(Resim: PopTika / Shutterstock.com)
Nükleer fisyon nükleer santrallere güç sağlar. Nükleer füzyon yıldızların parlamasını sağlar. Peki bu iki teknolojiden hangisi enerji geleceğimizi garanti edebilir?
Nükleer enerji küresel elektrik üretiminin yaklaşık %10'unu temsil etmektedir. Fransa gibi bazı ülkelerde bu oran %70'e yakındır.
Duyuru
Google gibi büyük teknoloji şirketleri bile veri merkezlerinin muazzam enerji ihtiyacını karşılamak için nükleer enerjiye güveniyor.
Tüm nükleer enerjinin kaynağı bir atomun bağlanma enerjisidir. Bir atomda depolanan enerji iki şekilde açığa çıkabilir: nükleer fisyon veya nükleer füzyon. Nükleer fisyon sırasında büyük, ağır atomlar daha küçük, daha hafif atomlara bölünür. Füzyon sırasında küçük atomlar daha büyük atomları oluşturmak üzere birleşir.
Her iki süreç de çok fazla enerji açığa çıkarır. Örneğin, çoğu enerji santralinde yakıt olarak kullanılan uranyumun bir izotopu olan U235'in nükleer fisyonu, en saf kömürün tek bir kimyasal reaksiyonundan altı milyon kat daha fazla enerji açığa çıkarır. Bu nedenle bunlar elektrik üretimi için çok verimli süreçlerdir.
Nükleer fisyon nedir?
Nükleer fisyon, bugün faaliyette olan her nükleer enerji santralinin arkasındaki süreçtir. Küçük bir atom altı parçacık olan nötronun bir uranyum atomuna çarpıp onu bölmesiyle oluşur. Bu, diğer atomlarla çarpışan ve nükleer zincir reaksiyonunu tetikleyen daha fazla nötron açığa çıkarır. Bu da büyük miktarda enerji açığa çıkarır.
Bu enerjiyi elektriğe dönüştürmek için su, elektrik üretmek üzere bir türbini çalıştıran bir ısı eşanjöründe buhara dönüştürülür.
Fisyon reaksiyonu, nötron tedarikinin bastırılmasıyla kontrol edilebilir. Bu, nötronları emen “kontrol çubukları” yerleştirilerek yapılır. Geçmişte, Çernobil'dekine benzer reaktör kazaları, kontrol çubuklarının devreye girmemesi ve nötron beslemesinin kesilmesi ve/veya soğutma devresinin arızalanması nedeniyle meydana gelmişti.
“Üçüncü nesil” olarak adlandırılan reaktör tasarımları, bir arıza durumunda kazaları önlemek için aktif kontrol veya insan müdahalesi gerektirmeyen pasif veya içsel güvenlik özelliklerini birleştirerek önceki tasarımlara göre daha iyi hale gelir. Bu özellikler basınç, yerçekimi, doğal konveksiyondaki farklılıklara veya malzemelerin yüksek sıcaklıklara karşı doğal tepkisine bağlı olabilir.
İlk üçüncü nesil reaktörler, Japonya'daki gelişmiş kaynar su reaktörleri Kashiwazaki 6 ve 7 idi.
Japonya'daki Kashiwazaki-Kariwa nükleer santrali.
(Resim: Tokyo Electric Power Co (TEPCO), CC BY-SA 2.0, Wikimedia aracılığıyla)
Nükleer fisyonda çözülmemiş bir zorluk, reaksiyonun yan ürünlerinin binlerce yıl gibi uzun süreler boyunca radyoaktif kalmasıdır. Yeniden işleme durumunda yakıt kaynağı ve atık ürünler nükleer silah oluşturmak için de kullanılabilir.
Nükleer fisyon kanıtlanmış bir teknolojidir. Aynı zamanda büyük tesislerden (en büyüğü Japonya'daki 7,97 gigawatt'lık Kashiwazaki-Kariwa nükleer santralidir) yaklaşık 150 megawatt elektrik üreten ve gemilerde veya nükleer denizaltılarda kullanılan küçük ve orta ölçekli reaktörlere kadar ölçeklenebilir. Bu reaktörler, İngiltere ve ABD ile üçlü güvenlik ortaklığı kapsamında vaat edilen Avustralya'nın sekiz nükleer denizaltısına güç sağlayacak.
Nükleer füzyon nedir?
