1 - Hacettepe Üniversitesi Nükleer Enerji Mühendisliği

Dosya
Prof. Dr. H. Okan ZABUNOĞLU Hacettepe Üniversitesi Nükleer Enerji Mühendisliği Bölümü
Nükleer Enerjinin Tarihçesi
1789: denince hemen akla Fransız İhtilali gelir,
ama aynı yıl, gerçek önemi yıllar sonra anlaşılacak bir olay daha olmuştu:
Uranyum’un keşfi. Alman bir kimyager
olan M.H. Klaproth bu yeni elementi
1781’de keşfedilen Uranus gezegeninden esinlenerek “uranyum” diye
isimlendirdi; aslında keşfettiği madde
uranyumun bir oksit bileşiği idi. Uranyumun saf metal olarak eldesi bundan
52 yıl sonra (1841’de) Fransız kimyacı
E. M. Peligot tarafından gerçekleştirildi. O dönemde uranyum yalnızca cam
ve seramiği renklendirmek amaçlı kullanıldı. 107 sene geçti...
1896: Fransız fizikçi Henry Becquerel, Pierre Curie ve Polonya asıllı Marie Curie ile birlikte, uranyumu kullanarak
“radyoaktivite”yi keşfetti. Üçü 1903
Nobel Fizik ödülünü paylaştı. O yıllarda uranyum, radyoaktivite ile ilgili
araştırmalar için aranan bir madde
oldu.
1920: Yeni Zelanda doğumlu İngiliz nükleer
fizikçi Ernest Rutherford, atom çekirdeğinde yüksüz bir parçacığın bulunması gerektiğini ileri sürdü. (Rutherford,
elementlerin bozunması ve radyoaktif
maddelerin kimyası üzerine olan çalışmalarından dolayı 1908 Nobel Kimya
ödülünü almıştı.)
1932: Bir başka İngiliz fizikçi James Chadwick
o yüksüz parçacığı, yani “nötron”u keşfetti.
1933, Ocak: Adolf Hitler şansölye oldu, Nazi
partisi Almanya’da tek başına iktidara
geldi.
1934: İtalyan fizikçi Enrico Fermi ve ekibi,
uranyumu nötron bombardımanına tabi
tutarak, atom numarası 93 ve 94 olan
(uranyumdan ağır) elementleri ürettiğini öne sürdü ve onları “ausonium” ve
“hesperium” diye isimlendirdi. En son
(1789) keşfedilen element atom numarası 92 olan “uranyum”du; ondan
ötesi yoktu. Fermi’nin keşfettiğini ileri
sürdüğü elementler (şimdiki adlarıyla,
“neptünyum” ve “plütonyum”) saf değildi, hafif elemenleri de içeren karışımlardı. Uranyumdan yola çıkarak elde
edilen bir karışımda hafif elementlerin
varlığını izah etmek ise olanaksızdı;
çünkü atom, “bölünmeyen” demekti,
bölünebileceği (yani “fisyon”) kimin aklına gelirdi!
1935: Chadwick nötronu keşfettiği için Nobel
Fizik ödülünü aldı.
1938: Nazi Almanyası Avusturya’yı ilhak etti.
1938: Nötronlarla gerçekleşen nükleer reaksiyonlar üzerine yaptığı çalışmalar nedeniyle, Fermi, 37
yaşında,
Nobel Fizik ödülünü kazandı. Fermi,
ailesiyle birlikte, ödülü almaya 32 ODTÜLÜLER BÜLTENİ 240
li haberleşmekteydi. Meitner ve Frisch
uranyumun nötron yutarak bölünmesi
olayını açıklayan ve açığa çıkan enerjinin bir kimyasal reaksiyondakine kıyasla çok daha fazla olduğunu
ortaya koyan bir makale yayınladılar.
Atomun parçalanmasını biyolojideki
hücre bölünmesine (ki o yıllarda buna
“fisyon” deniyordu) benzeterek, ona
“nükleer fisyon” adını verdiler.
Klaproth
Stokholm’e gitti ve sonra İtalya’ya dönmeyip ABD’ye göç etti. Fermi’nin eşi
Yahudi idi.
1938, Aralık: Alman kimyacı Otto Hahn ve
asistanı Fritz Strassman Berlin’de yürüttükleri deneyler sırasında, uranyumun nötronlarla bombardıman edilince
bölündüğünü keşfettiler. (Strassman,
1933’te, Nazi kontrolüne geçtiği için
Alman Kimyacılar Derneğinden ayrılmıştı ve sonraki savaş sırasında, eşi
ve küçük çocuğuyla yaşadığı evde bir Yahudi arkadaşını gizleyecekti.)
1939, Ocak: Hahn ekibinin eski bir üyesi olan
Avusturya doğumlu Lise Meitner, Yahudi olduğu için bir yıl kadar önce zorlukla Hollanda’ya kaçmıştı, şimdi İsveç’te
yeğeni O.R. Frisch ile beraber aynı
konuda çalışmakta ve Hahn ile sürek-
1939, ilk aylar: Uranyumun bir nötron yutarak
fisyona uğramasının yalnızca büyük
miktarda enerji açığa çıkarmakla kalmayıp 2 veya 3 nötronun da peydahlanlanmasına yol açtığı anlaşılınca, bir
zincir reaksiyonunun mümkün olduğunu ve bunun askeri amaçlarla kullanılabileceğini akıl etmek çok zaman
almadı. O dönem ABD’de yaşamakta
olan Macar fizikçi Leo Szilard bunu ilk
düşünenlerden biriydi.
1939, Mart: Nazi Almanyası Çekoslovakya’yı
işgal etti.
1939, Ağustos: Szilard tarafından kaleme
alınan Einstein imzalı (tarihi) mektup
ABD Başkanı Franklin D. Roosevelt’e
ulaştı. Bu mektup, Almanya’nın “atom”
(veya fisyon) bombası yapabileceğini
ve ABD’nin de bu konuda bir araştırma
programı başlatması gerektiğini vurguluyordu.
1939, 1 Eylül: Nazi Almanyası Polonya’yı işgal
etti.
1939, 3 Eylül: İkinci Dünya Savaşı resmen
başladı.
1939, yılsonuna doğru: ABD, Kanada ve
İngiltere’nin ortak olarak yürüteceği
Manhattan Projesi başladı.
