Prof. Dr. H. Okan ZABUNOĞLU Hacettepe Üniversitesi Nükleer Enerji Mühendisliği Bölümü Nükleer Enerjinin Tarihçesi

Transkript

1

2 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 : 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 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 sürekli 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. 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 (Berkeley- Kaliforniya 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 32 ODTÜLÜLER BÜLTENİ 240

3 müttefik kuvvetler Nazi Almanyası na karşı hücum harekatı başlattı. 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 (plütonyum- 239) 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. 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) kişinin, sonraki yıllar da eklenince toplam yaklaşık 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 ortak olmayı hak ettiğini düşündü (ve düşünmektedir). [1982 de, üretilen 109. Elemente Meitnerium (Mt) adı verildi.] 1951: Idaho-ABD de EBR-1 isimli reaktörde üretilen İLK nükleer elektrik ile her biri 200 watt lık 4 ampul ışık verdi. 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; Sellafield- İngiltere (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 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... Dünyadaki toplam nükleer reaktör ünitesi sayısı Dünyadaki toplam nükleer kurulu güç (MW-elektrik) Nükleer silah sayısı (yalnız ABD de) (Sovyetler Birliği) (ABD) (dünyada, toplam) (dünyada, toplam) (dünyada, toplam) Kaynaklar (1) International Atomic Energy Agency. (2) World Nuclear Association. (3) Prof.Dr. Nezihi Özden in Nükleer Çağın İlk 40 Yılı adlı kitabı. İTÜ Nükleer Enerji Enstitüsü Genel Yayınları No.17, İstanbul (4) Wikipedia. Özellikle tarihlerle ilgili pek çok bilgi Wikipedia dan alındı. HAZİRAN

4 Haluk DİRESKENELİ (ME 73) Nükleer Farkındalık Paris 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, 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 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. 34 ODTÜLÜLER BÜLTENİ 240

5 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

6 Prof. Dr. H. Okan ZABUNOĞLU Hacettepe Üniversitesi Nükleer Enerji Mühendisliği Bölümü Nükleer Enerji: Nedir? Nasıl Üretilir? Nükleer 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 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 Fisyon (çekirdek bölünmesi) reaksiyonu 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. 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) 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 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 MWe (megavat-elektrik) düzeyindedir ve 2012 de dünya elektrik enerjisi üretiminin % 11 ini karşılamıştır. [World Nuclear Association, Feb. 2014: Facts-and-Figures/World-Nuclear-Power- Reactors-and-Uranium-Requirements/] Elektrik üretimi dışındaki kullanım alanları 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)

7 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) uranyum- 235 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 % lik kısmını oluşturan U-238 fisil değildir, ama doğurgan dır; nükleer reaktörde plütonyum- 239 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 kadar yakıt demeti ve her demette arası yakıt çubuğu bulunur; reaktör kalbindeki toplam yakıt çubuğu sayısı 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 MWe gücündeki bir HSR, her yıl 30 ton hafif zenginleştirilmiş (% 3 5) uranyumdioksit ile beslenerek 7,5 milyar kwh (kilovatsaat) kadar elektrik üretir. Radyasyonun uzun vadede olası etkileri 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

8 Doç. Dr. Şule ERGÜN Nükleer Enerji Mühendisliği Bölümü, Hacettepe Üniversitesi Nükleer Santrallerin Güvenliği ve Kazalar Nükleer 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 güvenlik 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: 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). Fukushima 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. 38 ODTÜLÜLER BÜLTENİ 240

9 Kavramlar Prof. Dr. Mehmet Tombakoğlu Hacettepe Üniversitesi Nükleer Enerji Mühendisliği Bölümü RADYASYON Radyasyon 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. 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 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 farklılık 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 PET- CT tetkikinin sebep olduğu doz 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. 40 ODTÜLÜLER BÜLTENİ 240