Popüler Bilim Tüm Yazılar

Radyasyon, Radyoaktivite ve Nükleer Enerji

nukleer-554874
Hazırlayan: Berkan Alptekin
Facebooktwittergoogle_plusredditlinkedintumblrmail

Her yerden duymaya alıştığımız ancak içeriğinden pek bihaber olduğumuz bir konudur nükleer enerji. Zararlıdır denir, zararları bilinmez, her şeye radyasyon yayıyor der korkarız ama sayısız radyasyon türü olduğunu bilmeyiz.

Nedir peki bu nükleer, nereden gelir, bilmediğimiz neler var?

Fazlasıyla geniş bir konu olan nükleer fizik alanından biz şimdilik nükleer bozunma, radyoaktivite ve nükleer fisyon yolu ile enerji konularını seçip ne olduklarını, etkilerini, neden bu kadar endişe ile korku yarattıklarını ve faydalarını inceleyelim.

Radyasyon nedir? Mikrodalga fırınım ve cep telefonum radyoaktif mi?
Radyasyon çeşitleri her yerdedir. Her an birçok radyasyon çeşidine maruz kalmaktayız, bunların zararsız olan çoğunluğu güneşten veya arka plan olarak bilinen kozmik radyasyondan ve kullandığımız günlük aygıtlardan gelir. Radyasyon kelimesi genelde radyasyon zehirlenmesi ve kanser gibi sağlık sorunlarıyla yan yana kullanılsa da kelime anlamı olarak enerjinin dalgalar ve/veya parçacıklar yolu ile transferidir.

looking-in-microwave

Mikrodalga fırınınızı talimatlara uygun kullandığınızda hiçbir zarar görmezsiniz, rahat olun.

Işık, radyo dalgaları, mikrodalgalar ve hatta kimi ses dalgaları da, radyoaktiviteden kaynaklanan tehlikeli gamma radyasyonu gibi birer radyasyon türüdür. Radyasyonu temel olarak iki kategoride ele alırız, iyonlaştırıcı radyasyon ve iyonlaştırıcı olmayan radyasyon.

İyonlaştırıcı Olmayan Radyasyon 
Bazı örnekleri şunlardır: Görünür ışık tayfı, Güneş ışığı, siyah UV ışığı, termal radyasyon, mikrodalgalar, radyo dalgaları gibi her an her yerde maruz kaldığımız, enerji yayılımı türleridir. Her şey gibi çoğu zarardır, yoğun ışık gözlerde körlük yaratabilir, mikrodalga ve radyo dalgaları doku ve vücut sıcaklığını arttırabilir, yüksek miktarda mikrodalga maruz bırakılan yere göre deride veya deri altında yanığa sebep olur, düşük frekanslı radyo dalgaları sinir sisteminde ve kaslarda düzensizliğe sebep olabilir.

Ancak, uranyumdan yayılan radyoaktivite kaynaklı yüksek enerjili iyonlaştırıcı radyasyon gibi etkileri yoktur.
Örneğin mikrodalga fırını radyoaktif değildir. Cihazda yaratılan mikrodalgalar kansere, kalıcı kısırlığa, sinir ve bağışıklık hastalıklarına neden olmaz. Ama elinizi çalışan bir mikrodalga fırının içine sokarsanız teninizi pişirip yakabilirsiniz, veya gözünüz maruz kalırsa körlüğe sebep olabilir yine direk maruz bırakmayı başarırsanız sperm hücrelerinizi öldürüp geçici kısırlığa sebep olabilir. Bunların hepsi mikrodalgaların vücudunuzdaki su moleküllerini ısıtması sebebiyle olur. Mikrodalgalar suya yada besinlere de herhangi bir ısıtma metodundan daha fazla zarar vermez. Bunlar bilimsel verilerdir ve aksi iddialar toplumun uzun süreli önyargılarından ileri gelmektedir.

Aynı şekilde cep telefonlarından yayılan elektromanyetik radyasyonun herhangi bir sağlık sorunu ve/veya kanser türüne sebep olabileceğine dair tutarlı bir bilimsel veri yoktur ancak önlem niteliğinde çalışmalar mevcuttur ve bizzat sağlık zararları konusunda bir kanıt bulamayan WHO (Dünya Sağlık Örgütü) tarafından cep telefonu niteliğindeki cihazların vücuttan olabildiğince uzakta tutulması tavsiye edilmektedir. Bunun sebebi de, “çok uzun dönemlerde” etkileri henüz bilinmediğinden dolayıdır. Takdir edersiniz ki, cep telefonları (ve baz istasyonları) şunun şurasında sadece 25 yıllık bir teknoloji. Bu 25 yılda bir zararını göremedik ama, belki 40 yıl kullanınca bir zarara yol açıyor olabilir.

uranyum1010

Uranyum cevheri.