Nükleer füzyon güneşe ve yıldızlara güç veren süreçtir. Nükleer fisyonun ters sürecidir. Atomların bir araya gelmesiyle oluşur.
Laboratuvarda tetiklenebilecek en basit reaksiyon hidrojen, döteryum ve trityum izotoplarının füzyonudur. U235'i bölerken birim kütle başına dört kat daha fazla enerji açığa çıkar.
Döteryum yakıtı Dünya'da ve evrende çok yaygındır. Trityum radyoaktiftir ve yarı ömrü 12 yıldır, bu yüzden Dünya'da nadirdir. Evren 13,8 milyar yaşındadır; Doğada bulunan hafif çekirdeklerin (hidrojen, helyum ve lityum) tek izotopları, bu zaman ölçeklerinde kararlı olanlardır.
Bir füzyon enerji santralinde trityum, bir “lityum battaniyesi” kullanılarak üretilecektir. Bu, füzyon nötronlarının yavaşlatıldığı ve sonunda trityum oluşturmak üzere reaksiyona girdiği devasa bir lityum duvarıdır.
Ancak bilim insanlarının laboratuvar dışında füzyon reaksiyonu oluşturması şu anda oldukça zordur. Füzyon için son derece yüksek sıcaklıklar gereklidir: optimum koşullar 150 milyon santigrat derecedir.
Füzyon güneşe güç veren süreçtir.
(Resim: SOHO (ESA ve NASA))
Bu sıcaklıklarda yakıt iyonları, elektronların ve (nükleer) iyonların ayrıştığı plazma halindedir. Bu sürecin yan ürünü radyoaktif değil, soy gaz helyumdur.
Sürdürülebilir füzyonu göstermenin ana teknolojik yoluna toroidal manyetik sınırlama denir. Plazma, aşırı sıcaklıklarda, halka şeklinde devasa bir manyetik şişenin içine konur.
Nükleer fisyondan farklı olarak bu teknolojik yol, füzyon koşullarına ulaşmak için sürekli harici ısıtmanın yanı sıra güçlü bir sınırlama alanı gerektirir. Bu unsurlardan birinin kesintiye uğraması durumunda reaksiyon durur. Buradaki zorluk kontrolsüz bir erimeyi önlemek değil, ilk etapta reaksiyonu başlatmaktır.
Araştırma ilgisinin çoğunu çeken, toroidal manyetik sınırlama füzyonunun çözülmemiş en büyük zorluklarından biri, yanan, kendi kendine ısınan bir plazmanın gösterilmesidir. Reaksiyonun kendisi tarafından üretilen termal gücün birincil olduğu durum budur. Kamu tarafından finanse edilen çok uluslu ITER projesinin, dünyanın en büyük füzyon deneyinin ve Massachusetts Teknoloji Enstitüsü'ndeki özel olarak finanse edilen SPARC deneyinin amacı budur.
Ancak bilim camiasının büyük bir kısmı nükleer füzyonun en az 2050 yılına kadar ticari olarak uygulanabilir olmayacağı konusunda hemfikir.
Bir iklim çözümü mü?
Bana sık sık nükleer enerjinin dünyayı iklim değişikliğinden kurtarıp kurtaramayacağı soruluyor. İklim bilimi alanında birçok meslektaşım var ve rahmetli eşim önde gelen bir iklim bilimciydi.
Bilim aynı fikirde: İklim değişikliğini durdurmak için artık çok geç. Dünya, karbon emisyonlarını azaltmak ve yıkıcı hasarları en aza indirmek için elinden gelen her şeyi yapmalı ve bunu onlarca yıldır yapıyor.
Rüzgar ve güneş gibi yenilenebilir enerji kaynaklarının yaygın biçimde benimsenmesi ve kullanılmasıyla birlikte nükleer fisyon da bu küresel çözümün bir parçası.
Uzun vadede nükleer füzyonun nükleer fisyonun yerini alabileceği umuluyor. Nükleer füzyonun nükleer fisyona göre avantajları açıktır: Yakıt tedariği çok daha büyük ve her yerde mevcuttur, atık sorunu hacim ve zaman ölçeği açısından çok daha küçüktür ve teknoloji savaş amaçları için kullanılamaz.
Matthew Hole, Avustralya Ulusal Üniversitesi Matematik ve Bilgisayar Bilimleri Bölümünde profesördür.
