1896 da RADYOAKTIFLİK'in bulunmasıyla, toryum ve URANYUM gibi elementlerin kendiliklerinden ENERJİ saldıkları ortaya çıktı. Olayda enerji salımı ile birlikte bir dizi radyoaktif dönüşüm oluşmakta ve atomlar, tanecik ya da ışın saçarak, maddenin kimyasal niteliğini değiştirmekteydi. Ne var ki, doğal durumda enerji salma hızı, kullanılamayacak kadar yavaştı.1919 yılında RUTHERFORD,aZ/a ışınlarının atom ÇEKİRDEK'ini parçalayabildiğim ortaya koyunca, atom fiziğinde önemli bir adım atıldı. Daha sonra sürdürülen araştırmalar sonucu, 1932'de NÖTRON, 1939'da da uranyum çekirdeğinin FİZYON'u bulundu. Aynı yıl, uranyum kullanılarak ZİNCİRLEME TEPKİME'lerin oluşturulabileceği açıklık kazandı. Süreç sonucunda yalnızca büyük bir enerji ortaya çıkmakla kalmıyor, aynı zamanda yeni bir element olan plütonyum da elde ediliyordu. Bu arada ATOM BOMBASl'nın geliştirilmesi de sürdürülmekteydi. Bomba için gerekli olan plütonyum, ancak yukarda değinilen zincirleme tepkimeyle sağlanabildiğinden, A.B.D'nde Columbia ırmağı kıyılarında Hanford Works tesisleri kuruldu. Böylece, endüstri ölçüsünde plütonyum üreten dünyanın ilk nükleer reaktörü, 1944'te çalışmaya başladı.
Hanford'da nükleer tepkimeler sonucu açığa çıkan ısı, ırmak suyuyla soğutuluyordu. Bu konuda ikinci adım, açığa çıkan ısıdan yararlanabilecek bir nükleer reaktör kurmaktı. Ancak ısının yararlı güce dönüştürülebilmesi, daha yüksek sıcaklıklarda çalışma zorunluluğunu da getiriyordu.
A.B.D'nde ilk hedef, bir nükleer DENİZALTI yapmak oldu. 1955'te Nautilus denizaltısı denize indirildi. İngiltere'de de hem plütonyum, hem de elektrik enerjisi üretecek çift amaçlı bir proje olan «Calder Hail» reaktörü yapılmaya başlandı. S.S.C.B'nde ilk nükleer santral, 1954' te Obninsk'te çalışmaya başladı. Bundan sonraki 20 yıl içinde de 250 nükleer denizaltı ve endüstri amaçlı 120 nükleer santral işletmeye sokuldu.
Bir nükleer reaktör çalışırken, çevreye nötronlar saçılır. Bunlar, yakıt tarafından soğurulur ve ısı enerjisi açığa çıkar. Nükleer bir yakıt yanarken, kimyasal yapısı da değişikliğe uğrar.
Nötron, elektrik yükü olmayan bir taneciktir. Maddelerin derinliklerine girebilme özelliği taşır. Bazen, raslantısal olarak atom çekirdekleriyle çarpışır.
Çarpışma olduğunda, nötron, ya başka doğrultuya sıçrar ya da çekirdek tarafından tutularak bileşik çekirdekoluşturur.
Isıl reaktör: Düşük hızlı bir nötronun çekirdekle çarpışma olasılığı daha fazladır. Bu nedenle nötronun hızını yavaşlatmak gerekir. Nötronun hızı, ısıl reaktörlerde yavaşlatıcılar (moderatör) kullanılarak düşürülür. Nötronlar, yavaşlatıcı çekirdeklere çarptıkça yön değiştirirler; bu arada hareket enerjilerinin bir bölümünü de yitirdiklerinden hızları azalır. Yavaşlatıcı çekirdekler ne kadar hafif olursa, enerji aktarımı o kadar etkili olur. En çok kullanılan yavaşlatıcılar,grafit (kütlesi nötronun 12 katıdır) ile içinde hidrojen bulunan «hafif» sudur (kütlesi, yaklaşık olarak nötronun kütlesine eşittir). Hafif su (doğal su), etkili bir yavaşlatıcı olmasına karşılık, nötronların çoğunu yutar.
Nötronların yutulması, değişik çekirdekler için değişik sonuçlar doğurur. Doğal uranyum çekirdekleri iki türdür (İZOTOP) ve her izotop farklı sayıda tanecik içerir. % 99,3'ünde uranyum238 taneciği, % 0,7' sinde de uranyum 235 taneciği bulunur. Nükleer reaktörün çalışmasını, uranyum 235 sağlar.
