Bu sayfada özet olarak nükleer enerji nedir? nükleer enerji nasıl üretilir, nükleer elektrik santralı nasıl çalışır konularında temel bilgiler anlatılmıştır.
Nükleer santraller bir kısım insan tarafından ucuz olması, düşük emisyon miktarları nedeniyle savunulurken bir kısım insanda nükleer kazaların yol açabileceği felaketler ve nükleer atıkların negatif etkileri üzerinde durmaktadırlar. Bu makalede hakkında yoğun tartışmalar yaşanan nükleer santrallerin çalışma şekilleri hakkında bir inceleme yapılacaktır.
2008 Temmuz itibariyle dünya üzerinde 31 farklı ülkede 430 aktif nükleer santral bulunmaktadır ve bu santraller dünya elektrik ihtiyacının %15′ ini karşılamaktadırlar. Örneğin Fransa tüm elektriğinin %77′ sini nükleer enerjiden elde etmektedir. Nükleer enerji kullanımı bakımından Fransayı %65 ile Litvanya izlemektedir.
Aslında nükleer santrallerin çalışma prensibi kömür yakan termik santrallerden çok farklı değildir. Her iki santralde suyu ısıtıp elde edilen su buharını yüksek basınç ile sıkıştırır. Sıkıştırılmış bu su buharı türbinleri döndürür ve türbinlerde jeneratörleri çalıştırır böylece elektrik üretilebilir. Bu iki santral arasındaki temel fark suyu ısıtma yöntemleridir. Eski tip santraller fosil yakıtları yakarken nükleer santraller nükleer füzyonda bir atom ikiye bölündüğünde ortaya çıkan ısıdan yararlanırlar.
Nükleer Füzyon
Nükleer santrallerde füzyon sonucu parçalanması için uranyum elementi seçilir. Çünkü uranyum elementi doğal füzyona çok yavaş girer.
Uranyum elementi dünya oluştuğundan beri doğada bulunan bir elementtir. Uranyum-238 çok uzun bir yarı ömre sahiptir. Uranyum-238′ in yarı ömrü yaklaşık 4.5 milyar yıldır. Bu yüzden yeryüzünde hala büyük miktarlarda bulunabilmektedir. U-238 dünyadaki uranyum rezervlerinin %99′ unu oluşturur. U-238 yaşam süresi boyunca daha stabil bir izotop olabilmek için birçok bozunmaya uğrar.
Dünyadaki uranyum rezervlerinin %0.7′ sini oluşturan Uranyum-235 nükleer enerji elde etmek açısından önemli özelliklere sahiptir. U-235 doğal olarak alfa ışınlarıyla bozulabilir. U-235 kısa bir süre içinde füzyon reaksiyonuna girebilir ve füzyona sokulabilecek az sayıda materyalden biridir. Eğer U-235 çekirdeğine serbest bir nötron çarparsa çekirdek bu nötronu içine alır. Bunun sonucunda stabilitesi bozulur ve kısa zamanda parçalanır.
Yukarıdaki resimlerde nötron ilavesi yapılan bir U-235 çekirdeği görülmektedir. Reaktör koşullarında bir nötron enjekte edilmesi sonucu oluşan her füzyon başka bir füzyonun oluşmasını sağlayacaktır.
Çekirdek nötronu yakaladığında iki ufak atoma ayrılır ve iki veya üç yeni nötronu dışarı salar. Nötron yakalama ve parçalanma işlemleri pikosaniye ( 1 x 10^-12 sn ) gibi kısa bir süre içinde gerçekleşmektedir.
Atomun parçalanması inanılmaz bir sıcaklık açığa çıkmasına ve gama ışımasına neden olur. Ağırlıktaki değişim doğrudan enerjiye çevrilir. Ortaya çıkan enerji E= m x c^2 ile bulunur.
Bir tane U-235 atomu yaklaşık 200MeV ( milyon elektronvolt ) enerji ortaya çıkarır. Bu miktar fazla gözükmesede 0.45 kg uranyumda çok fazla atom olduğu unutulmamalıdır. 0.45 kg zenginleştirilmiş uranyum 1 milyon galon benzine eşdeğer enerji üretecektir.
Bütün bu işlemlerin olabilmesi için bir miktar uranyumun %2-3 daha fazla U-235 içerecek şekilde zenginleştirilmesi gerekmektedir. Nükleer santraller için %3 zenginleştirme yeterlidir. Nükleer silah üretimi için ise bu zenginleştirme %90 oranlarında yapılmalıdır.
Plütonyum
Uranyum-235 nükleer santrallerin tek yakıtı değildir. Füzyon reaksiyonuna sokulabilen plütonyum-239′ da kullanılabilir.
U235 atomu parçalandığında 2 veya 3 nötron serbest kalır. Eğer etrafta başka U-235 atomu yoksa bu serbest nötronlar uzaya nötron ışını olarak gider. Bununla beraber eğer U-235 atomu bir uranyum kütlesinin parçasıysa serbest nötronların çarpışabileceği birçok U-235 olacaktır. Bir U-235 atomuna kaç nötronun çarpacağı sorusunun cevabı nükleer santralin durumunu tanımlayacaktır.