Radyoaktivite / Radyoaktif Bozunma (Decay)

Paris’te 1852’de dünyaya gelen Antoine Henri Becquerel ile başlayalım. Kendisi fosforlu maddelerin ışık saçmasının nedenleri üzerinde deneyler yaparken, kullandığı fotografik levhaların, sadece uranyum tuzu tarafından siyahlaştırılması ile radyoaktiviteyi keşfetmiştir. Radyoaktivite Uranyum gibi atom numarası büyük ve stabil olmayan elementlerin iyonlaştırıcı radyasyon yayarak kütle kaybedip enerji saçmasıdır. Temel olarak Alfa, Beta ve Gamma bozunumu olarak üç başlıkta toplanır.

Bu bozunumlar sonucu radyoaktif madde enerji ve ısı saçarak kütlesinin bir kısmını yeni bir izotopa dönüştürür. Belli miktardaki bir radyoaktif maddenin kütlesinin yarısını dönüştürme süresine yarı-ömür (Half-Life) denir. Örneğin Uranyum-238 4.5 milyar yıllık bir yarı ömre sahipken, Uranyum-234, 245.500 yılda yarılanır. Astatin-210 ise 8.1 saatlik bir yarı ömre sahiptir. Yarı ömrü çok kısa olan böylesi elementler daha yüksek kütleli başka radyoaktif maddelerin bozunup, dönüştükleri izotoplardır.

İyonlaştırıcı Radyasyon
İyonlaştırıcı radyasyon, yukarıda bahsettiğimiz radyoaktif bozunum sonucu ve uzaydan gelen kozmik ışınlar ile onların atmosferde etkileşimi sonucu oluşan, atom ve moleküllerden elektronlarını kopararak onları iyonize edecek kadar yüksek enerji taşıyan radyasyon türlerine denir.

Örneğin Alfa, Beta ve Nötron parçacıkları Gamma ışınları, X-ışınları ve elektromanyetik spektrumun yüksek ultraviyole kısmı iyonlaştırıcı radyasyondur. (Nötronlar yüksüz olsa da, etkileşimler sonucu gamma ışını veya proton emisyonu üretebilmeleri onları iyonize edici radyasyon sınıfına sokmaktadır)

Radyoaktif elementlerin bozunmasından kaynaklı iyonlaştırıcı radyasyon türleri alfa, beta, nötron parçacıkları ile gamma ışınları kaynaklı radyasyondur. Doğada bulunan diğer iyonlaştırıcı parçacıklar da muon, meson, pion ve hatta pozitron gibi parçacıklardır. Bu parçacıkların çoğunluğu uzaydan gelen kozmik ışınların (%99u alfa parçacığı ve %1 daha ağır parçacıklar olan esas kozmik ışınların) atmosferimiz ile çarpışması sonucu oluşan ikincil kozmik ışınımlardır.

İyonlaştırıcı Radyasyonun Ölçü Birimi
İnsan duyuları, çok yoğun olmadığı müddetçe iyonlaştırıcı radyasyon türlerini hissedemez. Hissetmeye başladığımızda ise çoktan ölümcül doz almış oluruz. Radyasyona maruz kalan bir kişinin veya cismin bir kilogramına bir joule kadar enerji veren miktara Gray (Gy) denir. Farklı radyasyon çeşitlerine aynı Gray miktarında maruz kalmak farklı sonuçlar doğurur. Örneğin bir Gray Alfa radyasyonuna maruz kalmak. bir Gray Beta radyasyonuna maruz kalmaktan çok daha tehlikelidir.

Radyasyonun etki eden dozundan bahsettiğimizde ise bunu Sievert (Sv) ölçü birimi ile ifade ederiz. Bir sievert radyasyonun etkisi maruz kalınan türe göre değişmez, bizim maruz kaldığımız enerji miktarını temsil eder. Düşük miktarlarına millisievert / mSV (Binde biri) ve microsievert / μSv (Milyonda biri) denir.

hiroshima0101013

Radyasyonun canlılar üzerinde yarattığı tahribatın büyüklüğünü Hiroşima ve Nagazaki’ye atılan atom bombalarıyla anladık.

ICRP (International Comission on Radiological Protection / Uluslararası Radyolojik Korunum Komisyonu) yıllık doz olarak halk için güvenli limiti 1mSv olarak belirlemiştir. İş sebebiyle maruz kalma limiti 50 mSv dir ve yıllık maximum 100 mSv maruz kalınan bir işde arka arkaya 5 yıldan fazla çalışılmamalıdır.

Maruz kalınan radyasyon miktarlarına Sievert cinsinden örneklerle bakalım. Örnekler ortalama, kaba değerlerdir, birçok farklı durum ve istisnalara göre farklılıklar gösterebilirler.

