Nükleer Enerji

1 NÜKLEER ENERJİ NEDİR?
Bir nükleer tepkimede,yani herhangi bir atom çekirdeğinde bazı değişikliklere yol açan bir tepkimede açığa çıkan enerjiye nükleer enerji ya da çekirdek enerjisi denir.

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 yerleşimlerinden kaynaklanan kimyasal enerjinin bir bölümünü açığa çıkabilir; yanma olayı bu tür bir tepkimedir. Nükleer tepkimede ise,atomun tam ortasında bulunan nötron ve protonlardan oluşan atom çekirdeği eğişikliğe uğrar ve bu tür tepkime sırasında atom tepkimesinin bir bölümü enerjiye dönüşür. Nükleer tepkimede herhangi bir kimyasal tepkimede açığa çıkabilecek olanın milyonlarca katı kadar enerji ortaya çıkar ve kimyasal tepkimeden farklı olarak, bir element farklı bir elemente dönüşür.
0x01 graphic
Şekil 1:Atom çekirdeğinin bölünmesi
İki tür nükleer tepkime vardır: çekirdek bölünmesi (nükleer fisyon ya da kısaca fisyon) ve çekirdek kaynaşması (nükleer füsyon ya da füsyon).

1.2 ÇEKİRDEK BÖLÜNMESİ
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. Ardaki fark enerji biçminde ortaya çıkar.bu olguyu ilk defa 1905`te Albert Einstein belirledi ve E=mc² formülüyle tanımladı.Bu formüle göre açığa çıkan enerji(E), kaybolan kütle ile ışık hızının karesinin(c²) çarpımına eşittir ışık 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'deiki 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 enerjinin ortaya çıkacağı anlaşıldı.
Çekirdek bölünmesi sonucunda açığa çıkan enerjinin etkisiyle parçacıklar çok büyük bir hız kazanır; bu parçacıklar çevredeki maddenin atomlarıyla çarpıştıkça yavaşlar ve böylece hareket enerjisi ısıya dönüşür. Bu ısı denetim altına alınabilir ve örneğin bir elektrik santralindeki türbinlerin çalışmasında kullanılabilir ya da atom bombası ve nükleer savaş başlıklarında olduğu gibi büyük yıkıma neden olabilecek bir patlamayla çevreye salınabilir.

1.3 URANYUM ÇEKİRDEĞİNİN BÖLÜNMESİ
Uranyum doğada iki ana biçiminin (izotopunun) bir karışımı halinde bulunur. Bu karışımın %99 undan çoğunu uranyum-238 (U-238), %1'den daha azını uranyum 235 (U-235) oluşturur. Buradaki rakamlar kütle numarasını, yani çekirdekteki proton ve nötron sayılarının toplamını göstermektedir. U-238'in çekirdeğinde 3 nötron fazlası vardır bu nedenle iki izotop farklı fiziksel özelliklere sahiptir.
0x01 graphic
Şekil 2:Uranyum çekirdeğinin bölünmesi
Yalnızca U-235'in atomlar bölünebilir; U238'in atomlar 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.

1.4 NÜKLEER REAKTÖRLER
Nükleer reaktörler, içerisinde nükleer reaksiyonların kontrollü bir şekilde yürütüldüğü ortamlardır. Çok büyük enerjiler açığa çıkaran iki tür nükleer reaksiyon vardır. Bunlar büyük atom çekirdeklerinin parçalanması (fizyon) veya küçük atom çekirdeklerinin birleşmesi (füzyon) reaksiyonlarıdır. Bu yüzden nükleer reaktörler, içerisinde gerçekleşen reaksiyon türüne göre iki gruba ayrılabilirler:
1. Fizyon reaktörleri
2. Füzyon reaktörleri 
Hâlihazırda füzyon reaksiyonu ile çalışan bir nükleer reaktör mevcut değildir. Fikir olarak Haziran 1942'de ortaya atılan füzyon olayı ancak 1952'de bomba olarak denenebilmiştir. Bu büyük gücün kontrol altına alınması, başka bir deyişle füzyona dayanan bir nükleer reaktörün yapılması ise henüz gerçekleştirilememiştir. Ancak, bu konudaki çalışmalar bütün hızıyla devam etmektedir. 

Günümüzde farklı şekillerde tasarlanmalarına rağmen temel olarak fizyon reaksiyonuna dayanan yüzlerce nükleer reaktör mevcuttur. Atom bombasında çok kısa sürede gerçekleşen fizyon reaksiyonu, nükleer reaktörlerde daha uzun sürede gerçekleştirilerek olay kontrol altına alınır. 

Nükleer reaktörü oluşturan en önemli elemanlardan birincisi uranyum yakıttır. (239Pu'da yakıt olarak kullanılabilir.)Uranyum radyoaktif özelliği düşük olan bir elementtir. Reaktörde reaksiyona girmeden önce lastik bir eldivenle bile tutulabilir. Ancak, fizyon reaksiyonu sonucunda oluşan ürünlerin çoğu oldukça radyoaktiftir. Nükleer reaktör çalışmaya başladıktan sonra ne içine girmek ne de reaktörden çıkan yakıt atıklarına yaklaşmak imkansızdır. 

