Nükleer Enerji Nedir? Yenilenebilir mi?

Nükleer enerji, iklim değişikliğini yavaşlatmak için dünyanın en büyük umudu mu, yoksa radyoaktif felaket riski taşıyan yüksek bahisli bir kumar mı? Ya her ikisiyse? Dünya daha temiz enerji kaynakları ararken, nükleer enerji, artan enerji taleplerini karşılamada ve çevresel etkiyi azaltmada önemli bir rol oynama potansiyeline sahip. Nükleer enerji, dünyadaki en güçlü enerji kaynaklarından biri olsa da aynı zamanda en tartışmalı olanlardan biridir.

Öncelikle nükleer enerji ifadesi çift anlama sahip. Bir anlamda “bir atomun çekirdeğinde bulunan enerji” diyoruz, diğer anlamda “nükleer reaksiyonlarla mümkün olan hükümet gücü” olarak tanımlıyoruz. Bu makalede de nükleer enerjinin ne olduğunu, nasıl üretildiğini ve neden önemli olduğunu konuşacağız. Ayrıca nükleer enerjinin avantajlarını ve dezavantajlarını tartışacak, önümüzdeki yıllarda ülkelerin izlemesi beklenen yolu inceleyeceğiz.

Nükleer Enerji Hakkında Neler Biliyoruz?

Bir atomun çekirdeği, protonlar ve nötronlardan oluşuyor ve bunlar güçlü nükleer kuvvetle bir arada tutuluyor. Uranyum veya plütonyum gibi ağır radyoaktif bir atomun çekirdeği daha küçük parçalara ayrıldığında muazzam miktarda enerji açığa çıkar ki bu işleme de nükleer fisyon diyoruz. Bu nükleer reaksiyon, nükleer enerjinin nasıl üretildiğinin anahtarı olarak görülüyor.

Temelde nükleer santral reaktörleri ısı motorlarıdır diyebiliriz. Nükleer fisyonda, U-235 veya Pu-239 gibi atomlar bir nötronla çarpıştığında bölünür ve bu süreçte ısı şeklinde enerji açığa çıkar. Aynı zamanda zincir reaksiyonu sürdürebilecek daha fazla nötron da salınır. Bu ısı, buhar üretir ve bu buhar, elektrik üreten bir buhar türbinini döndürür; bu elektrik daha sonra şebekeyi beslemek için kullanılır.

Hem nükleer fisyonda hem de nükleer füzyonda, ortaya çıkan parçacıkların toplam kütlesi, orijinal parçacıkların kütlesinden biraz daha azdır. Bu “eksik kütle” kaybolmaz; ΔE = ΔM x c² formülüyle enerjiye dönüşür. Kütle farkı çok küçük olsa da, c² faktörü (ışığın hızının karesi, yaklaşık 9 x 10¹⁶ metre/saniye kare) sonucunda açığa çıkan enerji (ΔE) çok büyük olur.

E = mc² sayesinde, uranyum gibi nükleer yakıtlar, kömür veya petrol gibi kimyasal yakıtlara kıyasla birim kütle başına milyonlarca kat daha fazla enerji sağlayabilir. Yaklaşık bir inç uzunluğundaki tek bir uranyum peleti, bir ton kömürle aynı miktarda potansiyel enerjiye sahiptir.

Nükleer Enerjinin Avantajları

Diğer enerji kaynaklarıyla karşılaştırıldığında, nükleer enerji temiz ve güvenilirdir. Nükleer enerjinin karbon ayak izi güneş enerjisinden bile daha küçüktür. Nükleer reaktörler, yıllarca sürekli radyasyon salan atomlar üzerinde çalıştığından, genellikle temel yük santrallerinde kullanılır; dalgalanan talebe yavaş yanıt verse de elektrik şebekesinin sürekliliğini sağlayacak kadar güvenilirdir.

Nükleer yakıt, kömür veya biyokütle gibi yenilenemeyen yakıtlardan çok daha yüksek bir enerji yoğunluğuna sahiptir. Yenilenebilir enerji kaynakları arasında, nükleer enerji tesisleri, aynı miktarda enerjiyi rüzgar veya güneş enerjisiyle üretmek için gerekenden çok daha az alan gerektirir.

Nükleer enerji de dahil olmak üzere çeşitli enerji kaynaklarına dayanmak, fosil yakıtlara olan bağımlılığı azaltır. Ulusal güvenlik perspektifinden bakıldığında, kesintisiz bir enerji tedariki sağlamak önemli hedeflerden bir tanesi olarak görülüyor. 2023’te dünyada kullanılan elektriğin %10’u nükleer enerjiden elde edildi.

Örneğin bu açıdan öncü konumda olan Fransa, Fukuşima felaketinden sonra halkının nükleer enerjiye daha karamsar bakmasına rağmen, 2023’te yerel elektrik üretiminin tam %65’ini nükleer enerjiden elde etti. 1973’teki Fransız petrol krizi, dönemin Başbakanı Pierre Messmer’in adını taşıyan Messmer planının geliştirilmesini tetikledi. Fransa, enerji üretiminin büyük bir kısmını nükleer enerjiye çevirdi.