• 0.09 μSv (yıllık): bir nükleer santralin 80 kilometre sınırı içerisinde maruz kalınabilecek reaktör kaynaklı yıllık miktar.
• 0.3 μSv (yıllık): bir kömür santralinin 80 kilometre sınırı içerisinde maruz kalınabilecek, kömürdeki uranyum ve toryum kaynaklı yıllık miktar.
• 0.1 μSv: 150 gramlık bir Muzdaki potasyumdan kaynaklı miktar.
• 1 μSv: Kol röntgeninde kullanılan X-ışınları kaynaklı miktar.
• 5 μSv: Ağız (dental) röntgeninde kullanılan X-ışınları kaynaklı miktar.
• 10 μSv (günlük): Sıradan bir insanın normal bir günde maruz kalacağı doğal arka plan radyasyonu.
• 40 μSv: 7 saatlik uçak yolculuğu sürecinde alınan radyasyon miktarı.
• *60 μSv: Yukarıdaki değerleri göz önüne alırsak sıradan bir günde maruz kalacağınız iyonlaştırıcı radyasyon miktarı.
• 20 μSv Göğüs röntgeninde kullanılan X-ışınları kaynaklı miktar.
• 30 μSv (yıllık) EPA tarafından Nükleer bir santralin yıllık saçması hedeflenen doz.
• 40 μSv Fukushima kazasını takip eden haftalarda, Tokyo’daki fazladan doz.
• 100 μSv Fukushima kasaba merkezinde kazadan sonraki 2 haftadaki toplam fazladan doz.
• 250 μSv (yıllık) EPA tarafından regüle edilen Nükleer bir santralin yıllık saçabileceği maksimumu doz.
• 390 μSv (yıllık) Vücudumuzdaki potasyumun saçtığı doz
• *1000 μSv (1 mSv) (yıllık): Nornmal bir kişinin yıllık maruz kalabileceği radyasyon limiti.
• 1 mSv: Thee Miles Adası reaktör erimesi kazasındaki maksimum radyasyon miktarı (bu kazadan kaynaklı sağlık sorunu yaşayan bilinen kimse yoktur)
• 2 mSv: Yüzünüze bir CT taraması yapılması.
• 4 mSv (yıllık): %85i doğal olan yıllık arkaplan radyasyonu
• 6 mSv (günlük): 2010’da Çernobil santralinde bir saat geçirince maruz kalınan doz (bulunulan yere göre büyük farklılıklar olabilir)
• 7 mSv: Göğüsünüze bir CT taraması yapılması.
• 50 mSv (yıllık): Radyasyon işçilerinin yıllık üst limiti.
• *100 mSv (10.000 μSv) (yıllık): Kanser riskinin artması ile bağdaştırılan en düşük doz miktarı.(Radyasyon işçisi olmak, kanser ihtimalini %50 arttırıyor diyebiliriz)
• 100 mSv: Fukushima santrali çalışanlarının maruz kaldığı doz.
• 400 mSv: Kısa sürede maruz kalındığında radyasyon zehirlenmesi belirtilerine sebep olabilecek doz
• 1000 mSv (1Sv): NASA astronotlarının kariyerleri boyunca maruz kalabileceği üst sınır.
• 2000 mSv (2 Sv): Ağır radyasyon zehirlenmesi limiti
• 4 Sv: Genellikle ölümcül radyasyon zehirlenmesi.
• 8 Sv: Tedavi edilse dahi mutlak ölümle sonuçlanacak doz.
• 50 Sv: Çernobil reaktröründe patlamadan sonra patlama ve çekirdek erimesinden sonra 10 dakikada maruz kalınmış olan miktar

radyasyon101012314

Alfa, Beta ve Gamma ışınlarının insan vücuduna nüfuz edebilme oranları.

İyonlaştırıcı radyasyon türleri, zararları ve kullanım alanları.

Alfa Parçacıkları: Uranyum, Toryum, Aktinyum ve Radyum gibi ağır elementlerin bozunumu sonucu açığa çıkar. 2 proton ve 2 nötrondan oluşan, helyum çekirdeğine benzer bir parçacıktır. Bu radyasyondan korunması kolaydır, birkaç milimetrelik kurşun, alfa parçacıklarını yalıtabilir. Kısa menzillidir, giyisileri ve insan tenini delip geçemez. Bu nedenle vücudun dışındaki bi alfa kaynağı çok yakın mesafeden maruz kalınmadığı sürece ciddi bir tehlike sayılmamakla beraber, bu parçacığı saçan herhangi bir elementin, solunumu, yutulması veya açık bir yaraya temas edip dolaşım sistemine sokulması çok zararlı olabilir. Kendisi dokuya temas halinde maruz kalınabilecek en güçlü iyonize edici radyasyon türüdür ve aynı dozda bir beta yada gamma radyasyonuna maruz kalmaktan 10-1000 kat arasında daha zararlıdır.