1940, Aralık: ABD’li nükleer kimyacı Glen
T. Seaborg ve ekibi (BerkeleyKaliforniya’da) atom numarası 94 olan
elementi, yani “plütonyum”u saf olarak
elde etti ve 1941 Şubat’ında kimyasal
olarak tanımladı (“keşfetti” de diyebiliriz).
1941, Aralık: Japonya Pearl Harbor’a saldırdı. ABD hemen Japonya’ya savaş açtı;
böylece İkinci Dünya Savaşı Pasifik’e
de sıçradı.
1942, Ocak: Manhattan Projesi en geniş çaplı
halini aldı.
1942, Aralık: Chicago Üniversitesinin Amerikan futbolu sahasının altındaki bir
alanda Fermi ve ekibi ilk nükleer fisyon
zincir reaksiyonunu gerçekleştirdi. Söz
konusu aygıt “Chicago Pile-1” (CP-1)
diye bilinir.
1943, Kasım: Chadwick ABD’ye giderek Manhattan Projesinde aktif rol almaya başladı.
1944, Haziran: Normandiya Çıkarması ile,
Dwight D. Eisenhower komutasındaki
Dosya
müttefik kuvvetler Nazi Almanyası’na
karşı hücum harekatı başlattı.
ortak olmayı hak ettiğini düşündü (ve
düşünmektedir). [1982’de, üretilen 109.
Elemente “Meitnerium (Mt)” adı verildi.]
1945, Nisan: Roosevelt öldü; savaşın resmi
sonunu ve atom bombasının nasıl bir
şey olduğunu göremedi. Yardımcısı
Harry S. Truman Başkanlık görevini
devraldı.
1945, Mayıs: Almanya teslim oldu, İkinci Dünya savaşı Avrupa’da sona erdi.
1945, 16 Temmuz: Manhattan projesinin ürünü
olan ilk atom bombası test amaçlı olarak Trinity’de (New Mexico) patlatıldı. Chadwick de bu denemeyi izleyenler arasındaydı. Onun 13 yıl önce
keşfettiği parçacığın (nötron), 7 yıl
önce keşfedilen bir nükleer reaksiyon
(fisyon) yoluyla, 4 yıl önce keşfedilen
bir elementin bir izotopunu (plütonyum239) parçalaması sonucunda devasa
bir enerjinin kontrolsüz olarak açığa
çıkması sağlanmıştı.
1945, 26 Temmuz: ABD Japonya’ya bir ultimatom vererek kayıtsız şartsız teslim
olmasını istedi. Aksi halde Japonya’nın
kaçınılmaz olarak çok ciddi tahribata
uğrayacağını söyleyen bu ultimatomda
herhangi bir yeni silahın bahsi geçmedi. Japonya buna yanıt vermedi.
1960
1951: Idaho-ABD’de EBR-1 isimli reaktörde
üretilen İLK nükleer elektrik ile her biri
200 watt’lık 4 ampul ışık verdi.
1945, 6 Ağustos: ABD Hiroşima’ya atom bombası attı. Bu uranyum bombası idi.
Truman Japonya’yı teslim olması için
tekrar uyardı. Japonya teslimiyet koşullarını belirlemeye çalışırken, Sovyetler Birliği de Japonya’ya savaş açtı.
Her şey karman çormandı. Japonya
ABD’nin uyarısına karşı sessiz kaldı.
1945, 9 Ağustos: ABD Nagasaki’ye atom (plütonyum) bombası attı. Savaş Pasifik’te
de bitti. [Bu 2 atom bombasının, kısa
dönemde (ilk birkaç ay) 100 000 kişinin, sonraki yıllar da eklenince toplam
yaklaşık 200 000 kişinin ölümüne yol
açtığı tahmin ediliyor.]
1945, Kasım: İsveç Kraliyet Bilimler Akademisi, fisyonu keşfettiği için Hahn’ın 1944
Nobel Kimya ödülüne layık görüldüğünü duyurdu. Pek çok bilim insanı
ve tarihçisi, Meitner’in bu ödüle
Dünyadaki toplam nükleer reaktör
ünitesi sayısı
Dünyadaki toplam nükleer kurulu güç
(MW-elektrik)
16
1106
1966
1954: İlk sivil reaktör; Obninsk-Moskova. 5
MW-elektrik gücündeki bu reaktör, nükleer reaktörlerin atası olarak bilinir.
1955: İlk nükleer denizaltı, USS Nautilus.
1956: İlk ticari nükleer güç santrali; Sellafieldİngiltere (50 MW-elektrik gücünde).
1960: İlk özel-sektör nükleer güç santrali;
Dresden, Illinois (210 MW-elektrik gücünde).
Nükleer elektrik üretiminin ve silah sayısının
sonraki yıllarda nasıl değiştiği aşağıdaki tabloda özetlenmiştir.
Rusya Federasyonu ve ABD, 1993’te, “Megatons to Megawatts” adı verilen 20 yıl süreli bir
anlaşma yaptılar. Geçen sene dolan 20 yıllık
süreçte, Sovyet döneminden kalma 20000
uranyum silahı (nükleer silahın gücü Megaton
ile ölçülür) çözüldü ve içerdiği uranyum seyreltilerek ABD nükleer reaktörlerinde (reaktörün
gücü Megawatt ile ölçülür) elektrik üretmek
üzere yakıt olarak kullanıldı ve son parti hala
kullanılmakta...
Nükleer silah sayısı
31000 (yalnız ABD’de)
1970
89
16648
1980
253
136809
1986
45000 (Sovyetler Birliği) 25000 (ABD)
1995
434
341400
2000
435
350000
32500 (dünyada, toplam)
2010
441
375300
23600 (dünyada, toplam)
2014
434
374000
17300 (dünyada, toplam)
Kaynaklar
(1) International Atomic Energy Agency. http://www.iaea.org
(2) World Nuclear Association. http://world-nuclear.org/info/Facts-and-Figures
(3) Prof.Dr. Nezihi Özden’in “Nükleer Çağın İlk 40 Yılı” adlı kitabı. İTÜ Nükleer Enerji Enstitüsü Genel Yayınları No.17, İstanbul 1983.
(4) “Wikipedia”. Özellikle tarihlerle ilgili pek çok bilgi “Wikipedia”dan alındı.
