktör kalkanı, yavaşlatıcı ve çekirdeği bölünemeyen U-238 tarafından tutulur. Geriye kalanlar da denetim çubuklarıyla “temizlenir”.
Daha önce açıklandığı gibi, U-238’de tutulan nötronlar bu uranyum izotopunun çekirdeği bölünebilir plütonyuma dönüşmesine neden olur. Plütonyum bir atık değil, potansiyel değeri U-235’inkinden daha büyük olan bir yakıttır. Oluşan plütonyumun bir bölümü, ısıl (yani ısı üreten, termik) reaktörlerde çekirdek bölünmesine uğrar; ama kalanı, kullanılmış yakıtın yeniden işlenmesi sırasında ayrılıp geri kazanılabilir. Ayrılan bu plütonyum taze yakıt çubukları haline getirilebilir ve “hızlı” reaktörlerde kullanılabilir. Bu tür reaktörlerin yavaşlatıcıları olmadığı için, bunlarda nötronların yavaşlatılması söz konusu değildir. Ama plütonyum çok tehlikeli bir maddedir ve taşınırken büyük özen gösterilmesi gerekir.
Hızlı reaktörlerde aynı miktar uranyumla, “konvansiyonel” ısıl reaktörlerdekine oranla 50-60 kat daha fazla enerji üretilebilir. Hızlı reaktörlerde, ısıl nükleer reaktörlerden bir yan ürün olarak çıkan plütonyum yakılabildiği gibi, çekirdeği bölünebilir olmayan ve ısıl reaktörlerce “yakılamayan” U-238 de plütonyuma dönüştürülebilir; bu nedenle bu tip reaktöre hızlı üretken reaktör de denir.
İlk ticari amaçlı hızlı reaktör Fransa’nın güneybatısındaki Creys-Malville’de kuruldu; Süper Phenix (Süper Anka) adı verilen bu reaktörde soğutucu olarak sıvı sodyum kullanılmaktadır. Rusya ve İngiltere’de de elektrik enerjisi üreten hızlı üretken reaktörler vardır.
Teknik Güvenlik
Çekirdek bölünmesi olduğu zaman bir dizi radyoaktif parçacık ortaya çıkar. Bu parçacıklar bozunur (parçalanır) ve ışınım (radyasyon) yayarlar. Yayılan ışınım kansere ve gelecek kuşaklarda gen bozukluklarına yol açabilir; vücuttaki dokuları tahrip ederek ölümlere neden olabilir. Nükleer reaktörler hem tesiste çalışanların ışınıma uğrama tehlikesini hem de atmosfere ışınım sızmasını olabildiğince azaltacak biçimde tasarımlanır ve yapılır. Ama gene de ışınım sızıntıları olmuştur. Örneğin, İngiltere’nin kuzeyindeki Cumbria’da kurulu olan Sellafield santralındaki sızıntılar, İrlanda Denizi’nde 1950’lerden bu yana ciddi radyoaktif kirlenmeye yol açmıştır.
Yakın zamanlarda ABD ve SSCB’de son derece ciddi nükleer santral kazaları oldu. 1979’da ABD’nin Pennsylvania eyaletindeki Harrisburg’ta kurulu olan Three Mile Island reaktöründe, aşırı ısınmadan kaynaklanan kısmi bir kalp erimesi oldu ve radyoaktif gazlar atmosfere kaçtı. Bundan daha da kötüsü, Nisan 1986’da SSCB’de Kiev yakınlarındaki Çernobil reaktöründe ortaya çıkan patlamadır. Hasar gören reaktörden kaçan radyoaktif parçacıkların oluşturduğu dev bir bulut Avrupa’nın içlerine, 2.000 kilometrelik bir uzaklığa yayıldı. SSCB’de 31 kişinin öldüğü, 200 bin kadar kişinin de evlerini terk etmek zorunda kaldığı bildirildi. Önümüzdeki yıllarda daha da çok kişinin ışınımın yol açtığı hastalıkların kurbanı olacağından korkulmaktadır. Çernobil kazasında anında ortaya çıkan bir başka etki de, atmosferden yer yüzeyine inen radyoaktif parçacıkların SSCB’de ve çevre ülkelerde toprağın ve suyun kirlenmesine neden olmasıydı.
Nükleer Atıklar. Birkaç yıl geçtikten sonra reaktördeki kullanılmış yakıtın yenisiyle değiştirilmesi gerekir. Nükleer bir reaktörde kullanılmış yakıt çubukları yaklaşık olarak yüzde 97 oranında yanmamış uranyum, yüzde 2 oranında atık ürünler ve yüzde 1 oranında da plütonyumdan oluşur. Bazı çekirdek bölünmesi ürünlerinin zamanla bozunabilmesi için, bu çubuklar birkaç yıl suyun altında tutulur. Sonra da, yüksek düzeydeki radyoaktifliklerini hâlâ korur durumdayken yeniden işlenir; uranyum geri kazanılır, plütonyum ayrılır, geriye atık ürünler kalır.
Radyoaktif atıkların pek çoğu duvarları çok katlı tanklarda depolanır. Atıklar bir tür camsı madde içine “yerleştirilerek” yeraltına da gömülebilir. Birçok atık ürün son derece yavaş bozunduğundan, bunların radyoaktifliği binlerce yıl boyunca sürer; bu da uzun süreli bir tehlike oluşturur.