Eskiden duman dedektörlerinde kullanılan alfa ışınımı yayan elementleri şu sıralar uzay araçlarında RTG jeneratörlerinde ve kalp atışı düzenleyici cihazlarda görmek mümkündür. Ayrıca kanser tedavilerinde, tümürleri yok etmek içinde kullanılmaktadır.

Beta Parçacıkları: Carbon-14, Trityum, Potasyum-40 gibi elementlerden salınan beta parçacıkları aslında yüksek enerjili ve yüksek hızlı elektron ve pozitronlardır. Örneğin nükleer reaktörlerin sıvı soğutma sistemlerinde görülen mavi ışık, fisyon reaksiyonlarında üretilen beta parçacıkları kaynaklı Cherenkov radyasyonu’dur. Işığın sudaki faz hızı, boşluktaki ışık hızının %75’i iken, beta parçacıklarının ışığın sudaki hızından daha hızlı hareket etmeleri sonucu bu mavi ışık oluşur. Beta radyasyonu kısa menzillidirler, kaynaklarından en fazla bir kaç metre uzağa etki edebilirler. Bu radyasyon türüne karşı normal kıyafetler kısıtlı korunma sağlayabilir ve yakın temas halinde insan tenini, yeni hücrelerin üretildiği tabakaya kadar geçebilir, uzun süreli temas halinde ciltte yara açabilir, DNA mutasyonlarına ve kansere sebep olabilir.

ambient_light_clockBeta radyasyonu kanser tedavilerinde kullanılmaktadır ancak en yaygın ve günlük kullanım alanı silahlarda, saatlerde, anahtarlıklarda, pusulalarda, uçak enstrümanlarında beta ışığı olarak’ta geçen aydınlatıcılardır. Saatinizde karanlıkta yeşil ışık yayan izler genellikle trityum kaynaklı beta parçacıklarıdır. Tene direk temas, solunum, yada yutma durumu olmadığı sürece bu madde risksiz sayılsa da hayatınızdan olabildiğince çıkarmakta fayda vardır (Yazar burada kendi saatindeki yeşil akrep ve yelkovana bakar ve iç geçirir). Yalıtıldığı koşullarda zararsız kabul edilse de örneğin içinde gaz halinde trityum bulunduran bir aydınlatıcının kırılması durumunda, yakın çevresi boşaltılmalı ve gazın dağılması beklenmelidir zira gaz halindeki beta radyasyonu yayan maddenin solunumu ciddi sağlık riski taşır. Solunumu yada emilimi durumunda vücutta kalış süresi yaklaşık 12 gün olan Trityum’dan daha hızlı arınmak için su tüketiminin günlük 3-4 litreye çıkartılması tavsiye edilmektedir.

Gamma Işınları: Radyasyon ve kanser riskinden bahsedilirken, X-ışınları ile birlikte en akla gelen radyasyon türüdür gamma ışınları. İyodin-131, Kobalt-60, Radyum-226 gibi elementlerin atom çekirdeklerinde (nucleus) gamma bozunumu sonucu oluşan çok yüksek frekanslı ve yüksek enerjili elektromanyetik radyasyon türüdür. Temel olarak kütlesi ve yükü olmayan fotonlardır. Tür olarak görünür ışığa, radyo dalgalarına ve ultraviyole ışığa benzerler. En büyük farkları, taşıdıkları enerjinin fazlalığıdır. Radyoaktif elementlerin bozunumunun, kozmik ışınların atmosferle etkileşiminde, yıldırımlarda, pulsar ve magnetarlarda, gamma ışını patlamaları gibi ilginç doğa olaylarında üretilir. Delip geçici, uzun menzilli bir radyasyon türüdür ve korunumu çok zordur. Alfa ve Beta radyasyonlarından daha az iyonize edici olmalarına karşın, delip geçici olmaları ve uzun menzilleri gamma ışınlarını en riskli radyasyon türlerinden biri yapar. DNA’larda yapısal bozulmaya sebep olup, kansere sebep olmasıyla birlikte kanserle savaşta da yine gamma ışınları kullanılır.

Tıbbi taramalar yada havaalanlarındaki güvenlik taramaları gibi düşük dozlara kısa süreli maruz kalmak bir sağlık riski oluşturmazken, yüksek dozlara maruz bırakacak olaylar, örneğin bir gamma ışını kaynağı elementin yakınında bulunmak, nükleer silah kullanımı veya bir nükleer reaktör sızıntısı, gamma ışınları kaynaklı ciddi sağlık problemlerine, kansere ve radyasyon zehirlenmesine sebep olabilir. Dünyaya yönlenmiş bir gamma ışını patlaması ise birkaç bin ışık yılı mesafeden ozon tabakamızı kavurup, biz dahil canlı türlerinin çoğunun soykırımına sebep olabilir. Böyle korkunç olaylar ve kanserle savaşın yanı sıra, astronomide, tıbbi gereçler gibi sterilizasyon gerektiren malzemelerin mikroorganizmalardan arındırılmasında ve birçok başka tıbbi alanda da gamma ışınlarından söz edilebilir.