HAZİRAN 2014 33
Dosya
Haluk DİRESKENELİ (ME’73)
Nükleer Farkındalık
P
aris çevresinde çok sayıda nükleer
santral var, ancak tümünü Fransız
mühendisleri inşa etti ve Fransızlar
çalıştırıyorlar. Zaman içinde yavaş yavaş
küçük kapasiteden büyüğüne gittiler. Bizim
santrallerimiz ise bize ait değil. Teknolojisi
hiç değil. Kontrolü, işletmesi bizim değil.
Başkalarının yaptığı nükleer santral ile nükleer teknoloji sahibi olamazsınız.
Başkalarının inşa ettiği termik santrallerle de termik santral teknolojisi sahibi
olamazsınız. Son 50 yıldır, yurdumuzda
termik santral başka ülkelerin mühendisleri
tarafından yapılıyor; hala kendimize ait, tasarımını komple bizim yaptığımız bir termik
santralimiz yok. Başkalarının yaptığı tasarımlar bize uymuyor, bizim yerli yakıtımıza
uymuyor, işletmede devamlı zorluklar çıkıyor, termik santraller hızla yaşlanıyor, çok
çabuk kullanılmaz oluyor.
ODTÜ Mezunları Derneği Ankara Yönetim Kurulu üyesiyim, aynı zamanda
Makina Mühendisleri Odası Ankara Şube
Yönetim Kurulu Üyesiyim. Her iki örgüt
Enerji Komisyonlarından YK olarak sorumlu/ gözlemci üyeyim. ODTÜMD, MMO ve
TMMOB olarak nükleer konusunda belirli
bir tavrımız var. Bazı meslek odalarımız
nükleer konusuna tamamen karşı. Bence
bu durum çok kolaycılıktır. Bu durumlar,
34 ODTÜLÜLER BÜLTENİ 240
bana geçenlerde eylem yapan “teknolojiye
karşı mühendisler platformu” konusunu hatırlatıyor. Benzetmede hata olmaz, başka
absürt benzerlikler sayayım, “eğitime karşı öğretmenler”, “tedaviye karşı doktorlar”,
hatta “savunmaya karşı askerler”, yani olmayacak şeyler.
EGE, İTÜ, Hacettepe Üniversiteleri
nükleer konusunda çok ciddi akademik çalışmalar yapmaktadırlar. 1960 - 1990 arası
nükleer akademik geçmişi olan ODTÜ’nün
Makina - Nükleer Bölümü 1990’larda kapanmıştır. Nükleer bilim, nükleer teknoloji
büyük oranda makina mühendisliği konusudur. Yani bir anlamda makina mühendisleri meslek odası görev alanına girer. Biz
mühendisler kafamızı kuma sokup bekleyemeyiz. Nükleer farkındalık bizim has
- esas işimizdir. Nükleer konusunda inisiyatifi ele almamız, yerel nükleer farkındalık
politikaları geliştirmemiz gerekir.
Şu anda yapılan kanun kapsamı nükleer santrali ihalesine karşı olabiliriz, Sinop’ta
yer seçimine karşı olabiliriz, yapılan uygulamayı beğenmeyebiliriz. Sivil toplum örgütleri, ilgili yerli kurumlar, meslek odaları
bu işe soyunmaz, görev/ sorumluluk almaz
ise, bu işi yabancılar yapar; bu işin ekmeğini – kazancını – parasını - ARGE’sini yabancı şirketler alır.
Hayati kararları da o zaman ulusal kurumlar değil, yabancı kurumlar/ organizasyonlar/ makamlar verir. Ciddi, uzun vadeli
bir yol haritası çizmemiz gerekir. Mevcut
siyasi iradenin yayınladığı bir yol haritası
var, ilgili kanun ve yönetmelikleri iyi incelememiz, paralel veya alternatif makul uygulanabilir çözümler üretmemiz gerekir.
Sivil toplum örgütlerinin, yerli kurumların, meslek odalarının, ETKB ve TEAK
ile birlikte nasıl bir çalışma yapma potansiyelinin olduğunu, ASME tarafından verilen akreditasyon ve eğitimler ile ilgili neler
yapılabileceğinin, bir nükleer santralin güvenlik ve çevre gibi gereksinimlerinin doğrulanmasının ulusal bir kurum veya şirket
tarafından nasıl yapılabileceğinin tanımlarını, hepsinin ayarını biz çizmeliyiz.
Nükleer konusunda yazı yazanların çoğunun bu konuda hiçbir akademik eğitimi
yok, oradan buradan toplama, bölük pörçük bilgilerle detay bilmeden haber yapıyorlar. Korku - bilimkurgu film senaryoları
çiziyorlar. Bilenler ise bu karmaşada suskun kalıyorlar. Konuyu bilmeyenler cahil cesaretiyle bu derece etkin olurlarsa, sonuç
gayriciddi olur.
Dosya
Sivil toplum örgütleri, nükleer enerjiye
karşı olabilir. Üyeler tek tek karşı olabilir.
Ancak durum, konu hakkında akıl yürütmesini, yeni politikalar ortaya çıkarmasını, farkındalık oluşturmasını engellemiyor.
Nükleer teknolojiyi bilmemiz, öğrenmemiz
lazım. Sadece “istemezük” demek bir çözüm değildir; “istemezük” ifadesi sadece
kolaycılıktır.
Türkiye halen çevre ülkelerindeki 30
kadar nükleer ünitenin tesiri/olası etkisi
alanındadır. Biz kursak da kurmasak da,
nükleer tehdit altındayız. Biz istemesek bile
veya biz olmadan da çevremizdeki coğrafyada bu süreç devam ediyor; düzenleyici
kuruluşların olduğu kadar, doğrulama ve
sosyal sorumluluk anlamında diğer kurum
ve kuruluşların da süreç içinde görev alması gerekiyor.
Şu anda TAEK bu konuda yasal olarak
görevlendirilen tek kurumdur. Ancak TAEK,
doğrulama ve test gibi teknik işleri sorumluluğuna almayacak/alamayacak ve bu yüzden sadece onay ve regülasyon makamı
olarak görev yapmayı herhalde planlıyor.
Bu uygulama orta ve uzun vadede tüm bu
işlerin yabancılar tarafından yapılmasına
neden olabilir. Bu işler yabancılara bırakılmayacak derecede önemli, hassas işlerdir.