Bu makale ilk olarak The Conversation tarafından Creative Commons lisansı altında yayımlandı. Oku Orijinal makale. Çevirmen: Bernd Müller
Nükleer fisyon nükleer santrallere güç sağlar. Nükleer füzyon yıldızların parlamasını sağlar. Peki bu iki teknolojiden hangisi enerji geleceğimizi garanti edebilir?
Nükleer enerji küresel elektrik üretiminin yaklaşık %10'unu temsil etmektedir. Fransa gibi bazı ülkelerde bu oran %70'e yakındır.
Duyuru
Google gibi büyük teknoloji şirketleri bile veri merkezlerinin muazzam enerji ihtiyacını karşılamak için nükleer enerjiye güveniyor.
Tüm nükleer enerjinin kaynağı bir atomun bağlanma enerjisidir. Bir atomda depolanan enerji iki şekilde açığa çıkabilir: nükleer fisyon veya nükleer füzyon. Nükleer fisyon sırasında büyük, ağır atomlar daha küçük, daha hafif atomlara bölünür. Füzyon sırasında küçük atomlar daha büyük atomları oluşturmak üzere birleşir.
Her iki süreç de çok fazla enerji açığa çıkarır. Örneğin, çoğu enerji santralinde yakıt olarak kullanılan uranyumun bir izotopu olan U235'in nükleer fisyonu, en saf kömürün tek bir kimyasal reaksiyonundan altı milyon kat daha fazla enerji açığa çıkarır. Bu nedenle bunlar elektrik üretimi için çok verimli süreçlerdir.
Nükleer fisyon nedir?
Nükleer fisyon, bugün faaliyette olan her nükleer enerji santralinin arkasındaki süreçtir. Küçük bir atom altı parçacık olan nötronun bir uranyum atomuna çarpıp onu bölmesiyle oluşur. Bu, diğer atomlarla çarpışan ve nükleer zincir reaksiyonunu tetikleyen daha fazla nötron açığa çıkarır. Bu da büyük miktarda enerji açığa çıkarır.
Bu enerjiyi elektriğe dönüştürmek için su, elektrik üretmek üzere bir türbini çalıştıran bir ısı eşanjöründe buhara dönüştürülür.
Fisyon reaksiyonu, nötron tedarikinin bastırılmasıyla kontrol edilebilir. Bu, nötronları emen “kontrol çubukları” yerleştirilerek yapılır. Geçmişte, Çernobil'dekine benzer reaktör kazaları, kontrol çubuklarının devreye girmemesi ve nötron beslemesinin kesilmesi ve/veya soğutma devresinin arızalanması nedeniyle meydana gelmişti.
“Üçüncü nesil” olarak adlandırılan reaktör tasarımları, bir arıza durumunda kazaları önlemek için aktif kontrol veya insan müdahalesi gerektirmeyen pasif veya içsel güvenlik özelliklerini birleştirerek önceki tasarımlara göre daha iyi hale gelir. Bu özellikler basınç, yerçekimi, doğal konveksiyondaki farklılıklara veya malzemelerin yüksek sıcaklıklara karşı doğal tepkisine bağlı olabilir.
İlk üçüncü nesil reaktörler, Japonya'daki gelişmiş kaynar su reaktörleri Kashiwazaki 6 ve 7 idi.
Japonya'daki Kashiwazaki-Kariwa nükleer santrali.
(Resim: Tokyo Electric Power Co (TEPCO), CC BY-SA 2.0, Wikimedia aracılığıyla)
Nükleer fisyonda çözülmemiş bir zorluk, reaksiyonun yan ürünlerinin binlerce yıl gibi uzun süreler boyunca radyoaktif kalmasıdır. Yeniden işleme durumunda yakıt kaynağı ve atık ürünler nükleer silah oluşturmak için de kullanılabilir.
Nükleer fisyon kanıtlanmış bir teknolojidir. Aynı zamanda büyük tesislerden (en büyüğü Japonya'daki 7,97 gigawatt'lık Kashiwazaki-Kariwa nükleer santralidir) yaklaşık 150 megawatt elektrik üreten ve gemilerde veya nükleer denizaltılarda kullanılan küçük ve orta ölçekli reaktörlere kadar ölçeklenebilir. Bu reaktörler, İngiltere ve ABD ile üçlü güvenlik ortaklığı kapsamında vaat edilen Avustralya'nın sekiz nükleer denizaltısına güç sağlayacak.
Nükleer füzyon nedir?
Nükleer füzyon güneşe ve yıldızlara güç veren süreçtir. Nükleer fisyonun ters sürecidir. Atomların bir araya gelmesiyle oluşur.