IMG_5762

X ışınları zararlı bir radyasyon türüdür. Ancak, tıp alanındaki kullanımıyla devrimsel tedavi yöntemlerinin önünü açmıştır.

X-Işınları: Gamma ışınları gibi yüksek enerjili bir elektromanyetik radyasyon türüdür. Aralarındaki en büyük farklılık dalga boyları ve kaynaklarıdır. Gamma ışınları atomun (nucleus)denen çekirdeğinden kaynaklanırken, X-ışınları elektronlar tarafından oluşturulur. Bunun yanısıra hızlı hareket eden pozitif yüklü iyonların da X-ışını oluşturduğu bilinir. Oluşturduğu sağlık riskleri gamma ışınlarınkine benzerdir. Astronomide ve tıp alanında yaygın bir biçimde kullanılırlar.

Pozitron (Antimadde) radyasyonu
Antimadde tahmin ettiğimizden daha çok hayatımızın içindedir. Örneğin PET taramaları(Positron Emission Tomography), elektronun karşıt parçacıkları olan pozitronları kullanır. Bu taramalarda dolaşım sistemine enjekte eden kısa ömürlü bir radyoaktif bir izotop pozitron yayan bir bozunum geçirir. Bu pozitronlar dokuda 1mm gibi kısa bir mesafe kat ederler. Bu sürede kinetik enerjileri azalır ve sonunda bir elektron ile temas ederek birbirlerini yok ederek birbirinin aksi yönünde hareket eden gamma ışınları (yüksek enerjili fotonlar) oluştururlar. PET tarayıcısı aynı anda oluşup birbirlerinin aksiyönünde hareket eden bu gamma ışınlarını tespit ederek taranan bölgenin üç boyutlu bir resmini çıkartır.

Kozmik Radyasyon
Güneş sistemimi dışından gelen çoğunlukla yüksek enerjili elektonlar ve atom çekirdeklerini oluşturan parçacıklardır. 2013’te Fermi Uzay Teleskobu bu kozmik ışınların çoğunluğunun süpernovalardan kaynaklandığını keşfedene kadar kaynakları bizim için bir gizemdi. Kozmik ışınları oluşturan parçacıkların %90’ı proton, %9’u Alfa parçacıkları ve %1’i HZE iyonları denen daha ağır parçacıklardır. Çok küçük bir yüzdenin de pozitron ve anti-protonlar olduklarını bilmekteyiz.

Bu kozmik ışınlar atmosferimizdeki atomlar ve moleküller ile çarpışarak ikincil kozmik ışınlara neden olur. Bunlar nötron, meson, pion, kaon ve muon gibi parçacıklardır ve bazıları yer kabuğuna kadar ulaşabilir.

Nükleer Reaksiyonlar
Radyoaktiviteden ve iyonlaştırıcı radyasyon türlerinden bahsettiğimize göre sıra nükleer reaksiyonlara gelebilir. Nükleer reaksiyonlar iki atom çekirdeğinin (nadiren üç ve veya daha fazla çekirdeğin) ve/veya bir atom çekirdeği ve bir atom altı parçacığın çarpışıp bir yada daha fazla atom çekirdeğine dönüşmesidir. Doğada nükleer reaksiyonları en yaygın olarak yıldızlarda füzyon görebiliriz. Bunun dışında kozmik ışınların atmosferimizde etkileşimi ve 1972’de Afrika, Gabo ülkesinin Oklo bölgesinden de keşfedilen gibi Uranyum yataklarındaki kendi kendine oluşan doğal fisyon reaksiyonları da, doğadaki nükleer reaksiyonlara örnektir.

Yaygın bilinen Füzyon (birleşme) ve Fisyon (bölünme) reaksiyonlarının yanısıra, kozmik ışınların atmosferimize çarpmasıyla oluşan Spallation (Parçalanma), yukarıda bahsettiğimiz Alfa Bozunumu ve İndüklenmiş Gamma Emisyonu da nükleer reaksiyon örnekleridir.

fisyonreaktoru0102

Deneysel bir füzyon reaktörü (Tokamak). Füzyon yoluyla enerji üretmek için çalışmalar sürse de, henüz kısa ve orta vadede kullanıma geçilebilecek düzeye ulaşılamadı.

Füzyon oldukça ilgi çekici ve umut vaad eden bir konu olsa da, bu yazımızda bazı haklı sebeplerden dolayı büyük ön yargılar beslenen, endişe ve korku kaynağı olan günümüzde kullanılan nükleer enerjiden bahsedeceğiz.