Yakıt olarak kullanılacak uranyumun reaktöre girmeden önce her türlü safsızlıktan arındırılması gerekir. Ayrıca yapısındaki 235U oranı %3 dolayına yükseltilmiş yani izotopik olarak zenginleştirilmiş uranyum daha kullanışlıdır. Günümüzde yakıt olarak UO2 tercih edilmektedir. Uranyumdioksit önce toz haline getirilip sonra 1 cm çap ve yüksekliğinde küçük silindirler şeklinde sıkıştırılır. Daha sonra fırında pişirilerek seramik yakıt lokması haline getirilen bu silindirler 4 m uzunluğunda ince bir metal zarf içine yerleştirilerek yakıt çubukları elde edilir. Büyük bir reaktörde bu yakıt çubuklarından yaklaşık 50.000 tane vardır. 

Reaktörün ikinci temel elemanı nötron yavaşlatıcısıdır. Bunun için ise su kullanılır. Uranyum yakıt reaktörde bir su banyosuna daldırılmış çubuklar şeklindedir. Fizyon reaksiyonu sonucunda oluşan nötronlar yakıt çubuklarından su banyosuna geçerler. Su tarafından yavaşlatılan nötronların fizyon yapma yeteneği artar. Bu yavaş nötronların yeniden uranyum yakıt ile çarpışmaları ise fizyon olayının zincirleme reaksiyon şeklinde sürmesini sağlar.

 Fizyon reaksiyonu sonucunda oluşan büyük ısının, yakıtın kızışmasını önlemek için ortamdan transfer edilmesi gerekir. Bunun için ise nötronları yavaşlatmak için ortamda bulunan suyun bir pompa ile devredilmesi sağlanır. Yaklaşık 300°C'de olan sıcak su borular yardımı ile soğuk su içeren bir hazneden geçirilir. Bu esnada ısı transferi ile soğuk su ısınarak buhar oluşur. Elde edilen buhar bir buhar türbininden geçirilerek ısı enerjisi elektrik enerjisine dönüştürülür. 

Nükleer reaktörlerin en önemli elemanlarından bir diğeri ise kontrol çubuklarıdır. Reaktörün kontrolü ortamdaki nötron sayısının kontrolü ile mümkündür. Eğer, fizyondan doğan nötronların oluşma hızı uranyum yakıt tarafından yakalanma hızına eşit ise reaktör aynı güçte çalışmaya devam eder. Ortamdaki nötronların sayısı arttıkça güç yükselir, azaldıkça güç düşer. Ortamda nötron kalmazsa reaksiyon durur. Bunun için, reaktöre kadmiyum veya bordan yapılan ve nötronları soğuran kontrol çubukları yerleştirilir. Bu çubuklar reaktörde istenilen derinliğe indirilerek reaksiyon kontrol altında tutulur. 

Sonuç itibariyle bir nükleer güç reaktörü, temelde fizyon reaksiyonundan oluşan ısıyı yayan bir su ısıtıcısıdır. Aynen termik santrallerde olduğu gibi elde edilen ısı ile sudan buhar; buharın türbinleri döndürmesinden ise elektrik enerjisi elde edilir. Prensip olarak birbirine çok benzeyen termik santrallerle nükleer santraller arasında çok önemli farklar vardır. Öncelikle nükleer santraller, termik santrallerde olduğu gibi dışarı CO2 ve SO2 gibi gazlar salmazlar, kül bırakmazlar. Bundan dolayı çevreyi kirletmedikleri söylenebilir. Ancak, nükleer reaktörden çıkan kullanılmış yakıt yüksek radyoaktiviteye sahip bir çok madde içerir. Yüksek aktiviteli bu nükleer atıkların çevreye ve insana zarar vermeden tasfiye edilmesi çok önemli bir problemdir. Bu atıkların dış ortamla irtibatı telafisi mümkün olmayan sorunlara yol açabilir. Bu konudaki en büyük gelişme nükleer atıkların yeryüzünün 500 ile 1200 m altında inşa edilen özel depolara gömülmesidir. Yer altında gömülü olan nükleer atıkların yeryüzüne çıkmasını sağlayacak tek mekanizma yeraltı suyu ile teması olacaktır. Bunun için, atıkların gömüleceği yer seçiminde jeolojik ve çevresel faktörler dikkate alınır. Ayrıca, bu atıklar yüksek sıcaklıkta cam eriyiği ile karıştırılıp metal silindirler içine boşaltılır ve soğuduğunda camsı bir yapı oluşturur. Cam suda çözünmeyen, uygun mekanik özelliklere sahip bir malzeme olduğundan yer altındaki nükleer atıkların yeryüzüne çıkma ihtimalini daha da azaltmaktadır. Aslında nükleer atıkların tehlikesi, kurşun, cıva ve arsenik gibi zehirli atıklara kıyasla daha azdır. Çünkü, nükleer atıkların radyoaktivitesi zamanla azalırken, zehirli atıklar çevreye atıldıkları ilk günkü gibi kalırlar.