Nükleer Enerji Nedir? Nükleer Santral Nasıl Çalışır?

Nükleer Enerji kısaca bir atomun çekirdeğinde tutulan atom enerjisidir. Fisyon ve Füzyon olmak üzere iki tip reaksiyonla elde edilebilmektedir.

Bu nükleer enerji aslında bu atomları oluşturan proton, nötron ve elektronlar arasındaki bağlarda gizlidir. Bu bağların kopması ya da serbest kalması ile birlikte muazzam bir enerji ortaya çıkmaktadır. Genel olarak bu bağları koparmak içinde yukarıda değindiğimiz Fisyon yolu kullanılabilir.

Peki ya söylediğimiz bu Fisyon ve Füzyon Nedir? Fisyon ve Füzyon arasındaki farklar nelerdir?

Nükleer Fisyon Nedir?

Nükleer fisyon da atomlar ayrılırlar ve bu da bağlar arasındaki enerjiyi serbest bırakır. Neredeyse tüm nükleer santraller fisyon kullanırlar ve çoğu nükleer santralde yakıt olarak uranyum-235 atomlarını kullanırlar. Uranyum-235 tepkime sırasında etrafa 2 nötron ve proton yayar. Nükleer fisyon sırasında da bir nötron bir uranyum-235 atomu ile çarpışır ve onu böler. Bu işlem sırasında etrafa büyük miktarda ısı ve radyasyon enerjisi yayılır. Bu parçalanmayla birlikte ayriyeten etrafa yayılan nötron ve protonlarda bulunmakta. Yayılan bu nötronlar başka uranyum-235 çekirdeklerine çarparak birbiri ardına tekrar eden zincirlemeyi başlamış olurlar. Bu sürece ve tepkimeye de “Nükleer Zincir Reaksiyonu” denir. Bu reaksiyon, istenen miktardan ısı üretmek için nükleer santral reaktörlerinde kontrol edilir.

Bu nükleer fisyon tepkimesinde ortaya çıkan ısı çok ama çok yüksektir. Bunun için bu ısıyı soğutmak ve bu soğutma sırasında etrafa çıkan buharı kullanmak çok büyük bir enerji kaynağı olarak düşünülmüştür. Suyun ısınması sonucu ortaya çıkan buhar, sisteme entegre olan buhar türbinlerine doğru yönlendirilir ve buda türbinleri döndürür. Dönen türbinler onlara bağlı olan jeneratörleri (Generatörleri) döndürür. Dönen jeneratörler oluşturdukları manyetik alanla elektrik enerjisi üretir ve şalt sahasına göndererek sisteme verirler.

Bu kadar su ihtiyacını karşılamak kolay olmayacağı için Nükleer Enerji Santralleri suyun bol olduğu deniz, göl, nehir gibi su kütlerinin olduğu yerlere inşaa edilirler.

Bilgi: Tek bir U-235 atomunun tepkimeye girmesi ile yaklaşık 200 MVe (200 Mega Volt elektron) enerji açığa çıkar. Şöyle örneklendireyim…

Nükleer Füzyon Nedir?

Nükleer füzyon, iki veya daha fazla atom çekirdeğinin çok yüksek hızlarda çarpıştığı ve yeni bir tür atom çekirdeği oluşturmak için birleştiği nükleer bir reaksiyondur. Bu işlem sırasında madde korunmaz çünkü kaynaştırma çekirdeklerinin bazı maddeleri kullanılabilecek türden enerji fotonlarına dönüşmektedir. Bu olay, güneşin ve yıldızların enerji vermesini sağlayan bir olaydır da.

Füzyon gücü gelecek nesiller için neredeyse tükenmez bir enerji kaynağı olarakta düşünülmekte. Bununla beraber, nükleer füzyon koşullarının oluşturulması ise potansiyel olarak aşılmaz bir mühendislik zorluğu oluşturmaktadır. Bu durum bilimsel olarakta kanıtlanmıştır. Yakın zamanda yapılmış bir deney, nükleer füzyonun gerçekleştirileceğini ancak ticari ölçüde henüz başarılı bir sonuç göstermeyeceğini göstermektedir.

Bilgi: Güneş yüzeninin füzyon tepkimesi ile dolu olan ve bu süreçte de büyük miktarda enerji veren dev bir hidrojen gazı topu olduğunu biliyor muydunuz?