Fisyon Reaksiyonu
1938’de Otto Hahn ve asistanı Fritz Strassman tarafından keşfedilen Nükleer fisyon, bir atom çekirdeğinin bölünmesi ve bu bölünme esnasında enerji saçmasıdır.

Nükleer santrallerdeki fisyon reaksiyonlarına bir örnek verelim. Bir Uranyum-235 atomu bir nötron tarafından bombalanır ve Uranyum-236’ya dönüşür ve hemen ardından nötronun kinetik enerjisi sonucu ikiye bölünerek Kripton-92 ve Baryum-141 izotoplarına dönüşürken 3 nötron saçar. Bu nötronlar başka U-235 atomlarına çarpıp zincirleme reaksiyon yaratırlar.

Bu bölünme esnasında gamma ışınları da salınır ve sonuç olarak uranyum atomunun %0.1 lik kısmı 200 MeV’luk (200 milyon elektron-voltluk) bir enerjiye dönüşür. Bunu kıyaslamak gerekirse kömür atomu yanma sırasında sadece birkaç elekton-voltluk enerji açığa çıkartır yani kömürle karşılaştırınca nükleer yakıt milyonlarca kat daha fazla enerji açığa çıkartır.

Reaksiyonda açığa çıkan bu enerjinin %6’sı radyasyondur (%3.5’i Gamma ışınları ve %2.5’i nötronlardır) geri kalanı bölünmüş elementlerdir ve bunların ani fisyondan gelen enerjileri toplamın %89’udur, geri kalan %11 zamanla bu elementlerin bozunması ile açığa çıkar.

Nükleer Reaktör
Bir nükleer reaktör, nükleer yakıtların bulunduğu ve kontrollü bir şekilde yukarıda anlatılan rekasiyonun sürdürüldüğü yerdir. Yakıtların bulunduğu çekirdek genellikle soğutucu su içerisinde bulunur ancak, katı ve gaz ortamda bulunan çekirdeklerde mevcuttur. Yakıt olarak genellikle tercih edilen Uranyum-235, silindirik yakıt çubukları halinde kullanılır. 1000MW üretim kapasiteli bir reaktör bu yakıttan 75 ton barındırır. Güç santrallerinde yüksek verimliliği devamlı sağlaması için yakıt çubukları 18 – 36 ay süreyle kullanıldıktan sonra değiştirilir. Bu süreç boyunca 1 ton uranyumdan, 20.000 ton kömür veya 8.5 milyon metreküp gazın eşdeğeri olan 44 milyon kilowatt-saatlik elektrik elde edilir.

Enerji üretim süreci şu şekildedir; yakıt yukarıda anlatıldığı gibi reaksiyon sonucu kendisinden küçük izotoplara ayrılır ve bu izotopların kinetik enerjisi ısı üretir. Aynı şekilde reaksiyon sonucu açığa çıkan gamma ışınlarının bir kısmı da ısı sağlar. Artık madde olarak üretilen izotoplar da radyoaktif bozunma ile bir süre daha ısı yaymaya devam ederler.

nukleersantral101023

Sıradan bir nükleer santralin temel çalışma şeması.

Reaktör, reaksiyon sonucu açığa çıkan radyasyonu içerisinde tutacak bir yapıyla çevrilidir. Üretilen ısı ise, soğutucu sıvı ile reaktörden taşınır. Isıyı taşıyan soğutucu sıvı, ayrı bir su bölmesini ısıtarak suyu buharlaştırır, yüksek basınçlı bu buhar bir türbini döndürür. Türbin ısıyı mekanik enerjiye dönüştürür. Bu mekanik enerji gemilerde pervarneleri döndürürken, santrallerde jeneratörden elektrik üretilmesini sağlar.

Türbini döndüren buhar daha sonra harici bir kaynaktan gelen 3.bir su sistemi olan soğutucu sıvının bulunduğu odacıkta yoğunlaştırılarak tekrar suya dönüştürülür ve buharlaşma odacığına geri döner. Bu harici soğutucu sıvı genellikle dışarıdaki nehir ve deniz gibi kaynaklardan alınıp tekrar buralara dökülen sudur ve kirli yada radyasyonlu değildir.

18 – 36 ay kullanıldıktan sonra ömrünün verimli kısmını tamamlayan yakıt radyasyon ve ısı yaymaya devam etmektedir. Bu haliyle hızlıca yakındaki bir soğutucu su içinde bulunan başka bir bölmeye yerleştirilerek radyasyon seviyelerinin düşmesi beklenir. Bu bölmedeki su radyasyonu ve ısıyı yalıtır. Kullanılmış yakıt bu bölmelerde aylarca ve bazen yıllarca bekletilir. Yaklaşık beş yıldan sonra yakınlardaki kuru bir atık bölgesine taşınır. Bu atık daha sonra tekrardan işlenmeye tabi tutularak kullanılabilir yada işlenmeden saklanmaya devam eder. 40 yıldan sonra atığın büyük bölümü radyoaktivitesi orjinal halinin 1000/1 lik bir seviyesine düşer. Ancak üretilen atığın %3 lük bir bölümü binlerce yıl boyunca saklanmaları gerekecek kadar radyoaktiftir.

nukleer9990_d026

Bir nükleer reaktörün, reaksiyonun gerçekleştiği çekirdek bölümü.