Gerekli eğitim yatırımları ile bu işin önüne
kısmen ya da tamamen geçilebilir. Konuyu
yakından takip edip, bilimsel olarak doğrularla desteklenmiş görüşlerimizi paylaşmalıyız. Yapılan işlerden, ülkemizin bunlara
çok ihtiyacı olduğunu değerlendiriyoruz.
Kullanılacak teknolojiler; hangisi en
yeni, hangisi en az nükleer madde ile çalışıyor ve atığı az, daha az soğutma suyu
istiyor, ne kadarı Türkiye’de yapılabilir, hangisinde kötü deneyimler var nasıl önlem
alınmış, hangi teknoloji asla Türkiye’ye hiç
girmemeli… Bütün bunları değerlendirmeliyiz. Akkuyu 20 sene önce seçildi, bugünkü
kriterlerle belki de seçilmezdi.
Nükleer santral soğutma suyunun soğuk olmasında daha yüksek randıman
açısından fayda vardır. Yıllık ortalaması sıcak Akdeniz deniz suyu yerine, ortalaması
daha soğuk Karadeniz kıyıları bu yüzden
daha elverişlidir. Sinop sonrası sıra herhalde İğneada ve Hopa santrallerine gelecek.
Arkasından tüketim merkezlerine yakınlığı
açısından belki de Kırıkkale - Ankara, Aliağa - İzmir, Kemerköy - Muğla santralleri telaffuz edilmeye başlanacak. Siyasi kararla
siyasi sipariş verirseniz, proje finansmanı
da siyasi olur, ticari kredi bulamazsınız.
Nükleer teknoloji için 50 MWe, 500
Mwe, 5000 Mwe kapasite genelde aynıdır,
ancak 50 MWe kolay bir finansman paketi
iken, 5000 MWe için ciddi ticari finansman
gerekir.
Nükleer güvenlik konularında Avrupa Birliği bu konuda ortalama her ay bir
veya daha fazla direktif veya tebliğ yayınlıyor. Türkiye AB piyasa direktiflerini hızla
uyumlaştırdı. Nükleerle ilgili olanlarda ne
yapılıyor? Bunların hiçbiri net değil. Nükleer santral için karar aşamasındayız ama
gerekli güvenlik mevzuatında nerdeyiz?
Net bilinmiyor. Yerel çevre halk nasıl korunacak? Santral işletilirken nasıl denetlenecek? Atıklar için kısa ve uzun vadeli
çözümler ve gerekli denetimler ne olmalı?
Acil tahliye planları var mı?
Yapılacak seçimlerin - gerek üstlenici
firma ve ülkesi ve gerekse yer seçimi - siyasi, ekonomik, hukuki olarak irdelenmesi
gerekir. Örneğin son imzalanan modelin ne
gibi sakıncaları, ne gibi avantajları var(!)
bilelim. Akkuyu’da başlayan proje ÇED raporunu zor hazırladı. Böyle konularda gayriciddilik kabul edilemez. Çalışma gurupları
kurarak bu konuda bilgi olanları, bu alanda
uluslararası deneyimleri olan ülkemiz uzmanlarını davet etmeliyiz. Buradan çıkan
sonuçları kamuoyu ile paylaşmalı karar vericileri doğruya yönlendirmeliyiz.
Önemli bir diğer konu “tedarik işleri”dir.
Sadece test - sertifikasyon ve onay değil,
işletme ve tedarik kontrolünün de Türkiye
Cumhuriyeti kurumlarında olması gerek.
Görevli kurum mühendis meslek odaları
olabilir. Bu işleri biz yapmazsak Rus/ Kore/
Alman mühendis bu işi yapar; bizim cebimizden ödeyeceğimiz çok paraya yapar;
sonra da meslek odaları bakar; ben de
“daha çok istihdam” diye boşu boşuna yazmaya devam ederim.
Nükleer konusu günümüzde bir gerçektir; içinde bulunduğumuz coğrafyada
zaruri bir ihtiyaçtır; biz istemesek de bu bir
öğrenme sürecidir; bu sürecin dışında değil
içinde yer almalıyız; meslektaşlarımıza, ülkemize, insanlarımıza en uygun politikaları
süreç içinde üretmek zorundayız. Bunun
adı “bilgili – güçlü – uyumlu olanın hayatta
kalması”dır. Bizim coğrafyamızda, ülkelerin
nükleer bilgisizlik yapma lüksü yoktur.
HAZİRAN 2014 35
Dosya
Prof. Dr. H. Okan ZABUNOĞLU Hacettepe Üniversitesi Nükleer Enerji Mühendisliği Bölümü
Nükleer Enerji: Nedir?
Nasıl Üretilir?
N
ükleer enerji denince genellikle “fisyon”
(çekirdek bölünmesi) sonucu açığa
çıkan enerji anlaşılır. (Bir diğer nükleer enerji üretim yolu “füzyon”dur, çekirdek
birleşmesi; ama füzyon, yıllar süren çabalara
rağmen pratikte ümit vaad eden bir noktaya
bir düzenek (reaktör kalbi) oluşturulur. Fazla
nötronların fisyon yapmadan yutulması veya
sistem dışına kaçması temin edilir. Böylece
birim zamanda gerçekleşen fisyon sayısı
kontrol altına alınmış (sabit tutulmuş) olur ve
sürekli ısı üretimi gerçekleştirilebilir.
kontrollü bir şekilde gerçekleştirilmesini ve bu
sırada açığa çıkan ısının sürekli ve düzenli
olarak üretimini; güvenli, çevreci ve güvenilir
bir şekilde sağlamak üzere tasarlanmış bir
makinedir.
40-50 yıldır kullanılmakta olan bu
makineden 2014-Şubat itibariyle 30 ülkede
434 tane çalışır durumdadır, 70 tane de
inşa halindedir. Japonya’daki 45 civarı
ünite çalışır durumda olmasına rağmen
şu an için işletilmemektedir. Yeryüzündeki
toplam kurulu nükleer güç 374 000 MWe
(megavat-elektrik) düzeyindedir ve 2012’de
dünya elektrik enerjisi üretiminin % 11’ini
karşılamıştır. [World Nuclear Association,
Feb.