Bir nötron, uranyum235 tarafından yutulduğunda, bir bileşik çekirdek olan uranyum236 ortaya çıkar. Bu çekirdek, bir süre durumunu koruyabilir, ama çekirdek bölünmesine (fizyon) çok yatkındır ve kolayca, kütleleri yaklaşık eşit olan iki, parçaya bölünür. Bölünme sonucu ortama, hızla hareket eden nötronlar saçılır. Kolayca bölündüğünden, uranyum235'e, «bölünebilir» malzeme denir.
Nötronun uranyum238 tarafından yutulması sonucu, uranyum239 bileşik çekirdeği ortaya çıkar. Bu çekirdek parçalanmaz, ama kendiliğinden radyoaktif
bir dönüşüme uğrar ve iki beta ışını salarak, çekirdeğindeki artı elektrik yükünü artırıp, plütonyum239a dönüşür. Plütonyum239, PERYODİK ÇİZELGE'de uranyumun da ötesinde bulunan ikinci bir elementin izotopudur. Bölünebilir bir malzemeye dönüştürülebildiği için uranyum238'e, «üretken» malzeme adı verilir. Nükleer reaktörlerde hem «bölünebilir», hem de «üretken» malzemeler, değişik ama önemli roller yüklenirler.
Her bölünmeden sonra, salınan ikiüç nötrondan hiç olmazsa bir tanesi bir sonraki bölünmeyi tetikleyebilirse, zincirleme tepkime sürer. Böylece, her bölünme için, bir ya da iki yedek nötron kalır. Nükleer reaktörde yedek nötronların bir bölümü, yavaşlatıcılar içine daldırılmış «denetim çubukları»yla soğurulur. Ötekiler, ya uranyum235 tarafından yutulur ya da yavaşlatıcı, soğutucu ve yapı malzemeleri arasında yitip giderler. Geri kalan nötronlar, «üretken» malzeme tarafında tutulur. Böylece yeni bölünebilir malzeme elde edilmiş olur.
Bazı ısıl reaktörlerde, doğal uranyum bileşikleri kullanılır. Ama genellikle, uranyum238'i uyarmak için, doğal uranyum bileşikleri, ayrıştırma işleminden geçirilir. % 24 arası uranyum235 içeren zenginleştirilmiş uranyum, reaktör tasarımcılarına büyük bir özgürlük sağlar.
Uygulamada, üretilen plütonyum239 çekirdeği sayısının, tüketilen uranyum235 çekirdeği sayısına oranı, ısıl reaktör için ' 1,' den küçüktür. Atom bombası yapımı için plütonyum gerekiyorsa, yakıt, sürecin ilk aşamalarından hemen sonra reaktörden çıkarılmalıdır. 35 yıl reaktörde bırakılan plütonyum239'un bir bölümü bölünür. Bir bölümü de, plütonyum240, 241 ve 242 gibi izotoplara dönüşür. Bunlardan yalnızca plütonyum241 bölünebilir malzemedir.
Toryum: Uranyum238'in bir bölümünün plütonyuma dönüşmesine karşılık, ısıl reaktörlerde, doğal uranyum stokunun yalnızca % 2'si bölünme işleminde kullanılabilir. Bu, pek verimli bir işlem değildir. Kullanılan yakıttan en üst ölçüde yararlanabilmek için, nükleer reaktörlerde yeniliklere gidilmiştir. Bunlardan biri, «üretken» malzeme olarak uranyum238 yerine, doğal olarak bir tek izotopu bulunan toryum232'yi kullanmaktır. Toryum çekirdeği, ısıl reaktör. işlemlerine plütonyum239'unkinden daha uygundur. Reaktör, toryum stokunun büyük bir yüzdesini yakıt olarak kullanabilir.
Hızlı üretken reaktör: Reaktörlerde gerçekleştirilen gelişmelerden biri de, hızlı üretken reaktördür. Bunlarda, bölünebilir malzeme olarak plütonyum izotopları, üretken malzeme olarak da uranyum238 kullanılır. Ayrıca yavaşlatıcı kullanılmaz. Hızlı nötronlarla çalışıldığında, plütonyumun Özellikleri daha olumludur: Bölünmez izotoplara dönüşme olasılığı azdır. Sonuç olarak, parçalanan her plütonyum çekirdeğine karşılık, birden çok uranyum çekirdeği plütonyum239'a dönüşür. Başka bir deyişle, başlangıçtaki plütonyum stoku büyümekte, bir anlamda «üremektedir». Önemli olan nokta, «hızlı üretken reaktörlerin», dünyadaki uranyum rezervlerinden, isıl reaktörlere oranla daha çok enerji üretebilmeleridir.