Nükleer enerjinin Dünya’daki yeri

IAEA (International Atomic Energy Agency / Uluslararası Atom Enerjisi Kurumu) tarafından yayınlanan güncel rapora göre şu anda Dünyada 31 ülkede toplam 443 çalışır halde ve 66 inşa halinde nükleer güç reaktörü mevcut ve çalışır olanlar toplam elektrik üretiminin %11 lik kısmını sağlıyor. Uçak gemileri ve denizaltılar dahil 140 donanma gemisi de toplamda 180 nükleer reaktör kullanmakta. Nükleer enerji kaza oranı ve etkileri düşük olduğu ve atıkları güvenle muhafaza edildiği sürece en temiz enerji türüdür. 1970’lerde ticarileşmesinden bu yana fosil yakıt yakan santrallerden salınabilecek 64 gigaton karbondioksit eşdeğeri sera gazı salınımının önüne geçmiştir. Çernobil, Fukushima, Three Mile Adası ve bazı nükleer denizaltı kazaları dahil bütün kazaları ele aldığımızda nükleer enerji, birim enerji başına en az can kaybının olduğu ana enerji türüdür. Kömür, petrol, doğal gaz ve hidroelektrik gerek iş kazaları gerekse yarattıkları kirlilik sebebiyle çok daha fazla can kaybına sebep olmakta.

Ancak nükleer kazaların can kaybı, ekonomik bedelinin ağır olması ve reaktör erimesi kazalarının belli bölgeleri uzun süre radyoaktifleştirmesi ve riskli bölgelerin tahliyesi azımsanacak gibi değildir. En son örnek, 1960 tasarımı üç adet eski reaktörlerde gerçekleşen Fukushima kazasından sonra İtalya nükleer enerjiyi yasaklarken, Almanya 2022’ye kadar bütün nükleer reaktörlerini kapatma kararı almıştır. Burada belirtmekte fayda var, Almanya tamamen güneş enerjisine geçti haberleri asılsızdır, Almanya’nın ana elektrik kaynağı kömürdür ve yenilenebilir kaynaklar bütün enerji üretiminin %25’ini temsil etmektedir ve güneş enerjisi bu 25’in %16’sını oluşturmaktadır. Yinede Almanya gibi güneş enerjisinin yüksek verimlilikte bulmanın zor olduğu bir iklimde, güneş santralleri en verimli zamanlarda 15-20 kadar nükleer reaktörün üreteceği elektriği üretip gün ortasında ihtiyaç duyulan elektriğin %50sini karşılayabilir.

Özellikle Fukushima kazasından sonra çok tartışılmış olsa da, dünya çapında nükleer enerji azalmıyor aksine artıyor. Bunun en büyük sebebi de fosil enerjide kullanılan kömür, petrol ve gaz fiyatlarının artması, fosilin verimliliğinin çok düşük kalması ve nükleer kazalarla kıyaslayın da, fosil enerjiden kaynaklı karbon emisyonu ile doğaya ve insanlara verilen zararın çok daha korkunç boyutlarda olmasıdır. Bazı ülkeler nükleere tamamen karşı tavırlarını korurken, nükleer enerji kullanan ülkeler reaktör sayılarını arttırıyor ve bir yandan da füzyon araştırmalarına yatırım yapıyorlar. Deneysel füzyon reaktörleri yavaş yavaş kendilerini çalıştırandan daha fazla enerji üretmeyi başarırken bu yatırımların er yada geç dünyada ve uzayda meyvesini vereceği de kesin. Henüz elektrik santrali olarak işleyecek duruma gelmese de füzyon, nükleer enerjinin geleceğini temsil ediyor.

Kazalardan sonra bir diğer riski de nükleer atıklar oluşturuyor. Atıklar çoğunlukla santrallerin yakınlarındaki geçici ve daimi bölgelerde depolanıyor, dünya genelinde böyle 430 atık depolama bölgesi mevcut.
Bazı ülkeler atıkları tekrar işleyerek atıktan birçok alanda kullanılabilecek radyoaktif madde elde etse de bu çok yaygın bir uygulama değil.

Kazalar

Nükleer santraller, nükleer silahlar gibi patlamaz. Olabilecek en ciddi kaza çekirdek erimesidir. Bu soğutma sistemi devre dışı kalıp kontrolden çıkan bir reaktörün devamlı ısınması sonucu olur. Bu ısınma çekirdekte erimeye yol açıp nükleer yakıt ve atıklar bütün korumaları aşıp çevreye radyasyon saçabilir. Soğutma sisteminin aşırı ısınıp buhar patlamasına neden olabilir veya başka herhangi bir gazın yada sıvının patlaması reaktör bölmesinin dışarı radyoaktif gaz saçmasına neden olabilir.

