Nükleer Enerji Nasıl Çalışır?

Nükleer enerji, en nihayetinde kömürden elde edilen enerjiden yöntem olarak o kadar da farklı değildir: Sınırlı bir kaynağı yer altından ...

Nükleer enerji, en nihayetinde kömürden elde edilen enerjiden yöntem olarak o kadar da farklı değildir: Sınırlı bir kaynağı yer altından çıkarırsınız ve bu yakıtın içinde bulunan çok daha büyük bir enerji miktarını serbest bırakmak için çok özel bir yöntemle enerji uygularsınız. Kömür için, kömürün kimyasal bağlarında tutulan enerjiyi salmak amacıyla ona küçük bir miktar ısı uygularız. Uranyum içinse, uranyumun nükleer bağlarında saklı haldeki enerjiyi açığa çıkarmak için özel bir ışıma türü uygularız ve eğer bunu başarabilirsek, bu durum çok daha kazançlı bir hedef olur.

Ortalama bir insanın, kömürden hayat boyu güç sağlaması için onlarca ton katı ve gaz atık üretmesi gerekir. Nükleer reaktörler için aynı miktar, yaklaşık beş kilogram harcanmış nükleer yakıta eşittir. Bu enerji yoğunluğu türüne nasıl ulaştığımızı anlamak için, gezegenimizin ilk günlerine geri gitmek zorunda kalacağız.

Dünya’nın başlangıcında, Dünya milyarlarca yıl daha genç olduğu için ve bu yüzden de onu oluşturan elementlerin de çeşitli süpernovalardaki doğum tarihlerine milyarlarca yıl daha yakın olduğu zamanlarda, gezegende çok farklı bir radyoaktif izotop düzeni bulunuyordu. Radyasyon (Işıma), kararsızlık yüzünden atomların kendiliğinden fırlamasıdır; böylece yeterli miktarda kayıp yaşayıp kararlı hale gelene kadar, kendilerini kararsız yapan şeyden kurtulurlar. Bu süreç radyoaktif bozunma olarak bilinir ve Dünya yaşlandıkça, daha kararsız olan izotoplar daha hızlı şekilde enerji fırlatır ve bu nedenle de daha hızlı bozunurlar. Doğumundan itibaren, Dünya’daki izotopların tüm oranı, en ağır elementlerin daha düşük enerjili türlerine doğru değişim göstermiştir.


Zenginleştirme

Eğer fizyon (bölünme) adı verilen bir işlemde, nükleer bağları koparmaya çalışıyorsanız, bu bir sorundur, çünkü nükleer bağlar oldukça güçlüdür. Atomları parçalamak ve içerdikleri büyük enerjinin birazını çıkarmak için, zaten çok güçlü olan ve bozunmaya yakın olan elementlere ihtiyacınız vardır. Bir uranyum örneğini çıkardığınız zaman, bur örnek bölünebilir ve bölünemez türlerin bir karışımı olacaktır. İşte zenginleştirme kavramı da burada devreye girer.

Zenginleştirme, bir izotop karışımından alınan tek izotopu genelde ağırlık yoluyla yoğunlaştırma işlemidir ve yüksek hızlı nükleer santrifüjler (döndürme makinesi) sayesinde yapılır. Bu santrifüjler, uranyumu büyük miktarlarda merkezkaç kuvvetine maruz bırakır (döndürür) ve atom başına sadece birkaç fazladan nötronun varlığı veya yokluğu ile meydana gelen kütle farkına göre maddeleri ayırır. Bütün uranyum örneğinin bölünebilir olması için, bölünebilir izotopların, bütün örneğin % 3-5 kadarını oluşturacağı noktaya kadar onu zenginleştirmeniz gerekir. Dünya’nın ilk zamanlarında, doğal örnekler yüzeyde dururken yeteri kadar yüksek bir bölünme payına sahiplerdi.
Kuramsal olarak bölünmeyi sürdürme yeteneğine sahip bir örneğiniz olduğunda, bu bölünmeyi başlatmalısınız. Bu aslında işin kolay kısmıdır. Bozunan uranyum devamlı olarak çeşitli türlerde radyasyon fırlatır ve hedefimiz için asıl önemlisi olan yüksek enerjili nötronları içerir. Bu nötronlar, atom ölçütlerine göre epey ağırdır ve kararsız bir atoma çarptıklarında o atomu kısmen parçalarlar ve ardından daha çok atoma çarpacak olan daha fazla nötron ortaya çıkarırlar, ve bu böyle devam eder. Bölünebilir örneklerin nötronları birbirine serpiştirmesini sağlamak için tüm yapmanız gereken, böyle iki örneği, karşılıklı olarak nötron serpiştirme mesafesine getirmektir.