Laboratuvarda tetiklenebilecek en basit reaksiyon hidrojen, döteryum ve trityum izotoplarının füzyonudur. U235'i bölerken birim kütle başına dört kat daha fazla enerji açığa çıkar.
Döteryum yakıtı Dünya'da ve evrende çok yaygındır. Trityum radyoaktiftir ve yarı ömrü 12 yıldır, bu yüzden Dünya'da nadirdir. Evren 13,8 milyar yaşındadır; Doğada bulunan hafif çekirdeklerin (hidrojen, helyum ve lityum) tek izotopları, bu zaman ölçeklerinde kararlı olanlardır.
Bir füzyon enerji santralinde trityum, bir “lityum battaniyesi” kullanılarak üretilecektir. Bu, füzyon nötronlarının yavaşlatıldığı ve sonunda trityum oluşturmak üzere reaksiyona girdiği devasa bir lityum duvarıdır.
Ancak bilim insanlarının laboratuvar dışında füzyon reaksiyonu oluşturması şu anda oldukça zordur. Füzyon için son derece yüksek sıcaklıklar gereklidir: optimum koşullar 150 milyon santigrat derecedir.
Füzyon güneşe güç veren süreçtir.
(Resim: SOHO (ESA ve NASA))
Bu sıcaklıklarda yakıt iyonları, elektronların ve (nükleer) iyonların ayrıştığı plazma halindedir. Bu sürecin yan ürünü radyoaktif değil, soy gaz helyumdur.
Sürdürülebilir füzyonu göstermenin ana teknolojik yoluna toroidal manyetik sınırlama denir. Plazma, aşırı sıcaklıklarda, halka şeklinde devasa bir manyetik şişenin içine konur.
Nükleer fisyondan farklı olarak bu teknolojik yol, füzyon koşullarına ulaşmak için sürekli harici ısıtmanın yanı sıra güçlü bir sınırlama alanı gerektirir. Bu unsurlardan birinin kesintiye uğraması durumunda reaksiyon durur. Buradaki zorluk kontrolsüz bir erimeyi önlemek değil, ilk etapta reaksiyonu başlatmaktır.
Araştırma ilgisinin çoğunu çeken, toroidal manyetik sınırlama füzyonunun çözülmemiş en büyük zorluklarından biri, yanan, kendi kendine ısınan bir plazmanın gösterilmesidir. Reaksiyonun kendisi tarafından üretilen termal gücün birincil olduğu durum budur. Kamu tarafından finanse edilen çok uluslu ITER projesinin, dünyanın en büyük füzyon deneyinin ve Massachusetts Teknoloji Enstitüsü'ndeki özel olarak finanse edilen SPARC deneyinin amacı budur.
Ancak bilim camiasının büyük bir kısmı nükleer füzyonun en az 2050 yılına kadar ticari olarak uygulanabilir olmayacağı konusunda hemfikir.
Bir iklim çözümü mü?
Bana sık sık nükleer enerjinin dünyayı iklim değişikliğinden kurtarıp kurtaramayacağı soruluyor. İklim bilimi alanında birçok meslektaşım var ve rahmetli eşim önde gelen bir iklim bilimciydi.
Bilim aynı fikirde: İklim değişikliğini durdurmak için artık çok geç. Dünya, karbon emisyonlarını azaltmak ve yıkıcı hasarları en aza indirmek için elinden gelen her şeyi yapmalı ve bunu onlarca yıldır yapıyor.
Rüzgar ve güneş gibi yenilenebilir enerji kaynaklarının yaygın biçimde benimsenmesi ve kullanılmasıyla birlikte nükleer fisyon da bu küresel çözümün bir parçası.
Uzun vadede nükleer füzyonun nükleer fisyonun yerini alabileceği umuluyor. Nükleer füzyonun nükleer fisyona göre avantajları açıktır: Yakıt tedariği çok daha büyük ve her yerde mevcuttur, atık sorunu hacim ve zaman ölçeği açısından çok daha küçüktür ve teknoloji savaş amaçları için kullanılamaz.
Matthew Hole, Avustralya Ulusal Üniversitesi Matematik ve Bilgisayar Bilimleri Bölümünde profesördür.
Bu makale ilk olarak The Conversation tarafından Creative Commons lisansı altında yayımlandı. Oku Orijinal makale. Çevirmen: Bernd Müller