Kritik Kütle : Herbir füzyon işleminden sonra sadece tek bir nötron diğer U-235 atomunun çekirdeğine çarpıp parçalanmasına neden oluyorsa uranyumun kritik kütlede olduğu söylenir. Kütle sabit bir sıcaklıkta kalacaktır.
Kritik Altı Kütle : Eğer bir U-235 atomuna birden az serbest nötron vuruyorsa füzyon işlemi sona erecektir.
Süper Kritik Kütle : Eğer U-235 atomuna birden fazla serbest elektron vuruyorsa buna süper kritik kütle denir. Bu reaktörün ısınmasına sebep olur.
Nükleer reaktörlerde en istenmedik şey atomların sadece bir kez parçalanmasıdır. Reaktör çekirdeği bir miktar süper kritik durumda çalışmaya ihtiyaç duyar böylece santral operatörleri reaktör ısısını yükseltip alçaltabilirler. Kontrol çubukları sayesinde operatörler serbest elektronları absorbe edebilirler. Böylece operatörler reaktörün kritik seviyede çalışmasını sürdürebilirler.
Peki mühendisler uranyumu kritik seviyede tutmayı nasıl başarabiliyorlar ?
Kütledeki U-235 miktarı ( zenginleştirme seviyesi ) ve kütlenin şekli bunda önemli bir rol oynar. Eğer kütlenin şekli bir yaprak gibiyse serbest elektronların çoğu diğer U-235 atomlarına çarpmadan boşluğa uçacaktır. Bu yüzden en optimum şekil küredir. Kritik reaksiyon seviyesine ulaşmak için kütle içinde 0.9 kg U-235 olmasına ihtiyaç vardır. Bu yüzden bu miktar kritik kütle olarak isimlendirilir. P-239 için kritik kütle ise 0.283 kg’ dır.
Nükleer Santrallerin Çalışma Yapısı
Nükleer füzyonu elektrik enerjisine dönüştürmek için operatörlerin atacağı ilk adım zenginleştirilmiş uranyumdan elde edilen enerji ile suyu ısıtmak ve buhar elde etmektir.
Zenginleştirilmiş uranyum 2.5 cm uzunluğunda misketler halinde şekillendirilirler ve herbiri yaklaşık olarak aynı çapta olurlar. Daha sonra bu misketler uzun çubuklar halinde dizilir ve çubuklar bir demet halinde biraraya toplanır. Bu çubuk demetleri basınçlı bir fıçı içinde bulunan suya daldırılır. Su soğutucu görevi yapar. Reaktörün çalışması için daldırılan bu demetlerin süper kritik durumda olması gerekir. Uranyum kısa sürede ısınıp eriyecektir.
Aşırı ısınmayı önlemek için uranyum demetine nötron absorbe edebilen kontrol çubukları yerleştirilir. Kontrol mekanizması ile kontrol çubukları kaldırılıp indirilebilir. Kontrol çubuklarını bu şekilde hareket ettirebilmek operatöre nükleer reaksiyonu kontrol edebilme imkanı tanır. Operatör uranyum çekirdeğinin sıcaklığını yükseltmek istediğinde kontrol çubukları uranyum demetinden çekilir böyle daha az nötronun absorbe edilmesi sağlanır. Daha az sıcaklık elde etmek için kontrol çubukları uranyum demetinin içine indirilmelidir. Bu çubuklar tam olarak indirildiklerinde reaktörü tam olarak ta kapatabilirler. Kapatma işlemi kaza anında veya yakıt değiştirme sırasında yapılmaktadır.
Uranyum demetleri çok yüksek bir ısı kaynağıdır. Suyu ısıtıp buhara dönüştürür. Buhar türbinleri döndürür, türbinlerde generatörü döndürür. Böylece enerji elde edilmiş olur.
Bazı nükleer santrallerde reaktörden gelen buhar ikinci bir santrale gider. Burada ara ısı transfer sistemleriyle ikinci bir su kaynağı ısıtılıp buhar elde edilir. Böylece radyoaktif su/su buharının türbinle olan bağlantısı kesilmiş olur. Ayrıca bazı reaktörlerde soğutucu bir akışkan reaktör çekirdeği arasında bağlantı halinde bulunur. Bu akışkan genellikle karbondioksit gazı veya sodyum, potasyum gibi sıvı metaller olmaktadır. Bu çeşit reaktörlerde çekirdek çok yüksek sıcaklıklarda çalışabilir.
Anahtar kelimeler: nükleer reaktörler, füzyon reaksiyonu, nükleer enerji santralleri, atom çekirdeği, nötron ilavesi, gama ışını, alfa ışını, radyoaktif madde, plütonyum, soğutucu mekanizma, kontrol çubukları, kritik kütle, yarılanma zamanı, atomun parçalanması, gaz salınımı, suyun buharlaşması, türbinler, enerji üretimi, elektrik üretim tesisleri, uranyum demeti, izotop atomlar, erime ısısı, çalışma sıcaklığı, radyoaktif ışıma, nükleer silahlar.