Burada, iki tür nükleer reaktör arasındaki fark ile karşılaşıyoruz: hafife karşılık ağır su. Bu durum biraz mantığa aykırıdır fakat, eğer bir nötron çok hızlı gidiyorsa, atomlara düzgün çarpamaz ve bir fizyon tepkimesi başlatamaz. Bu yüzden o tepkimeyi oluşturmaktaki son adım, iki bölünebilir örneğin arasındaki boşluğu bir nötron “yavaşlatıcısıyla” doldurmaktır. “Hafif su” reaktörlerinde normal su kullanırız ve bu, fizyonun % 3-5 zenginleştirme eşiğimizdeki örneklerde başlayabileceği noktaya kadar nötronları yavaşlatır.

“Ağır su” reaktörlerinde, ağır hidrojen döteryumu içeren (H2O yerine D2O), oldukça pahalı bir su türü kullanırız ve bu tür, nötronları çok daha fazla yavaşlatır. Ağır su yavaşlatıcısı kullanarak, reaktörü çok daha az zengişleşmiş nükleer örneklerle doldurabiliriz.

Her iki durumda da, reaktörden ısıyı yakalamak ve bu ısıyı ayrı bir su deposuna aktarmak için bir yavaşlatıcı kullanırız. Su deposundaki su kaynayıp buharlaşır ve bir türbini döndürerek elektrik üretir.

Bu alandaki diğer çoğu reaktör tasarımı evrimseldir. Erimiş tuz reaktörleri, erimiş tuzu kendi soğutma sıvısı olarak kullanarak, yapının basıncını çok artırmadan yüksek işletme sıcaklıklarına olanak sağlar. Çoğu kişi, toryumun bir nükleer yakıt olarak kullanılmasında bir potansiyel görür, çünkü uranyum veya plütonyuma göre daha az tehlikeli atık üretir.

Yıllar boyunca çeşitli güvenlik önlemleri alınmıştır. Örneğin, çoğu modern reaktörün altında “dondurma tıpası” olarak adlandırılan ve sadece enerji girişi durumunda katı kalan bir şey vardır; bir güç kesintisi durumunda, bu tıpa erir ve nükleer yakıt, ileriki bir zamanda güvenli şekilde geri alınmak için beton bir depolama alanına düşer. Elbette ki, nükleer güç ile ilgili herhangi bir açıklamanın arkasında gizlenen şey, bir nükleer felaket beklentisidir. Nükleer gücün büyük tehlikesi, yukarıda bahsettiğimiz olaylardan kaynaklanır. Arasında uygun bir nötron yavaşlatıcısı bulunan iki bölünebilir örneğe sahip olduğunuzda, doğal özellikleri yüzünden, örnekler, kendi kendilerine bölünmeye (fizyon) uğrar. Ve bölünme şartlarının hepsi sağlandığı anda bir nükleer tepkimeyi durdurmak oldukça zordur. Kapalı bir basınç tüpü içindeki bir nükleer reaktörü durduramamak, giderek daha fazla artan sıcaklıklara ve sonunda erimeye sebep olur.

Nükleer erime, reaktörün içindeki ısının çok büyük miktarlara ulaşmasına izin verildiği zaman meydana gelir ve ardından bu ısıyı üreten nükleer madde, kendini eritir ve erimiş olan, hâlâ bölünen uranyum, ciddi bir sorunun da kaynağını oluşturur. Araştırmacılar bugüne kadar, Fukuşima‘daki erimiş nükleer örneklerin reaktörün neresine gittiğinden veya hangi hasara sebep olduğundan tam olarak emin olamadılar. Bir reaktörde eninde sonunda olabilecek en kötü şey bu değil. Ancak en kötü şey, Çernobil‘de oldu, atomik olmayan büyük bir patlama, reaktörün içinde olan her şeyi dışarı çıkarıp onu kuşatan çevreyi etkiledi. Fukuşima’daki erime, her ne kadar inanılmaz derecede kuvvetli olduysa da, çoğunlukla reaktörün içinde kaldı ve bu sayede çok ama çok daha az hasar verdi.

Kaynak: Graham T. “ExtremeTech explains: How does nuclear energy work?”, http://www.extremetech.com/extreme/217486-extremetech-explains-how-does-nuclear-energy-work