Dünya çapında şu ana kadar nükleer santrallerde 99 kaza meydana gelmiştir. Bu kazaların 57 si Çernobil sonrasında ve bütün kazaların yarısından daha fazlası Amerikada olmuştur. Bunlar dışında nükleer denizaltılarda da 26 kaza meydana gelmiştir bunların 14’ü reaktör hasarı ve radyasyon salınımıyla sonuçlanmıştır.

Bu kazaların 20’den fazlası can kaybına neden olmuştur. En ünlü birkaç kazayı ele alalım.

chernobyl_4

Kazadan sonra Çernobil hayalet bir kente dönüşmüştür. Bugün dahi yüksek radyasyon sebebiyle burada insan yerleşimi bulunmamaktadır.

Çernobil: 26 Nisan 1986’da bir test sırasında soğutma sisteminde meydana gelen arıza sonucu reaktörde sıcaklık artar ve sıcaklığın artması ile normal operasyon seviyesinden 10 kat fazla ısı üreterek bir buhar patlamasına neden olur. Bu patlama sonucu reaktörde kalan soğutucu sıvıda dışarı akarak ısıyı daha da arttırır. Bir kaç saniye içinde ikinci bir patlama ile yüksek miktarda radyoaktif madde çevreye salınır.

Santralin yakınındaki Pripyat şehrinin tahliyesi bürokrasi ve tehlikenin boyutlarının anlaşılmaması nedeniyle bir gün gecikir bu süre boyunca buradaki insanlar santralden salınan radyoaktif parçacıklara maruz kalacaktır. Tahliye başlayıp tamamlandıktan sonra bile bölgede kalan askeri ve bilimsel personel durumu çok hafife almıştır. Bu esnada radyoaktif bulutlar kuzeyde İsveçe kadar ulaşmıştır ve bizzat İsveç, Dünyaya kazayı duyurmuştur. Kazayla direk bağlantılı can kaybı 50’nin altındayken, radyasyondan kaynaklanan ölümlerin ve kanser vakalarının sayısı Birleşmiş Milletlerin verdiği 4000 ve Greenpeace’in verdiği 93.000 sayıları arasında değişmektedir. Şu anda Çernobil bölgesinin binlerce yıl boyunca insan yerleşimine uygun olmayacağı biliniyor ancak insanlardan arındırılmış bu bölgede doğal yaşam kendini toparlayıp adapte olmuş durumda.

FukushimaMeltdown101113

Fukuşima nükleer santrallerinde meydana gelen felaketten hemen sonrasındaki müdahale anları.

Fukushima: 11 Mart 2011’de 9 şiddetindeki deprem Japonyayı vurduğunda Fukushima santralindeki 4, 5 ve 6. reaktörler kapalı konumdaydı. 1, 2 ve 3 numaralı reaktörler prosedür gereği otomatik olarak kapatılıp fisyon reaksiyonu durdurulur. Ancak kapatıldığında dahi yakıt çubuklarının yaydığı bozunum ısısı günler boyunca soğutulmak zorundadır.

Depremden 50 dakika sonra tsunami vurduğunda dalgalar santrali koruyan 10 metrelik duvarları aşar ve soğutma sistemini çalıştıran dizel jeneratörlerin bulunduğu yerleri sular altında bırakır. Soğutma sistemi jeneratörler olmadan 1 gün daha batarya gücü ile çalışır ve sonunda soğutma sistemi devre dışı kaldığında 3 reaktörde de ısı kontrolden çıkarak hidrojen patlamalarına sebep olur.

Bu olayı takiben radyasyona maruz kalma sebebi ile can kaybı gerçekleşmez, daha sonra yapılan araştırmalarda yakınlarda yaşayanlarda kanser bulgularına rastlanmamıştır ve kanser riskinde ciddi bir artış kaydedilmemiştir. Denize ve havaya salınan radyoaktif parçacıklar Çernobil ile kıyasla çok daha düşük seviyededir.

Göründüğü gibi nükleer enerji istesek de istemesek de hayatımızın bir gerçeği. Her gün yüzlerce hatta binlerce ton kömür yakmaya kıyasla kesinlikle çok daha temiz bir alternatif, ancak gerekli güvenlik önlemleri alınmadığı taktirde riskleri de çok büyük. Kesinlikle çok büyük sorumluluk gerektiren ve bu sorumlulukları yerine getiremeyecek ulus ve kurumların uzak durması gerektiren bir konu.

Berkan Alptekin

Hep daha fazla okumak gerekir...

Yorum

Yazar Hakkında

Berkan Alptekin