Nükleer Enerjinin Zorlukları ve Endişeleri

Bildiğiniz üzere büyük güç, büyük sorumluluk gerektirir. Nükleer enerji tartışmalıdır çünkü nükleer enerjinin kullanımı, perilerle pazarlık yapmaya benzer. İnsan ömründen daha uzun bir zaman ölçeğinde geri dönüşü olmayan ve kalıcı tehlikeler yaşanması mümkün. Radyasyon, büyük bir özenle kullanılmadığında zararlı ve tehlikelidir; bazen o özen bile yeterli olmaz.

Nükleer enerjiyle çalışmak kendi başına tehlikeli ancak aynı zamanda depolanması gereken radyoaktif atıklar da üretiyor. Kullanılmış nükleer yakıt, fisyon reaksiyon hızı düştüğü için artık elektrik üretiminde verimli değildir. Ancak hâlâ sıcak ve yüksek derecede radyoaktiftir.

Kullanılmış yakıtın da ötesinde, düşük seviyeli (eldivenler, şişeler, aletler, soğutucu ve çöp) ve yüksek seviyeli (tükenmiş uranyum, kullanılmış yakıt çubukları veya kullanılmış yakıtın başka bir şeye yeniden işlenmesinden kalan atıklar) nükleer atık malzemeleri de dikkate alınmalıdır. Daha kötüsü, uzun zamandır aktif olan nükleer santraller kritik bakım seviyelerine ulaştığında, kendilerinin devre dışı bırakılması gerekebilir. Bu süreç oldukça zor ve benzersizdir.

Nükleer atıklar zamanla kendi kendine daha az tehlikeli hâle gelir çünkü nükleer bozunma, kendiliğinden gerçekleşen bir reaksiyondur. Radyoaktif elementler, başka radyoaktif elementlere bozunsalar bile, sonunda kararlı elementlere dönüşürler. Ancak bunun yüzyıllar sürdüğünü unutmamalı ve dışarıda öylece durmasını bekleyemezsiniz. Sonuçta kimse evini uranyum cevherinin bulunduğu bir arazinin üstüne inşa etmek istemez.

Bu atıkların uzun bir süre boyunca korunaklı bir şekilde saklanması gerekiyor. ABD, bunun için bir çözüm düşündü ve Nevada’da, Kaliforniya sınırına yakın, Las Vegas’ın yaklaşık 100 mil (160 km) kuzeybatısında bulunan Yucca Dağı’nın bu iş için uygun olduğuna kanaat getirdi. Bu dağ bir nevi nükleer atık depolama tesisi oldu. ABD’nin günümüze kadar olan nükleer faaliyetlerinden ortaya çıkan nükleer atıkların tümünün depolandığı yer haline geldi.

Buradaki amaç nükleer atığın bombalanamayacak, su basamayacak veya yanmayacak korunaklı ve sabit bir yere koymaktı. Bunun için bir dağdan daha fazlası da düşünülemezdi zaten.

Nükleer Enerji Yenilenebilir mi?

Nükleer enerji güvenli ve sürdürülebilir olabilir, ancak fisyondan elde edilen enerji, güneş enerjisinin yenilenebilir olmasıyla aynı şekilde yenilenebilir değildir. Uranyum sınırlı bir kaynaktır. Fisyon sırasında, nükleer simya yoluyla kalıcı olarak bir yavru izotopa dönüştürülür.

Füzyon da kalıcı bir dönüşümdür ancak fisyondan çok daha zor gerçekleştirilir. Fisyonda bir atomu parçalamak gerekir ki bu, bir parçacık ışını gerektirir. Fisyon, nadir, ağır, radyoaktif elementler gerektirirken, füzyon evrendeki en bol element olan hidrojeni kullanır. Ancak füzyon, atomları ayıran elektrostatik itmeyi aşacak ve Coulomb bariyerini kıracak kadar büyük bir kuvvet gerektirir; bu da güçlü etkileşimin devreye girip çekirdekleri bir araya çekmesini sağlar.

Coulomb bariyeri, çarpışan çekirdeklerin atom numaraları (yani çekirdekteki proton sayısı) arttıkça güçlenen bir potansiyel enerji eşiğidir. Teoride, ideal gazlar için bu, çok yüksek hızlarda hareket eden parçacıklara ihtiyaç duyulduğu anlamına gelir ki, bir gaz için bu durum aşırı yüksek sıcaklıkla eşdeğerdir. Pratikte ise kuantum tünelleme, potansiyel koşullar aralığını bir nebze genişletiyor gibi görünür. Ancak füzyon o kadar zordur ki, fizikte “Kutsal Kâse” olarak bilinir ve Tümleşik Alan Teorisi (Kuantum Alan Teorisi) kadar aranan bir hedef olarak kabul edilir.