Nükleer Enerjinin Kaynağı: Uranyum

Uranyum, nükleer santraller tarafından ve nükleer fisyon için en yaygın olarak kullanılan yakıttır. Uranyum, dünya çapında kayalarda bulunan yaygın bir metal olmasına rağmen, yenilenemez bir enerji kaynağı olarak kabul edilir. Nükleer enerji santralleri yakıt olarak yukarıda da bahsettiğimiz U-235 kullanırlar. Çünkü atomları kolayca ayrılır. Uranyum gümüşten yaklaşık 100 kat daha yaygın olmasına rağmen, U-235 nispeten nadirdir.

Nükleer Enerji Santrali Nedir?

Aslında bu sorunun cevabını bir nevi vermiş olduk. İçinde atomik enerjinin elde edilmesi ve nükleer çalışmaların yapıldığı Enerji Santralidir. Fakat bu yapıyı biraz daha öğrenmek için içindeki parçaları da bilmek gerekir. Hadi beraber Nükleer Enerji Santralinin içinde neler var, inceleyelim.

Bilgi: Dünyadaki ilk Nükleer Enerji Santrali, Sovyetler Birliği döneminde (1954) çalışmaya başlayan Obninsk Nükleer Enerji Santrali’dir.

Nükleer Enerji Santrali Bileşenleri Nelerdir?

Nükleer Reaktör

Tüm nükleer atık ürünleri ile birlikte yakıt ve nükleer zincir reaksiyonunu içerdiği için bir nükleer enerji santralinin belki de en önemli bileşenidir. Bir kömür santralinin kazanı nasıl bir ısı kaynağı olduğu gibi, nükleer reaktörler de bu santrallerin ısı kaynaklarıdır. Uranyum, nükleer reaktörlerde en çok kullanılan nükleer yakıttır. Fisyon reaksiyonlarını ve reaktör içindeki ısıyı üreten maddede uranyumdur. Bu ısı daha sonra nükleer santralin diğer kısımlarına ısı sağlayan reaktörün soğutma suyuna aktarılır.

Buhar Üretimi

Tüm nükleer enerji santralleri arasında yaygındır ancak bunun yapılma şekli değişkenlik gösterebilir.

Dünyadaki birçok santral, buhar üretmek için iki döngülüdür ve basınçlı su reaktörleri kullanılıyor. İlk döngüde, daha düşük bir basınçta suyun sirküle edildiği bir ısı eşanjörüne aşırı derecede sıcak su taşınır. Daha sonra orada da ısınıp buhar haline gelip türbin kısmına gönderilir.

Türbin ve Jeneratör

Buhar üretildikten sonra, yüksek basınçlarda hareket eder, bir veya daha fazla türbin boyunca hareketle hızlanır. Buhar son derece yüksek hızlara ulaşır, bu da buharın enerji kaybına neden olur. Bu nedenle de daha soğuk bir sıvıya geri yoğuşur.

Türbinlerin dönüşü, elektrik şebekesine gönderilen ve elektrik üreten bir jeneratörü döndürmek için kullanılır.

Kondenser / Soğutma Kuleleri

Belkide bir Nükleer Santralin en büyük simgesidir. Yukarıdaki resimde de gördüğünüz Soğutma kuleleri sürekli bizlere Nükleer Enerji Santrallerini hatırlatmakta, onlar olmasa bile, bizlere onu çağrıştırmakta.

Bu kuleler, sıcak suyun (Türbin bölümünden) soğutucunun dış havaya ısı aktarımı yoluyla, atık ısıyı atmosfere atmaya çalışırlar. Sıcak su, hava ile temas ettiğinde soğur ve yaklaşık %2’lik küçük bir kısmı buharlaşarak yukarı doğru yükselir. Bu sayede iklim değişikliliğine sebep olan Sera Gazı‘nının içinde olan Karbondioksiti çevreye salmazlar. Atılan sadece su buharı olur.

Birçok nükleer santral, atık ısıyı soğutma kuleleri yerine bir nehre, göle veya okyanusa bırakırlar. Kömür yakıtlı elektrik santralleri gibi diğer birçok santralde de soğutma kuleleri veya bu büyük su kütleleri bulunur. Bu benzerlik, ısıyı elektriğe dönüştürme işleminin nükleer enerji santralleri ile kömür yakıtlı enerji santralleri arasında neredeyse aynı olması nedeniyle mevcuttur.

Nükleer Enerji Santrali Çalışma Prensibi Nasıldır?