Atom çekirdeği artı yüklüdür. Bölünme olayı başladığında, bağ enerjisinin oluşturduğu çekim kuvveti etkisiz duruma gelince, çekirdek iki parçaya ayrılır. Parçaların her biri, artı yükün yarısını taşır. ELEKTROSTATİK itme kuvveti nedeniyle, bu parçalar, birbirlerinden hızla uzaklaşırlar. Bölünme sırasında serbest kalan enerjinin önemli bir bölümü, ortaya çıkan bölünme ürünlerinin hareket enerjisine harcanır. Tanecikler, çevredeki yakıt içinden çarpışmasız geçerken bile, taşıdıkları enerji, ısı biçiminde yayılır. Ayrıca, radyoaktif dönüşümler sırasında, parçalanma sonrası büyük ısı açığa çıkar.
Yakıt: Bazı reaktörlerde yakıt olarak uranyum kullanılır, ama uranyum oksit ve uranyum karbür çubuklar, yüksev sıcaklıklara daha iyi dayanırlar. Ayrıca bunlar, fizyon ürünlerinin birikimi bakımından da elverişlidir. Yakıt çubukları, ince çeperli metal borular içine yerleştirilir. Bazı düzenlemelerde «yakıt öğesi» adı verilen ve her biri 36 parçadan oluşan gruplar kullanılır. Çok yüksek sıcaklıklardaysa, metal borular yerine, grafit kaplamadan yararlanılır.
Yakıt öğeleri genellikle düşey kanallar içinde tutulur. Aralarından soğutucu malzemeler geçer. En çok kullanılan soğutucu malzemeler, karbon dioksit ya da helyum gazı, ağır (içinde normal hidrojen yerine döteryum izotopu bulunan) ya da hafif su ve erimiş sodyum metalidir. Reaktörde normal kaynama noktasının çok üstündeki sıcaklıklara ulaşıldığından, suyun sıvı durumunu koruması için, basınç, ya çok yüksek tutulur ya da yakıt öğeleri, dolaşan suyun buhar haline geleceği biçimde ayarlanır. Bu yöntemle oluşan buhar, reaktörden doğrudan TÜRBİN'e aktarılır.
Öteki soğutucu maddelerin de büyük basınç altında tutulması gerekir. Bir yöntemde, yakıt, yavaşlatıcı ve soğutucu bir basınç tankı içinde tutulur. Bir başka yöntemde de, soğutucu ve yakıt, yüksek basınç borularıyla birbirine bağlanır ve yavaşlatıcı, bu düzeneğin dışında bırakılır. Bütün reaktörlerde, çevrede çalışanları radyoaktiflikten korumak için betondan yapılmış, birkaç metre kalınlığında «biyolojik bir zırh»tan yararlanılır.
Nükleer artıklar: Biriken bölünme ürünlerinin bozucu etkisinden ötürü, yakıtın bir süre sonra reaktörden alınması gerekir. Ardından reaktör, birkaç ay «soğumaya» bırakılır. Bu arada radyoaktifliğinin bir bölümünü yitiren yakıt, sıkı bir korunma altında, yeniden işlenmesi için ilgili tesise taşınır. Orada, kimyasal ayrıştırma yoluyla, artıkta kalmış uranyum ve plütonyum çıkarılır.
İşlemler sırasında açığa çıkan kripton ve ksenon gibi bölünme ürünleri, doğrudan atmosfere bırakılır. Öteki ürünler, suyla karıştırılarak ya denize boşaltılır ya da yeraltına pompalanır. Radyoaktif artıklar, beton hücrelerde saklanan paslanmaz çelikken yapılmış büyük kazanlarda da depo edilebilir. Radyoaktif artıkların temizlenmesi için, bunların camsı maddelere dönüştürülmesi ve özenle seçilmiş jeolojik yapıların içinde saklanması önerileri de vardır.
Gelecekteki uygulamalar: Gelecekte, dünya elektrik enerjisi gereksiniminin önemli bir bölümünün nükleer reaktörlerden sağlanacağı sanılmaktadır. Nükleer reaktörler, endüstriyel tesisler için ısı da üretebilirler. Çelik üretiminin, deniz suyunun tuzunun giderilmesinin ve petrol yerine geçebilecek kullanımların, gelecekteki uygulama alanları arasında yeralacağı düşünülmektedir. Nükleer güçle çalışan yük gemileri, şimdilik deneme aşamasındadır (A.B.D'nin Savannah, Batı Almanya'nın Otto Hahn gemileri gibi), ama bunların ekonomik olacağı umulmaktadır. Nükleer reaktörlerin, uzayda elektrik enerjisi üretmede ve gezegenlere, gönderilecek insanlı uzay araçlarının güdülmesinde de kullanılması beklenmektedir.


Kaynak:4-cilt: 4

Nüve Forum » kütüphane » Bilim ve Teknoloji » Araçlar ve Gereçler »