Nükleer santraller Atom Bombası gibi patlar mı?

BİR NGS KESİNLİKLE BİR ATOM BOMBASI OLAMAZ

NGS olarak adlandırdığımız nükleer güç santrallerinde ısı enerjisi üretilen bölümüne kor denilir. Korda, uranyum atomunun çekirdeğinin nötronlarla parçalanması sayesinde bir miktar uranyumun enerjiye dönüşmesi sırasında çok büyük miktarda ısı enerjisi üretilir. Madde, enerjiye dönüştüğünde ortaya çıkan enerji E=mC2 bağıntısıyla hesaplanır. C, ışığına boşluktaki hızıdır. C için yaklaşık olarak 300 000 000 m/s değeri kullanılır.

1 kg uranyumun tamamının enerjiye dönüşmesi halinde ortaya çıkacak olan ısı enerjisi;

E= 1 kg .(300 000 000 m/s)2 = 90 000 000 000 000 000 J olacaktır.

E= 90 000 000 000 000 000 J x 0.238 kal/J = 21 420 000 000 000 000 kal = 21 420 000 000 000 kkal edecektir.

Piyasadaki en kaliteli ithal kömürün ısıl değeri 6500 kkal/Kg civarındadır. 1 kg uranyumun enerjiye dönüşmesi halinde ortaya çıkan ısı enerjisini elde edebilmek için yakmamız gereken en kaliteli ithal kömür miktarı;

Mk=21 420 000 000 000 kkal / 6500 kkal/kg=3 295 384 615 kg = 3 295 384 ton olacaktır.

Bu kadar kömürü taşımak için, her biri 30 ton çeken kamyon sayısı ise; n=3 295 384/30 = 109 896 kamyon olacaktır.

Atom bombasının yıkıcı gücünün kaynağı işe bu büyük miktarda ısı enerjisinden gelmektedir çünkü atom bombalarında yüzlerce kg uranyum kullanılır ve bütün kütle çok kısa sürede enerjiye dönüşür. NGS’lerde ise aynı işlemin kontrollü olarak devam etmesine izin verilir.

Her ikisi de aynı yakıtı kullansalar da, bir NGS’in bir atom bombası gibi patlayacağını iddia etmenin sadece iki nedeni vardır; cehalet veya iftira.

Bunu daha basit bir anlatımla, “Bir uçakla bir otomobil nasılsa aynı yakıtı kullanıyorlar, öyleyse otomobil de bir şekilde uçak gibi saatlerce havada uçabilir demek” kadar gerçeklere aykırıdır şeklinde açıklayabiliriz. Bu tür bir iddiaya ancak hayatında ne uçak ne de otomobil görmüş birisi inanabilir. Nükleer teknoloji karşıtlarının en büyük avantajı burada karşımıza çıkmaktadır çünkü hayatında bir kere olsun NGS gören kaç kişi vardır? “Nasılsa insanların çoğu bu NGS denilen şeyi görmemiştir, öyleyse biraz abartırsak kimse uyanmaz” diyerek abartıkça abartırlar.

Bu tür bir hataya düşmemek için bir NGS ile bir atom bombasının nasıl çalıştıklarını biraz olsun bilmek yeterlidir.

Öncelikle ana yakıt olan uranyumdan başlayalım. Uranyum doğada bileşikler halinde bulunan, görünüşü çeliğe benzeyen ama çelikten daha sert bir metaldir. Özkütlesi kurşundan bile daha büyük olduğu için zırh delici mermi yapımında sıkça kullanılmaktadır.

Doğal uranyumun izotopları ve bulunma oranları sırasıyla 238U % 99.2, 235U % 0.72 ve 234U % 0.0055 şeklindedir. Ayrıca nükleer reaktörlerde 232U, 233U ve 236U izotopları üretilebilir.

1000 gram metal uranyum alırsak, bunun yaklaşık 7.2 gramı ışınetkin (radyoaktif) 235U, 992.8 gramı da kararlı olan diğer bütün izotopların toplamı olacaktır. Kısacası 1000 g uranyumun ancak 7.2 gramı atom bombasında veya NGS’lerde yakıt olarak kullanılabilir diyebiliriz.

Uranyumun izotoplarından sadece 235U çekirdekleri nötronlar tarafından parçalanabildiği için, 235U izotopun diğerlerinden ayrılması gerekir. Bu işleme zenginleştirme denilir. NGS’lerde %1 ile %5 arasında zenginleştirilmiş uranyum kullanılırken, Atom bombalarında en azından %80 civarında zenginleştirilmiş uranyum gerekmektedir.