Nükleer Enerji Santrallerinin çalışma prensibi aslında yukarıda da anlattığımız Nükleer Fisyon işlemleridir. Kısaca Nükleer Enerji Santrali Nasıl Çalışır sorusuna cevap vermek gerekirse;

• Reaktörün içine U-235 atomları tüpler ile hazırlanıp konulur,
• Hazırlanan bu uranyum atomlarına nötronlar bombalanmaya başlar,
• Her bir uranyum bölünmesi ile 2 nötron 1 proton meydana gelir,
• Oluşan her nötron başka bir uranyum atomuna tekrardan kendiliğinden çarpmaya ve tepkimeler oluşturmaya başlar,
• Bu böyle devam eder ve kontrollü bir şekilde “Nükleer Zincir Reaksiyonu” başlar,
• Bu tepkime sonucunda çok büyük radyasyon ve ısılar meydana gelir, (Tabi radyasyon çok büyük güvenlik koşullarında muhafaza edilir.)
• Oluşan bu ısı içerisinde bulunduğu suyu çok güçlü bir şekilde buharlaştırmaya başlar,
• Oluşan bu buharlar çok sıcaktır ve yönlendirmeler ile direk buhar türbinlerine gönderilir,
• Türbinlere gönderilen türbinler bağlı oldukları jeneratörlere mekanik gücü ileterek jeneratörün hareketi ile elektrik enerjisi üretirler,
• Bu elektrik enerjisi daha sonra trafolara, oradan şalt sahasına ve daha sonrada kullanılmak üzere sisteme verilir,

Not: Buhar türbinine giden tüm buhar sıcak ve kullanışlı olmayabiliyor. Onun için az da olsa sisteme göre soğuyan buharlar Kondenser dediğimiz diğer bileşenlere giderek orada sıvı hale getirilir. Tekrardan kullanılmak üzere baştaki sisteme geri gönderilir.

Nükleer Enerji Santrallerinin Verimi

Bir nükleer enerji santralinin verimliliği diğer ısı motorlarına benzer şekilde belirlenir; çünkü teknik olarak tesis büyük bir ısı motorudur. Her bir termik güç birimi için üretilen elektrik gücü miktarı tesise termal verimliliğini verir ve termodinamiğin ikinci yasası nedeniyle bu tesisin ne kadar verimli olabileceğinin bir üst sınırı vardır.

Tipik nükleer enerji santralleri fosil yakıtlı enerji santrallerine kıyasla %33-37 civarında verimlilik sağlar. 4. Nesil nükleer reaktörler gibi daha yüksek sıcaklık ve daha modern tasarımlar potansiyel olarak %45’in üzerinde verime ulaşabilir.

Nükleer Enerjinin Yararları

1. Nükleer santrallerin ilk inşaat maliyetleri yüksektir. Bunun yanında, enerji santralleri ilk inşa edildiğinde, nükleer yakıtı (örneğin uranyum) zenginleştirme ve işleme, nükleer atıkların kontrol edilmesi ve ortadan kaldırılmasının yanı sıra tesisin bakım maliyetlerine bırakılıyoruz. Bunun avantajlar altında olmasının nedeni, nükleer enerjinin maliyet açısından rekabetçi olmasıdır. Nükleer reaktörlerde elektrik üretmek petrol, gaz ve kömürden üretilen elektrikten daha ucuzdur.
2. Nükleer enerji santralleri sabit bir baz enerji yükü sağlar. Buda, rüzgar enerjisi ve güneş enerjisi gibi yenilenebilir enerji kaynakları ile sinerjik olarak çalışabilmesini sağlamaktadır. İyi rüzgar ve güneş kaynakları mevcut olduğunda tesislerden elektrik üretimi azaltılabilir ve talep yüksek olduğunda arttırabilir.
3. Çoğu durumda, iklim krizi açısından, bugün kullandığımız diğer enerji harmanlama yöntemlerini nükleer enerji ile değiştirmek daha faydalıdır. Nükleer enerjinin çevresel etkileri, bunlara kıyasla nispeten hafiftir. (Tabi nükleer atıklar hem insanlar hem de çevre için potansiyel zararlıdır.)
4. Raporlar, günümüzün nükleer santrallerinin yıllık yakıt tüketimi ile 80 yıldır yeterli uranyum bulunduğunu gösteriyor. Ancak Nükleer enerji santrallerini uranyum dışında başka yakıt türleriyle beslemek mümkündür. Daha yeşil bir alternatif olan toryuma da son zamanlarda daha fazla ilgi gösterildi. Çin, Rusya ve Hindistan, yakın gelecekte reaktörlerini beslemek için toryum kullanmaya başlamayı planlıyorlar.
5. Tanımı gereği, nükleer enerji yenilenebilir bir enerji kaynağı değildir. Yukarıda belirttiğimiz gibi, nükleer enerji için sınırlı miktarda yakıt mevcuttur. Öte yandan, nükleer enerjinin üretim reaktörleri ve füzyon reaktörlerini kullanılarak potansiyel olarak sürdürülebilir olduğunu iddia edebilirsiniz. Nükleer füzyon, enerjiden yararlanmanın çok büyük bir avantajı. Atomik füzyonu, güneşi besleyen reaksiyonlarla aynı reaksiyonları kontrol etmeyi öğrenebilirsek, neredeyse sınırsız enerjiye sahip olunabilir. Tabi bunu yapabilmek için çok yüksek teknolojik deneylerin yapılması gerekmekte.
6. Bir nükleer fisyon reaksiyonunda açığa çıkan enerji miktarının, bir fosil yakıt atomunun (örneğin petrol ve gaz) yakılmasında açığa çıkan miktardan on milyon kat daha fazla olduğu tahmin edilmektedir. Bu nedenle, bir nükleer enerji santralinde gereken yakıt miktarı, diğer enerji santrallerine kıyasla çok daha azdır.