Çekirdek Kaynaşması
Günümüzde kullanılan reaktörlerde, ağır atomların parçalanmasıyla açığa çıkan çekirdek bölünmesi enerjisinden yararlanılmaktadır. Ama çekirdek kaynaşması, yani hafif atomların çekirdeklerini bir araya getirip kaynaştırarak da nükleer enerji elde edilebilir. Güneş ve başka yıldızların enerjisi bu tür bir tepkimeden kaynaklanır; çekirdek kaynaşması hidrojen bombasının da temelini oluşturur. Çekirdek kaynaşmasına dayalı enerji santrallarında, tepkimenin güvenilebilir ve denetlenebilir koşullar altında gerçekleştirilmesi gerekir.
En iyi sonuç veren kaynaşma, iki hidrojen izotopu (döteryum ve trityum) arasında gerçekleşenidir. Döteryum ve trityum çekirdekleri kaynaşarak, bir helyum çekirdeği ile birlikte bir nötron oluştururlar ve bu sırada devasa miktarda enerji açığa çıkar. Deniz suyu sınırsız bir döteryum kaynağıdır; trityum da, gene bol bulunan ve hafif bir element olan lityumdan elde edilebilir.
Ne var ki, çekirdek kaynaşmasını gerçekleştirmek çekirdek bölünmesini gerçekleştirmekten daha zordur. Bu güçlük, içerdikleri protonlar nedeniyle artı elektrik yüklü iki çekirdeğin birbirini kuvvetle itmesi ve bir araya çok güç getirilebilmelerinden kaynaklanır. Bu doğal engeli aşmak için iki çekirdeğin hızla birbirine yaklaştırılması gerekir. Bunu gerçekleştirmenin bir yolu, gaz halindeki yakıtı ısıtmaktır. Eğer bir gaz yeterince yüksek bir sıcaklığa kadar ısıtılırsa (burada söz konusu olan milyonlarca derece santigratlık bir sıcaklık düzeyidir), atomlarındaki elektronlar çekirdeğin çekim etkisinden kurtulabilecekleri bir hıza (“kurtulma hızı”na) ulaşır ve serbest kalırlar. Böylece, elektriksel olarak nötr durumda bulunan gaz, hızla hareket eden yüklü parçacıklardan oluşan ve plazma denen bir yapıya dönüşür. Plazma ne denli sıcaksa, çekirdekler de o ölçüde hızlı hareket eder.
Normal hava yoğunluğunun yüz binde birinden daha az bir yoğunluğu olan plazmanın içerdiği madde miktarı da doğal olarak çok azdır. Eğer bu sıcaklık ve yoğunluktaki plazma bulunduğu kapla temas ederse kabın duvarları erir, plazma soğur ve tepkime durur. Sorun, sıcak plazmayı bulunduğu kabın duvarlarından uzak tutmaktır.
Bu, magnetik alanlardan yararlanılarak başarılabilir. Plazma elektrikle yüklü parçacıklardan oluştuğu için hem elektriksel, hem de magnetik kuvvetlerden etkilenir. Böylece plazma, magnetik alan yardımıyla, sınırlı bir bölgede tutulabilir. Bunu gerçekleştirmek için gaz, “halka” (torus) denen, otomobil lastiği biçiminde ve bir dizi magnetik bobinle kuşatılmış bir vakum kabına konur. İçinden geçirilen elektrik akımı gazı ısıtır ve aynı zamanda da bir magnetik alan yaratır. Dışta bulunan mıknatıslarla birlikte bu alan, tepkimeye giren karışımı halkanın iç duvarlarından uzakta tutar.
Plazma, uğraşılması oldukça güç bir maddedir; bu nedenle bilim adamları bir başka çekirdek kaynaşması yöntemi araştırmaya girişmişlerdir. Üzerinde çalışılan yöntemlerden biri laserfüzyonu'dur; bu yöntemde çekirdekleri kaynaştırılacak maddeler (döteryum ya da trityum) güçlü bir laser bombardımanına tutulur. 1989’da gerçekleştirildiği ileri sürülen bir başka yöntem de soğuk füzyon'dur. Bazı bilim adamları hiç ısı kullanmadan, laboratuvarda bir kap içinde döteryum-döteryum kaynaşması sağladıklarını açıklamışlardır. Ama bu yöntemin geçerliliği hâlâ tartışmalıdır.
Çekirdek kaynaşması araştırmaları 1950’lerden beri sürmektedir. En gelişkin deney projelerinden biri Avrupa’da, Avrupa Atom Enerjisi Topluluğu’nun (Euratom) denetiminde yürütülmektedir. Bu projenin merkezi İngiltere’de Oxfordshire’daki Culham’da kurulu olan JET reaktörüdür. Buna benzer reaktörler ABD, Rusya ve Japonya’da da kurulmaktadır.
Çekirdek kaynaşması tepkimesiyle üretilebilecek enerji miktarı, çekirdek bölünmesiyle elde edilenden çok daha büyüktür. Eğer füzyon güvenli bir biçimde gerçekleştirilebilirse, geleceğin füzyon reaktörleri çok az nükleer yakıta gereksinim gösterecek ve o ölçüde de az atık üretecektir.