Benzer şekilde kalorifer kazanlarında yakıt olarak kullanılan fueloil ile jet yakıtlarını kıyaslayabiliriz. Aslında fueloil ile jet yakıtının kimyasal yapısı aynıdır. Her ikisi de alkanlar denilen hidrokarbon bileşikleridir ve her ikisi de ham petrolün içinde bulunur. Alkanların genel formülleri CnH2n+2 olarak tanımlanmış hidrokarbonlardır.

Bir hidrokarbon molekülü yanıcı iki element olan hidrojen ve karbon atomlarından oluştuğu için oksijen ve sıcaklık olan her ortamda yanabilir. Molekül boyutu (n sayısı) büyüdükçe hidrokarbonların yoğunluğu ve verdiği ısı miktarı artar.

Yeraltında depolanmış halde bulunan ham petrolün içindeki en küçük moleküllü gaz olan metan (CH4) zamanla ham petrolden ayrılıp üst kısımda toplanır. Yeraltına açılan kuyulardan önce “doğalgaz” olarak bilinen metan gazının çıkması bu yüzdendir.

Yeraltından çıkartılan ham petrol ısıtıldığında ilk önce en küçük moleküllü olan metan, etan, propan, bütan ve pentan gibi gaz yakıtlar karışımdan ayrılır. Metan, etan karışımı piyasaya “otogaz” olarak verilen gazdan başkası değildir. Diğer gazlar ise piyasada “tüpgaz” olarak satılanlardır.

Daha sonra biraz daha büyük moleküllerden oluşan uçak benzini ayrılır. Isıtma işlemi devam ettikçe, küçük moleküllü olanlardan başlamak üzere sırasıyla benzin, gazyağı, motorin, fueloil gibi yakıtlar karışımdan ayrılmaya başlar. En sonunda karışımda çok büyük moleküllerden oluşan zift kalır.

Ham petrol ısıtıldıkça ilk önce küçük moleküllü alkanlar karışımdan ayrılacağı için, ham petrol küçük moleküller açısından fakirleşirken büyük moleküller açısından zenginleşir. Benzer şekilde küçük moleküllü alkanlar bakımından uçak benzini motorinden, motorin fueloilden daha zengindir diyebiliriz.

Küçük moleküllü alkanlar çok kolay yandığı için uçak benzini olarak kullanılır. Büyük moleküllü fueloil gibi alkanlar ise ancak kalorifer kazanlarında yakılabilir. Herkes bilir ki; uçaklar ancak uçak benzini ile çalışırken, kalorifer kazanları fueloil ile çalışır.

“Uçak benzini ile fueloilin kimyasal yapıları ve kaynakları aynıdır bu yüzden bir uçak motoru fueloil ile çalışabilir ya da bir kalorifer kazanında uçak benzini de yakılabilir” demek konuyu saptırmaya bir örnekse, böyle diyen birine inanmak da konuyu bilmeden her denilene kanmaktan başka bir şey değildir.

Benzer şekilde yüksek oranda zenginleştirilmiş uranyum kullanılan bir atom bombasıyla çok düşük zenginlikte uranyum kullanan bir NGS’nin aynı olduğunu, bir NGS’nin de bir atom bombası gibi patlayacağını iddia etmenin iki nedeni vardır;

1-cehalet

2-iftira

Zenginleştirme işleminin tersine seyreltilme denilir. İngilizcesi “dilute” olan bu kelime Türkçeye “dilute” kelimesinin karşılığı olan “sulandırma” olarak geçmiştir. Bilindiği gibi “sulandırma” içinde su olan bir karışıma daha çok su katma işlemidir. Mesela; koyu olan çorbaya su katılarak “sulandırma”, ya da fazla katılaşmış reçele su katarak “sulandırma” gibi.

Atom bombası ve NGS’lerde ısı enerjisi kaynağı olan uranyum atomları çekirdeğinin nötronlarla parçalanması olayına dönersek; bir nötron, bir uranyum atomuna çarpınca neler olacağını anlayabilmek için ilk önce şöyle bir soruya nasıl cevap verebileceğimize bakalım. Sorumuz “Bir saçma tanesi bir cama değerse, cama ne olur?” şeklinde olsun

Birçoğumuz “camı kırar” derken bazılarımız da “camı delip geçer” diyebilir. Her iki cevap da yanlıştır çünkü üçüncü bir ihtimal daha vardır.

1-Eğer saçmayı elimize alıp, bir cama doğru yavaşça atarsak ve cam da yeterince kalınlıktaysa cama hiçbir şey olmaz.