2014:
http://world-nuclear.org/info/
Facts-and-Figures/World-Nuclear-PowerReactors-and-Uranium-Requirements/]
Elektrik üretimi dışındaki kullanım
alanları
Fisyon (çekirdek bölünmesi) reaksiyonu
getirilememiştir.) Bazı izotoplar nötron yutunca bölünür ve bölünme ürünleri kazandıkları
kinetik enerji ile (fisyon sırasında açığa çıkan
enerjinin yedide altısı) olay yerinden uzaklaşmaya çalışır. Bu, katının katı içinde hareket
etmesi (etmeye çalışması) demektir; beklendiği üzere ortam çok ısınır. Nükleer enerji sonuçta ısı enerjisi olarak açığa çıkar.
Nükleer reaktör bu enerjinin sürekli ve
düzenli olarak üretilmesini sağlamak üzere
tasarlanmış bir makinedir. Sürekli ve düzenli
üretim için iki şey öncelikle sağlanmalıdır: (1)
fisyon reaksiyonunun bire bir (kontrollü bir
şekilde) sürdürülmesi ve (2) üretilen ısının
uygun şekilde ortamdan çekilmesi.
Bazı izotoplar “fisil”dir, yani yavaş
(düşük enerjili, hatta enerjisiz) bir nötron
yuttuklarında büyük olasılıkla bölünürler.
Fisil izotoplar nükleer enerji üretiminde baş
rolü üstlenir. Her bir fisyon sonucu 2 veya
3 nötron açığa çıkar. (Eğer ortamdaki fisil
izotop oranı her yeni nötronun tekrar fisyon
yapmasına yol açacak düzeyde ise, birim
zamanda gerçekleşen fisyon sayısı çığ gibi
büyür ve kontrolsüz bir enerji açığa çıkışı
olur. Kontrolsüz fisyon zincir reaksiyonu atom
bombasının temelini oluşturur.)
Nükleer reaktör ise fisyon reaksiyonunun
bire bir gerçekleşmesini sağlamak üzere
tasarlanır; bunun için her bir fisyon sonucu
açığa çıkan 2 veya 3 nötrondan yalnızca
birinin tekrar fisyon yapmasını sağlayacak
36 ODTÜLÜLER BÜLTENİ 240
Fisyonlar sonucu devamlı olarak açığa
çıkması sağlanan ısının ortamdan uygun
şekilde çekilmesi de nükleer reaktörün
diğer önemli işlevidir. Önceden belirlenmiş
bir oranda fisil izotop içeren nükleer yakıt
malzemesi uygun bir geometri içine yerleştirilir
ve üretilen ısı bir soğutucu (çoğunlukla su)
ile sürekli olarak ortamdan uzaklaştırılır.
Çekilen
ısının
elektrik
üretiminde
kullanılması
buhar
(veya nadiren gaz)
türbinleri ile sağlanır.
Buhar (veya sıcak
gaz)
ile
elektrik
üretimi
nükleer
enerjiye özgü değildir,
tipik bir kömür veya
doğal gaz santralinde
nasıl ise nükleerde de
aşağı yukarı aynıdır.
Elektrik
üretim
sisteminde
nükleer
reaktör ısı üreteci
görevini üstlenmiştir;
yani ısı, kömür veya
doğal gaz yakarak
değil de fisyon yolu ile
üretilir, temel farklılık
budur.
Özetle;
nükleer
reaktör, bir nükleer
reaksiyonun (fisyon)
Nükleer reaktör, en önemli kullanım
alanı olan elektrik üretiminin yanı sıra, direkt
ısı kaynağı olarak da kullanılabilir; başta
kimya (ve mühendisliği) olmak üzere çeşitli
endüstrilerin ihtiyaç duyduğu ısıyı tedarik
edebilir (deniz suyundan tatlı su eldesi,
kömürden kömür gazı eldesi, hidrojen üretimi
gibi yoğun ısı gerektiren alanlarda iyice önem
kazanır). Nükleer enerji, sağlık sektöründe
tanı ve tedavi amacıyla; sanayide, tarım ve
hayvancılıkta önemli pek çok izotopun üretimi
için; kalp pillerinden, uyduların ve uzay
Nükleer Güç Santrali (Basınçlı-Hafif-Sulu Reaktör)
Dosya
kalbindeki toplam yakıt çubuğu sayısı 25-50
bin kadardır.
Yakıtın içerdiği fisil izotop oranı belli bir
düzeyin altına düşünce artık fisyon zincir
reaksiyonunu sürdürmek olanaksız hale
gelir; bu durumda yakıt değiştirmek gerekir.
Tipik olarak 1000 MWe (megavat-elektrik)
gücündeki bir HSR’de 90 ton kadar uranyumdioksit bulunur, bunun yaklaşık üçte biri
her sene “kullanılmış nükleer yakıt” (KNY)
olarak reaktörden alınır ve yerine taze yakıt
konur. Yakıtın reaktörde kalma süresi 3-4 yıl
kadardır.
1000 MWe gücündeki bir HSR, her yıl 30
ton hafif zenginleştirilmiş (% 3–5) uranyumdioksit ile beslenerek 7,5 milyar kWh (kilovatsaat) kadar elektrik üretir.
Radyasyonun
etkileri
Nükleer yakıt tabletleri ve yakıt demeti (Hafif-Sulu Reaktör)
araçlarının enerji üreteçlerine kadar geniş bir
yelpazede kullanılır. Ayrıca, nükleer reaktör,
denizaltılarda, uçak gemilerinde, araştırma
gemilerinde özellikle tercih edilir. [ABD’nin tüm
denizaltıları nükleerdir; Rusya (çok sayıda),
Fransa, Birleşik Krallık, Çin ve Hindistan
nükleer denizaltılara sahiptir. Aslında bütün
yeni nesil denizaltılar nükleerdir.]
Nükleer yakıt
Günümüzde çalışmakta olan reaktörlerin
yaklaşık yedide altısını oluşturan “Hafif-Sulu
Reaktörler”in (HSR) yakıtı tasarım gereği %
3-5 oranında fisil izotop içermelidir, aksi halde
fisyon zincir reaksiyonunun gerçekleşmesi
sağlanamaz. (Günümüz reaktörlerinin % 10
kadarı CANDU tipi ağır-sulu reaktörlerdir;
bu reaktörler doğal uranyumu yakıt olarak
kullanmak üzere tasarımlanmıştır. Yazının
bundan sonrasını HSR’leri esas alarak
sürdürmek konunun dağılmaması açısından
yararlı olacaktır.)