Gelecekte Nükleer Enerji

Çernobil felaketi sırasında, santralde hem birinci hem de ikinci nesil reaktörler vardı. Şaşırtıcı bir şekilde, patlayan 4 numaralı reaktör de ikinci nesil bir tasarıma sahipti. Three Mile Island’daki kısmi erimede yer alan reaktör de öyleydi.

Bugün çalışan nükleer santrallerin neredeyse tamamı, Y2K’den önceki döneme yani 2000’den öncesine ait olan Üçüncü Nesil (Gen III) tasarımları kullanıyor; hatta 2018’de devreye girenler bile öyle. Ancak modern reaktörler bile erimeden korunmak için kapsamlı insan müdahalesi gerektiriyor ve operatörler, ne kendilerinin ne de sensörlerin bulamadığı bir şeyi düzeltemez.

Three Mile Island olayına neden olan şey, görünmez su sızıntısının girmemesi gereken bir yere girmesiydi. Tüm bunlar göz önüne alındığında, Dördüncü Nesil (Gen IV), baştan sona güvenliğe yönelik olması gerekirken aksine genellikle başarısız olacak şekilde reaktör tasarımları içeriyor.

En sevdiğim Gen IV tasarımlarından biri MSR yani erimiş tuz reaktörü oldu. Fisyon yakıtı erimiş tuzda gömülüdür ve reaktör daha fazla erimiş tuz veya sıvı metal ile soğutulur. MSR’ler ayrıca ortam basıncına yakın çalışır ve gaz halindeki yan ürünler soğutucuda çözünmez. Gazlı bir içeceği açtığınızda köpürmesi de buna benzer, çözünmüş gazların aniden genleşmesi köpük üretir. Zaten erimiş olan bir şey erimez ve su soğutucusu olmadığından Çernobil felaketindeki gibi bir patlamayı yaratacak buhar da olmaz.

Acil bir durumda, örneğin soğutma kaybı yaşandığında, erimiş tuz reaktörleri yakıtlarını çekirdekten daha aşağıda bir muhafaza kabına yalnızca yerçekimiyle boşaltacak şekilde tasarlandığından pompalama gerektirmez. Pasif olarak soğutulan muhafaza kabında yakıt katılaşır. Bazı Rus tasarımları, akkor haldeki yakıtla temas ettiğinde eriyerek onu seyrelten ve fisyon atomlarını yayarak zincir reaksiyonu engelleyen bir kurban metal katmanı da kullanır.

Bazı Gen IV reaktörler, yenilenebilirlik sorununu çözmek için de tasarlanmış. Bazı MSR’ler, fisyon elementiyle (genellikle toryum) başlayan ve yavru izotopları da fisyon yapabilen, dolayısıyla kendi başlarına enerji üretiminde kullanılabilen sözde üretici reaktörlerdir.

Şubat 2025 itibarıyla, dünyada toplam elektrik kapasitesi 377 gigawatt (GW) olan 417 fisyon reaktörü bulunmaktadır. Elektrik enerjisi üretiminde yer almayan 226 ek araştırma reaktörü ve en az 200 deniz itiş reaktörü de küresel toplamı arttırıyor. Dünya genelinde farklı tamamlanma aşamalarında olan 62 reaktör daha inşa ediliyor. Doğu Asya’da şu anda yapım aşamasında olan nükleer kapasite, dünyanın geri kalanının toplamından daha fazla. Ancak yalnızca ABD’de, 2050’ye kadar devreye girmesi planlanan yaklaşık 200 GW’lık yeni nükleer kapasite var.

Ne yazık ki füzyon, enerji üretimi için bize uzak görünüyor. Ne kadar uzak? En az 10-15 yıl. Ama 10-15 yıl sonra bu sorunun cevabının hâlâ “10-15 yıl” olma ihtimali oldukça yüksek. Kutsal kâseyi bulmak gerçekten zor. Kimse füzyonu ticari olarak uygulanabilir hale getirecek çalışır bir plana sahip değil, çünkü ABD’nin rekor kıran Ulusal Ateşleme Tesisi bile füzyon enerjisini pozitif hale nasıl getireceğini zar zor biliyor. Dünya’daki insanlık olarak füzyon yapamıyor değiliz. Çeşitli ülkelerin ulusal laboratuvarları, tokamakları ve nötron ışınlarımız var. Ancak füzyonu faydalı bir enerji kaynağı haline getirmek için, füzyon sürecinin, atomları parçalamak için harcadığımızdan daha fazla enerji açığa çıkarması gerekiyor.

Yine de bu büyüleyici bir fikir çünkü ülkeler gerek reaktörler gerek laboratuvarlar olsun bu konu için finans desteğini kesmiyor. Onlar da geleceğin nükleer enerjide olduğunun farkında. Belki bir gün bu sayede yıldızlar arasında seyahat edeceğiz, kim bilir?