2-Saçma tanesini elimize alıp cama doğru hızlıca fırlatırsak, saçma camı kırıp dağıtabilir.

3-Saçma tanesini bir fişeğin içine yerleştirip tüfekle atarsak, saçma tanesi camı parçalamadan delip geçebilir.

Yukarıdaki cam ve saçma örneğinde olduğu gibi bir nötron da aynı şekilde bir uranyum atomuna çarptığında, çok hızlı ise atomun çekirdeğini parçalamadan delip geçebilir, çok fazla hızlı değilse atomun çekirdeğini parçalayabilir veya hızı çok az ise çekirdeğe hiçbir şey yapamaz.

Zincirleme Reaksiyon

NGS’lerde veya atom bombalarında çok büyük miktarlarda ısı enerjisi elde edebilmenin sırrı bu olaydadır. Eğer bir nötron bir uranyum çekirdeğini parçalayabilirse, genellikle iki farklı atom ve ortalama olarak 3 kadar yeni nötron oluşur. Oluşan 3 nötron 3 çekirdeği parçalarsa 9 nötron oluşur. 9 nötron 9 çekirdeği parçalarsa benzer şekilde 37 nötron oluşturur. Zincirleme reaksiyon dediğimiz bu işlemin sonucu atom bombasıdır. Çok kısa sürede bütün kütle enerji dönüştüğü için ortaya çok büyük miktarda ısı enerjisi çıkar. Atom bombasının yıkıcılığı buradan gelir.

Zincir reaksiyonunun frenlenebilmiş (KONTROL EDİLEBİLEN) hali NGS’lerde ısı kaynağı olarak kullanılır. Zincir reaksiyonları mikroskoplarla bile görülemeyecek kadar çok küçük olan atomların merkezinde, atomdan 100 000 kat daha küçük bir çekirdekte oluştuğu için, doğal olarak kontrol edilmesi ileri teknoloji gerektiren bir işlemdir. Her aklına esenin NGS yapamamasının nedeni budur.

NGS ile atom bombasının çalışma prensipleri farklı olduğu kadar kullandıkları uranyum da farklıdır.

BİR ATOM BOMBASI NASIL ÇALIŞIR?

Atom bombaların yapımında yüksek zenginlikte (%80’den fazla) uranyum (235U) veya plütonyum (239Pu) kullanılır. Günümüzde üretilen bombalar daha çok plütonyum içeriklidir. Bu yüksek zenginlikte malzeme, zenginleştirme tesislerinden ya da nükleer reaktörlerden elde edilmektedir.

Zincirleme çekirdek tepkimesinin gerçekleşmesi için, mevcut 235U veya 239Pu miktarının “kritik kütle” adı verilen seviyede ya da üstünde olması gerekmektedir. Bunun sağlanabilmesi için belli miktardaki kütlenin belli bir hacimde olması gereklidir. Gereken en az kütleye “kritik kütle”, hacime de “kritik hacim” denir. Kritik kütle kritik hacimde olmadığı süre, atom bombası patlatılamayacaktır.

Atom bombası parçalarının yerleştirildiği kapalı çelik kabın içine kritik kütle sağlanacak miktarda 235U veya 239Pu parçalar halinde ve ayrı bölümlerde yerleştirilir. Böylece kritik hacim şartı sağlanamaz ve bu sayede bomba beklerken ya da taşınırken tamamen güvenli bir şekilde durur.

Atom bombasında patlamanın gerçekleşmesi için nükleer malzeme dışında iki ayrı önemli bölüm daha vardır. Bunlardan biri tetiklemeyi yapacak olan fünye diyebileceğimiz parçadır. Genelde dinamit gibi patlayıcılar kullanılır. Bombanın patlaması için ilk önce bu az miktardaki patlayıcı ateşlenir. Patlamanın etkisi ile dağınık nükleer malzeme bir araya gelerek kritik hacme ulaşır. İkincisi ise nötron saçan nötron kaynağıdır. Artık kritik kütlede ve hacimde olan malzemede zincir reaksiyonu başlayabilir hale gelmiştir.

Yüksek oranda “%80’den fazla” zenginleştirilmiş uranyumun içine nötronlar gönderildiğinde, oluşan birinci nesil nötronlar çok fazla hızlı oldukları için başka uranyum çekirdeklerini parçalayamadan delip geçerler. İlk önce oluşan hızlı nötronları yeterince yavaşlatmak için uranyumun içine nötron yavaşlatıcı “moderatör” denilen maddelerden katılmış olmalıdır.