Doğadaki yegane fisil izotop (gerçek
anlamda nükleer reaktör yakıtı) uranyum235’tir; U-235’in doğal uranyum içindeki
oranı binde 7’dir, doğal U’un kalan binde
993’lük kısmını U-238 oluşturur. Doğal U
kullanarak HSR yakıtı yapmak için binde 7
oranını % 3-5 aralığına getirmek gerekir; bu
işlem “zenginleştirme” olarak adlandırılır.
(Zenginleştirme yoluyla % 90’ın üzerinde
U-235 içeren, silah malzemesi kalitesinde, U
elde etmek de mümkündür.)
Tipik bir HSR yakıtının % 95-97’lik
kısmını oluşturan U-238 fisil değildir, ama
“doğurgan”dır; nükleer reaktörde plütonyum239’a dönüşür. Pu-239 fisil bir izotoptur ve
reaktörde bir yandan oluşurken bir yandan
da fisyon yaparak enerji üretiminde rol oynar.
Element olarak doğada bulunmayan Pu’un
en önemli izotopu olan Pu-239, nükleer
reaktörlerde U-238’den üretilerek güç
üretimine % 40’a varan katkıda bulunur.
Radyasyonun en ciddi uzun vadeli etkisi
kanser riskini artırmak
yönündedir ve “olasılığa dayalı” bir olgudur.
Mesela, Fukushima’da
çalışan personel için
yıllık izin verilen maksimum doz 20 mSv
(mili-Sievert) iken,
kaza nedeniyle bu sınır
(12,5 katına) 250’ye
çıkarılmıştı.
Nükleer yakıt üretimi aşamasında, % 3-5
zenginlikte U içeren uranyum-dioksit bileşiği
önce seramik yapıda küçük silindirik tabletler
(küçük parmağımızın üst boğumundan
birazcık daha küçük) haline getirilir. Sonra
bu tabletler, uzun (3,5-4,0 metre), ince
(yaklaşık 1 cm çapında), metal (bir zirkonyum
alaşımı) çubuklara doldurulur ve çubuklar
bir kare prizma (bir kenarı yaklaşık 30 cm)
oluşturacak şekilde uygun aralıklarla dizilerek
yakıt demetleri oluşturulur. Soğutma suyu
çubukların arasından sürekli geçerek fisyon
sonucu açığa çıkan ısıyı çeker ve çubuk
yüzeyinin sabit bir sıcaklıkta kalmasını sağlar.
HSR tipi reaktörlerin dörtte üçünü
oluşturan Basınçlı Su Reaktörlerinde 120190 kadar yakıt demeti ve her demette
220-260 arası yakıt çubuğu bulunur; reaktör
uzun
vadede
olası
Nükleer reaktörün en önemli “eksi”si
radyoaktivite yüzündendir. Radyoaktivite
doğal bir olgudur ve her yerde vardır; ancak
nükleer enerji üretimi sırasında reaktör
kalbinde
oluşan
parçalanma
(fisyon)
ürünlerinin radyoaktivitesi çok yüksek
düzeydedir. Normal çalışma koşullarında
reaktör kalbinde tutulan bu radyoaktivite, bir
kaza sırasında en önemli sorunu oluşturur.
Düşük doz radyasyonun insan sağlığı
üzerindeki etkileri tam olarak bilinmemekte
ve daha uzun bir süre de bilinemeyeceği
öngörülmektedir. Bu nedenle, bilim çevreleri
düşük doz radyasyondan uzak durmayı önerir.
Bu öneri doğrultusunda, özellikle çok sayıda
insanın etkilenebileceği durumlarda, doz
sınırları son derece tutucu (kötümser) olarak
belirlenir. Sonuç olarak, sanki doz sınırları
aşılınca çok ciddi sağlık etkileri muhakkak
ortaya çıkacakmış gibi bir yanlış izlenim
oluşabilir. İşin aslı şöyledir. Radyasyonun en
ciddi uzun vadeli etkisi kanser riskini artırmak
yönündedir ve “olasılığa dayalı” bir olgudur.
Mesela, Fukushima’da çalışan personel için
yıllık izin verilen maksimum doz 20 mSv
(mili-Sievert) iken, kaza nedeniyle bu sınır
(12,5 katına) 250’ye çıkarılmıştı. 250 mSv
doz alan bir kişinin ömrünün sonuna kadar
tüm kanser tiplerine yakalanma olasılığı,
kötümser bir tahminle binde 5 kadar artar.
Japonya’da halktan birinin yaşam boyu
kansere yakalanma olasılığı % 47’dir (ölüm
olasılığı % 21), o halde, 250 mSv alan bir
Fukushima işçisi için bu ihtimal % 47’den %
47,5’e çıkmış olur.
Ciddi bir nükleer kaza sırasında ve/
veya sonrasında alınan önlemlerden biri
santrali çevreleyen belli bir bölgede yaşayan
insanların tahliye edilmesidir. Eğer önemli
düzeyde radyoaktif madde etrafa saçılırsa,
doğa da radyoaktif kirliliğe maruz kalır ve
eski haline dönmesi için ne kadar zaman ve
çaba gerekeceğini tahmin etmek zordur. Tüm
bunlar düşünüldüğünde, hiç can kaybı olmasa
bile, bazı nükleer kazaları “felaket” boyutunda
değerlendirmek yanlış değildir. Ancak bunu
yaparken radyasyonun olası etkilerini zaten
kötümser olarak hesaplanmış tahminlerin de
ötesine taşımamaya özen gösterilmelidir.
HAZİRAN 2014 37
Dosya
Doç. Dr. Şule ERGÜN Nükleer Enerji Mühendisliği Bölümü, Hacettepe Üniversitesi
N
Nükleer Santrallerin
Güvenliği ve Kazalar
ABD’de (Three Mile Island kazası (1979, yakıt ve yakıt zarfı bütünlüğünü kaybetmiştir),
Ukrayna’da Çernobil kazası (1986; yakıt ve
yakıt zarfı bütünlüğünü kaybetmiştir; bu tasarımda basınç kabı ve koruma kabı yoktur) ve
Japonya’da Fukushima-Daiichi kazası (2011;
yakıt, yakıt zarfı ve basınç kabı bütünlüğünü
kaybetmiştir; koruma kabı bütünlüğünü korumuş gibi gözükse de bazı ünitelerde durum
belirsizdir).