Nükleer Enerjinin Zararları

1. Radyoaktif atıklar çevre için bir tehdit oluşturabilir ve insanlar için tehlikelidir. Nükleer radyasyonun insanlar üzerindeki zararlı etkilerinin bugün bile görülebileceği Çernobil kazasını hepimiz hatırlıyoruz. Tahminler, Çernobil sonrasında 15.000 ila 30.000 kişinin hayatını kaybettiği ve 2.5 milyondan fazla insanın nükleer atıklarla ilgili sağlık sorunları ile mücadele ettiği sonucuna varıyor. Sadece geçen yıl, 18 Mart’ta Japonya’da büyük bir nükleer kriz yaşandı. Yaralılar Çernobil kazası kadar yüksek olmasa da, çevresel etkiler felaketti. Tarih bize bu felaketlere karşı asla %100 korunamayacağımızı gösteriyor. Kazalar her daim olabilir.
2. Nükleer enerji santralleri atmosfere ihmal edilebilir miktarda karbon dioksit yayar. Ancak nükleer yakıt zincirinde madencilik, zenginleştirme ve atık yönetimi gibi işlemler çevreye zararlı gaz yayarlar.

Dünyadaki Nükleer Santralleri

Türkiye’de Nükleer Enerji Santrali

Rusya ile Türkiye arasında 2010 yılında imzalanan anlaşma sonrasında Akkuyu Nükleer Güç Santrali projesi başlamıştır. Türkiye’nin ilk Nükleer Santrali olacak bu santraldeki her biri 1200 MW gücünde 4 reaktör olacak. Santralin Türkiye’nin enerji ihtiyacının %10’unu karşılaması hedeflenirken ilk Reaktörün 2023 yılında hizmete girmesi için çalışmalar hızla devam etmektedir.

Nükleer Enerji Yenilenebilir Enerji Kaynağı mı?

Aslında bu sorunun cevabını yukarıda vermiştik. Kısaca değinmek gerekirse Nükleer Enerji, Yenilenebilir Enerji Kaynağı değildir. Bunun sebebi ise kullanılan yakıtın sınırlı ve bitecek olması. Tekrarının Petrol, Doğal gaz ve diğer madenler gibi olmaması sebebi ile maalesef bu kategoriye girmemektedir.

Neden Nükleer Enerji?

Çünkü Enerji üretiminki kullanımların yanı sıra, plütonyum üretimi, gemi, uçak ve uydu ithalatı, araştırma ve tıbbi, amaçlar içinde kullanılabilmektedir. Ülkelerin teknolojik açıdan ve daha güçlü olabilmesi içinde bu türden bir santrale ihtiyacı bulunmaktadır. Günümüzde Nükleer santrallerini kapatan bazı ülkeler bulunmaktadır. Bu ülkeler zaten gerekli teknolojik ve güç seviyelerine ulaşmış ülkelerdir. Ulaştıkları içinde yeni alternatifler ile yeni yollara girebilmekteler.

Onun için bir ülkenin gelişebilmesi ve daha güçlü ve gelişmiş teknolojik ihtiyaçlarını karşılaması için, nükleer enerji santralleri çok iyi bir alternatiftir.

Kaynaklar: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9