Nötronlar maddelerin içinden çok kolayca geçip gittiklerini daha önce söylemiştik. Bu özellikleri nedeniyle ilk reaksiyon sonucunda oluşan 3 kat fazla sayıda nötronun çok büyük bir kısmı diğer çekirdekleri parçalayamadan uranyumun dışına kaçıp gider. Dışarı kaçan nötronların içeriye geri yansıtılmaları için, patlayacak olan uranyum bloğunun etrafına da ayrıca nötronları geri yansıtan başka malzemelerden, genellikle ağır metaller” kalın yansıtıcılar yerleştirilmiş olması şarttır.

En küçük bir atom bombası yapmak için an azından 3 kg “yarım çay bardağı kadar” çok zengin uranyum gerekirken, ortaya kocaman bir bomba çıkmasının nedeni bu eklemelerdir. Son olarak bütün bu bileşenlerin içine konulacağı sağlam bir çelik kabı da işe katarsak, atom bombamız yüzlerce kg ağırlıklara kadar ulaşacaktır. Öyle filmlerdeki gibi, iki baldırı çıplak teröristin bir yerden birkaç kg uranyum çalarak çantada taşınabilen bir atom bombası yapmalarının hayal olmasının sırrı da buradadır.

Bir NGS’de ise temelde işlemler aynı olmakla beraber, birçok farklılıklar mevcuttur. Bu farklılıklar nedeniyle hiçbir NGS, bir atom bombası gibi ne kendi kendine patlayabilir, ne de istenilerek dahi olsa patlatılabilir.

Düşük zenginlikte “%1 ile %5 arası” veya doğal uranyumu yakıt olarak kullanan NGS’lerinde ana prensip, zincir reaksiyonunun hızını kontrol edebilmektir. Zincir reaksiyonunu 100 nötronla başlatmışsak, ilk parçalanmada yaklaşık 300 nötron oluşacağından bunların 200 tanesinin diğer atomlarla çarpışmamasını sağlayabilirsek, ilk reaksiyona giren 100 nötron sonucunda yine 100 nötron oluşur. Zincir reaksiyonun kontrol edilmesinin prensibi budur. 100 nötron uranyum çekirdeklerine çarpıp onları parçaladığında, 100’den fazla nötron oluşuyorsa, reaksiyon hızlanır, 100’den az nötron oluşuyorsa reaksiyon yavaşlar.

Fazla olan nötronların sayısını azaltmak için ya bunların kor dışına kaçmasına izin verilir, ya da kor içine nötronları daha çok çeken bazı maddeler sokulur. Kontrol çubuğu dediğimiz bu parçalar korun içine sokulduğunda oluşan nötronları yutacakları için atomlara çarpıp onları parçalayacak nötron sayısı hızla azalır.

Ana Hatlarıyla Bir NGS

Resimdeki gibi basitleştirilmiş bir şema üzerinde bir NGS’nin parçalarını ve nasıl çalıştığını anlayabiliriz. Kor (C) denilen kapalı kısımda uranyum atomunun çekirdekleri maddeye dönüşerek çok büyük miktarda ısı enerjisi oluşturur.

Şekildeki kırmızı ile gösterilen borulardan çok fazla ısınmış olarak kordan alınan su, buhar üreticisine (D) gider ve oradaki suyu kaynatarak tekrar korun içine geri döner. Bir miktar radyasyon içeren birinci devredeki su, sistemden dışarı çıkartılmaz. Kor ile buhar üreticisi arasında kapalı devrede dolaştırılır.

Nükleer kazalarda en can sıkıcı durum, birincil devrede çok yüksek sıcaklıklarda dolaştırılan ve radyoaktivite içeren suyun dışarı sızmasıdır. Bu tür sızmaların önlenebilmesi birçok yöntem geliştirilmiştir.

Büyük NGS’lerde kor ve yardımcı sistemleri paslanmaz çelikten yapılmış çok sağlam kabların içine (B) alınmıştır. Daha sonra bunların hepsi 1-2 metre kalınlıktaki beton fanuslar içine yerleştirilir. Bazı NGS’lerde koruma kabı denilen bu fanuslar iç içe geçer şekilde iki tane yapılmıştır. Herhangi bir kaza anında veya korun kontrol edilemediği her durumda koruma kabı kapakları kapatılır ve reaktör ölüme terk edilerek çevreye zarar vermesi önlenebilir.