ükleer santrallerin güvenliği, çekirdek
bölünmesi sonucu açığa çıkan radyasyonun santral dışına çıkmaması ve
çevreye ve halka ulaşmaması için alınan tüm
önlemleri içerir.
Nükleer santrallerde güvenlik, ‘derinliğine savunma’ ilkesine dayandırılır, tasarım
ve analizler bu ilke çerçevesinde gerçekleştirilir. Derinliğine savunma ilkesi, nükleer
santral tasarımlarının radyoaktif salıma karşı bariyerler ve bu bariyerlerin bütünlüğünü/
sağlamlığını koruyacak güvenlik sistemlerini
içermesini öngörür.
Radyoaktif salımın önündeki ilk engel
nükleer yakıtın kendisidir. Çekirdek bölünmesi metalik çubuklar içinde bulunan yakıtta
gerçekleştiği için bölünme sonucu açığa çıkan radyasyon ve radyoaktif malzemeler yakıtın seramik yapısı içinde tutulur. Radyoaktif
salımın önündeki ikinci engel, paslanmaya,
mekanik yük ve radyasyona dayanıklı alaşımlardan yapılan yakıt zarfıdır.
Nükleer yakıtlar, soğutucu ve/veya yavaşlatıcı ile çevrelenir ve basınç kabı denilen çelikten yapılmış dayanıklı bir kabın içine yerleştirilir. Radyoaktif salımın önündeki üçüncü
engel soğutucu ve bu basınç kabıdır. Radyoaktif salımın önündeki dördüncü engel ise,
reaktör ve yardımcı sistemlerin içine yerleştirildiği ön gerilimli betondan yapılmış koruma
kabıdır. Koruma kabının başka bir özelliği ise
reaktörü dış etkenlere karşı korumaktır.
Yukarıda sıralanan bariyerler bütünlüğünü kaybettiğinde ya da işlevini yitirdiğinde
santral yakınında bulunan halkın tahliye edilmesi gerekir. Halkın tahliyesi ile ilgili tüm hazırlık ve planlar santralin inşaatı aşamasında
tamamlanır.
Derinliğine savunma ilkesi, yukarıda sayılan bariyerlerin sağlamlığını koruyacak güvenlik sitemlerinin tasarlanmasını da içerir.
Derinliğine savunma ilkesi, bu güvenlik sistemlerinin yedekli, çeşitli ve güvenilir olmasını gerektirir. Nükleer santrallerde bu güvenlik
sistemleri aktif (reaktör operatörü tarafından
ya da otomatik olarak devreye sokulan sistemler) ya da pasif sistemleri (kazanın ciddileşmesini önlemek için kendiliğinden devreye
giren sistemler) içermelidir.
Bir nükleer santralde tasarım, özellikle
de güvenlik sistemlerinin tasarımı, gerçekleşebilecek en kötü kaza göz önüne alınarak
ve böylesi bir kaza sonucunda çevreye radyoaktif maddelerin yayılmasını önlemek esas
alınarak yapılır.
Biblis Nükleer Güç Santrali (Almanya)
Nükleer santrallerin güvenliği tasarımdan, sökülmeye kadar her aşamada güven-
38 ODTÜLÜLER BÜLTENİ 240
Fukushima
lik kültürü çerçevesinde sağlanır. Güvenlik
kültürüne göre, güvenlik her şeyden önemli
olmalıdır, nükleer güvenlikle ilgili kurum ve
kuruluşlar yapılanma ve ilkelerini belirlerken
güvenliğe öncelik vermelidir, çalışanlara güvenlikle ilgili sorular sormak, gerekirse organizasyonu ve diğer çalışanları sorgulamak
ve iyileştirme önerileri yapmak üzere imkan
ve özgürlükler sağlanmalıdır. Güvenlik kültürü kalite kontrol ve teminini ve gerekli bakım
ve onarımların ihmal edilmeden yapılmasını
sağlar ve denetler. Güvenlik kültürü çerçevesinde yapılan olumlu davranışlar ödüllendirilirken, buna zıt davranışlar cezalandırılabilir.
Güvenlik kültürünün uygulanması ilgili kurum
ya da kuruluşun yönetiminin sorumluluğudur
ve insan hatalarını önlemeyi hedefler.
Nükleer santralin tasarımı, yer seçimi,
inşaatı, servise alma, çalıştırma, servisten
çıkarma ve sökme aşamalarının her birinde
yetkili kuruluşlar ve bağımsız uzman kuruluşlar tarafından kabul edilmiş standartlar, kalite
kontrol ve kalite temini, lisanslama ve güvenlik anlayışları kabul edilip, uygulanmalıdır.
Nükleer enerjinin elektrik üretiminde kullanıma başlamasından günümüze, yukarıda
sıralanan radyasyon bariyerlerinin bütünlüğünü kaybettiği 3 kaza gerçekleşmiştir:
Bu kazalar, nükleer santrallerin güvenliğinin artırılması için oldukça pahalı deneyler
olmuşlardır. Three Miles Island kazası sonucunda acil durum soğutma sisteminin önemi
anlaşılmıştır. Çernobil kazasından alınan en
önemli ders insan hatalarının nükleer santral
güvenliğindeki yerinin büyüklüğü olmuştur.
Fukushima-Daiichi kazası ise uzun dönem
santral kararması kazasının (aktif tüm güvenlik sistemlerinin çalışması için gerekli elektriğin uzun süre sağlanmaması) radyolojik sonuçlarını ortaya koymuştur.
Gerek tasarımlarının farklılığı gerekse
başlamalarına neden olaylar göz önüne alındığında bu kazalardan çıkarılan dersler farklılık göstermektedir. Bahsedilen bu üç kazadan çıkarılabilecek en önemli ortak dersler;
• santralin uzun süreli soğutulabilmesini
sağlayacak kapasitede pasif güvenlik sistemlerinin tasarlanması,
• santral güvenliğini tehdit edebilecek her
olasılığın değerlendirilerek gerekli tedbirlerin alınması,
• santral operatörlerinin çok iyi eğitim alması,
• nükleer teknolojiye sahip olan her ülkede
her seviyede güvenlik kültürünün öneminin vurgulanması
olarak sıralanabilir.
Kavramlar
Prof. Dr. Mehmet Tombakoğlu Hacettepe Üniversitesi Nükleer Enerji Mühendisliği Bölümü
R A DYA SY ON
R
adyasyon bir kaynaktan yayımlanan
parçacık ya da dalga formundaki
enerji olarak tanımlanabilir. Dalga formundaki elektromanyetik radyasyona foton
da denmekte olup, elektromanyetik spektrumdaki tüm enerjilere karşılık gelmektedir.
Elektromanyetik radyasyon dalga boyu (ya
da enerji) veya frekansına göre sınıflandırılmaktadır.
Düşük frekanslardaki (uzun dalga boylarına sahip) elektromanyetik radyasyon iyonlaştırıcı olmayan radyasyon diye tanımlanır.
Bu tür radyasyon iletişim ve gıdaların ısıtılması (mikro-dalga fırın) gibi çeşitli alanlarda
kullanılmaktadır.
radyasyon kaynaklarından ve özellikle tıbbi
amaçlar için kullanılan doğal olmayan radyasyon kaynaklarından alınan iyonlaştırıcı
radyasyon düzeyleri yaklaşık aynıdır. Bir
bireyin normal olarak aldığı yıllık ortalama
radyasyon dozu 6 mSv (mili Sievert) civarındadır; kabaca 3 mSv doğal kaynaklardan, 3
mSv doğal olmayanlardan.
Bireylerin aldıkları doğal radyasyon
miktarı yaşadıkları bölgeye göre ciddi fark-
Yüksek frekanslarda (yani kısa
dalga boylarında) fotonların enerjisi artmakta ve elektromanyetik radyasyon, iyonlaştırıcı
radyasyon adını almaktadır.
Enerjisi keV (kilo elektron
volt) mertebesinden başlayan X ışınları ve enerjisi MeV (mega elektron
volt)
mertebesindeki
gama ışınları iyonlaştırıcı elektromanyetik
radyasyondur. X ışınları atomik seviyedeki
uyarmalar ya da yüksek enerjili elektronların frenlenmesi sonucu
yayımlanan fotonlardır.
Gama ışınları ise kararsız çekirdekler kararlı
hale geçerken gerçekleşen
nükleer geçişler sonucu yayımlanır.
Kararsız bir atom çekirdeğine sahip olan izotoplara radyoizotop adı verilmektedir. Bu radyoizotoplar kararlı hale geçebilmek için yüklü
parçacıklar da yayımlar. Bu parçacıklar alfa
(helyum atomunun çekirdeği) ya da beta (+
yüklü ise pozitron, – yüklü ise negatron denir) parçacıklarıdır; her ikisi de iyonlaştırıcı
radyasyon grubuna girer.
Nükleer reaksiyonlar sonucu ağır iyonlar,
nötronlar (yüksüz) veya protonlar (+ yüklü)
gibi parçacık formunda da radyasyon çıkabilir; bunlar da iyonlaştırıcı nitelik taşır.
Yaşadığımız ortamda bulunan doğal
radyasyon kaynaklarından dolayı iyonlaştırıcı radyasyona maruz kalmaktayız. Bunun
yanı sıra, doğal olmayan radyasyon kaynakları ve/veya radyoizotoplar nedeniyle
de radyasyona maruz kalınmaktadır. Doğal
40 ODTÜLÜLER BÜLTENİ 240
lılık gösterir, Mesela, ABD’nin Denver (rakım=1600 metre) şehrinde yaşayan birisi
doğal kaynaklardan yılda 12 mSv alır. Doğal
olmayan kaynaklardan alınan radyasyon
miktarı ise tanı amaçlı tıbbi tetkiklerin türüne
ve ne sıklıkla yaptırıldığına bağlı olarak çok
farklı olabilir. Çünkü, tek bir göğüs röntgeni (X ışını) 0,02 mSv doz verirken, mesela
“X ışını bigisayarlı tomografi (CT)” ile göğüs
bölgesi tetkikinde alınan doz 5-7 mSv aralığındadır; karın bölgesi için 8 mSv...
Ayrıca, aldığımız dozu etkileyen başka
faktörler de vardır: uçak seyahatleri (özellikle yüksek irtifada ve uzun süren), sigara
kullanımı, yaşadığımız evin havalandırma
düzeni bunların önde gelenleridir.
Bu noktada, doğal olmayan kaynaklardan alınan radyasyonun büyük kısmını
oluşturan tıbbi uygulamalara kısaca değinmek yerinde olacaktır.
Tıbbi uygulamalar
Tıpta yararlanılan görüntüleme sistemlerinin bir kısmı X ışınlarını kullanmaktadır.
Nükleer tıpta kullanılan tanı amaçlı görüntüleme sistemlerinde ise amaca yönelik
olarak farklı radyoizotoplardan faydalanılmaktadır. Örneğin, kardiyoloji amaçlı görüntülemelerde
Tc99m izotopu kullanılmaktadır. Tanı amaçlı bir başka sistem olan PET-CT
(Positron
Emission
Tomography – Computed Tomography)
ise, belli bir radyoizotopun bozunumu
yoluyla açığa çıkan
pozitron ile ortamdaki elektronun etkileşerek yok olması sonucu oluşan
0,511 MeV enerjiye
sahip iki fotonun
algılanması prensibine göre çalışmakta
ve bilgisayarlı X ışını
görüntüleme (CT) ile
birlikte etkin bir şekilde
kullanılmaktadır. (Bir PETCT tetkikinin sebep olduğu
doz 23-26 mSv aralığındadır.)
Bazı radyoaktif izotoplardan ise
tedavi amaçlı olarak yararlanılmaktadır. Örneğin, iyot-131 tiroit ile ilgili tedavilerde, ‘itriyum’ karaciğer kanseri tedavisinde
vb. kullanılmaktadır.
Bazen de harici radyasyon kaynakları
tedaviye yönelik olarak kullanılır. Doğrusal
hızlandırıcılar (LİNAC: Linear Accelerator)
ile üretilen yüksek enerjili fotonlar, kötü huylu tümörleri (kanserli hücreleri) yok etmeye
yarayabilir. Brakiterapi (veya içsel radyoterapi) denen uygulama ise bir radyoizotopun
doğrudan kanserli hücrenin içine veya bitişiğindeki dokuya cerrahi yöntemle yerleştirilmesi esasına dayanır. Böylece kanserli hücrenin, daha yakından ve daha seçici olarak
radyasyon ile bombardımanı sağlanır.