Amerika’daki en büyük nükleer kaza olan (Three Mile Island NGS) korun aşırı ısınması sonucu oluşan kor erimesi kazasında, böyle bir koruma kabı olduğu için sadece kimse ölmemiş ve kor kontrolden çıkınca koruma kabı kilitlenip, reaktör kapatılabilmiştir.

Koruma kabı olmayan başka bir NGS olan Çernobil’deki reaktörde aynı tür bir kaza sonucunda o meşhur Çernobil kazası meydana gelmiştir.

Dünya tarihinin benzer iki nükleer kazası olan Three Mile Island kazasında kimseye bir şey olmamışken, Çernobil’deki kazada daha çok kişinin ölmesinin tek sebebi, Çernobil’de bu tür bir koruma kabının olmamasıdır.

NGS’nin çalışma sistemine devam edersek; buhar üreticisinde oluşan yüksek sıcaklıktaki su buharı buhar türbinlerine giderek, türbini çalıştırdıktan sonra yoğuşturucuya (I) gönderilerek biraz daha soğutulur ve buhar üreticisine geri döner. İkinci devre dediğimiz bu sistemdeki su da, buhar üretici ile yoğuşturucu arasında kapalı devrede dolaştırılır. Türbin çalıştığında türbine bağlı olan jeneratör elektrik üretmeye başlar. Üretilen elektrik dışarıya gönderilir.

Son devre olarak göl, ırmak veya denizden alınan soğuk su yoğuşturucuya pompalanarak, buradaki fazla ısı enerjisi alınır ve denizden alınan su, biraz ısınmış olarak geri gönderilir.

Radyasyon içeren birinci devre ile temiz olan ikinci ve üçüncü devrelerin birbirinden ayrılmasının amacı, radyasyonun kordan dışarı çıkmasını önlemek içindir.

Acil durum Kalp “kor” Soğutma Sistemi denilen bölmede ise çok miktarda soğuk su depolanmıştır. Reaktörün kalbi de denilen korda aşırı ısınma olursa buradaki çok miktardaki soğuk su, koru acil olarak soğutmak amacıyla kullanılabilir.

Sonuç olarak, bir NGS’nin neden bir atom bombası gibi kendi kendine patlayamayacağını veya istenilse dahi patlatılamayacağını özetlemek gerekirse;

1-NGS’lerde düşük zenginlikte “%1 ile %5 arasında” veya doğal uranyum kullanılırken, atom bombalarında %80'den fazla zenginleştirilmiş uranyum kullanılmaktadır. Her ikisinin yakıtları çok farklıdır. Birinin yakıtı ile diğeri kesinlikle çalışamaz.

2-Atom bombalarında, nötronları yavaşlatan, yavaşlatıcı (moderatör) dediğimiz malzemeler, uranyumun içine katıldığı için bunların nötronları yavaşlatma etkileri sabittir. NGS’lerinde ise yavaşlatıcılar genellikle su gibi akışkanlar olduğu için bunların miktarlarının değiştirilebilmesi sayesinde etkileri de her zaman kontrol edilebilir.

3-Atom bombalarında nötronların sayısını azaltmak için hiçbir düzenek yokken, NGS’lerinde çekirdekleri parçalayacak olan nötronların sayısını azaltmak için bir birinden bağımsız çalışan iki ayrı düzenek vardır. Bunlardan biri çok hızlı nötron yutan kontrol çubukları, diğeri yine çok hızlı nötron yutan bor elementinden yapılan borik asittir. Kontrol çubukları korun içine ne kadar çok sokulursa, o kadar çok nötronu, çekirdekleri parçalayamadan yuttukları için ortamdaki nötron sayısı devamlı olarak azalır. Bu işlem sonunda korda üretilen enerji devamlı olarak azalır. Yani reaktör yavaşlatılır.

Kontrol çubuklarının çalışmaması veya yetersiz kalması halinde, bu sefer korun içinden geçen kanallara borik asit gönderilir. Borik asit de aynı kontrol çubuklarının yaptığı işi yaparak reaktörü yavaşlatır.

Her iki sistem birbirinden bağımsız çalıştıkları için bir NGS hiçbir zaman, ne bir atom bombası gibi kendiliğinden patlayabilir, ne de istenilse de patlatılamaz.

Not: İTÜ’de çok kıymetli bir hocamız bu durumu şöyle özetlemişti. “Kırk tane iğneyi üst üste dizip, en alttakini parmağınızın ucunda tutarak hepsinden belki bir çubuk oluşturabilirsiniz ama bu kırk iğneden oluşan çubuğu yan yatırarak mızrak gibi atamazsınız.” Ne güzel bir benzetme değil mi?