NÜKLEER REAKTÖR:

         Uranyum atomlarının serbest nötronlarla dövülerek bölünmesi daha çok nötronun oluşmasına neden olur ve buda zincirleme biçimde yeni çekirdek bölünmelerine yol açar. Bu tür kritik tepkimeyi başlatacak en küçük uranyum parçasına kritik kütle denir. Eğer, her ikisi de kritik kütleden daha küçük iki uranyum parçası, kritik kütleden daha büyük bir parça oluşturacak şekilde bir araya getirilirse, bunun sonucunda olağanüstü boyutta bir patlama olur. Atom bombasının yapımı buna dayanır.

         Ama bir zincirleme tepkime nükleer reaktörde denetim altına alınabilir. Bu tür ilk reaktörü 1942’de İtalyan asıllı ABDli bir fizikçi Enrico Fermi, Chicago Üniversitesi’nde kurdu; kendi kendine ilerleyen ilk yapay zincirleme tepkime de burada gerçekleştirildi. Bu reaktörde zincirleme tepkimenin gerçekleştirildiği bölüme reaktör kalbi adı verilmişti; katışıksız bir karbon türü olan karbondan yapılmış reaktör kalbinin içine, ince alüminyum kalıpları içine yerleştirilmiş uranyum metali çubukları daldırılmıştı. Bir çubuktan salınan nötronlar, grafitteki karbon atomlarıyla çarpışarak yavaşlıyor ve yeniden başka bir çubuğa giderek bölünme tepkimesini sürdürüyordu. Kullanılan malzemelerin o günden bugüne oldukça değişmesine karşılık, bir zincirleme çekirdek tepkimesini denetim altında tutmanın temel ilkeleri, 1942’de Fermi’nin uyguladıklarıyla hemen hemen aynı kaldı.

NÜKLEER ENERJİ SANTRALLERİ:

         Nükleer enerji santralleri, kömürle çalışan termik santrallerden pek farklı değildir. Termik santrallerde kömür yakılarak su kaynatılır, böylece elde edilen buhar gücüyle bir türbin döndürülür ve türbin elektrik üretir. Nükleer enerji santrallerinde ise, gerekli ısı atomların bir reaktörde bölünmesiyle üretilir.

Reaktör tipleri:

         Kullanılabilir miktarda enerji üreten ilk reaktörler 1950’lerde İngiltere’deki Calder Hall’da kuruldu. Bu reaktörler askeri amaçta plütonyum üretmek ve nükleer enerji konusunda deneyim kazanmak için kurulmuştu; bunlarda elektrik üretimine 1956’da başlandı. Bu reaktörlerin yavaşlatıcıları Fermi’de olduğu gibi grafitti; yakıt olarak, magnezyum alaşımından bir kap içine yerleştirilmiş doğal uranyum metali kullanılıyor ve sistem basınçlı karbondioksitle soğutuluyordu. Tepkime sırasında oluşan ısıyı emen karbondioksit bunu ısı değiştiricilere taşıyor ve ısı burada, elektrik üretmeye yarayan turbo-alternatörleri çalıştıracak buharı elde etmek için kullanılıyordu. Bu reaktörlere magnox tipi reaktör denilirdi; daha sonra bunların benzeri başka reaktörler yapıldı ve Geliştirilmiş Gaz Soğutmalı Reaktör (AGR) tipi ortaya çıktı.

         1950’lerin başında ABDli bilimciler, denizaltılar da güç kaynağı olarak kullanmak üzere küçük reaktörler geliştirme çabasına gittiler. ABDli yetkililerin elinde çok miktarda zenginleştirilmiş uranyum (U-235 oranı arttırılmış uranyum)  vardı; yavaşlatıcı  grafit yerine su kullanmayı düşündüler. Aslında su nötronları soğurur, yani içinde tutar ve zincirleme tepkimeyi sürdürmeye yarayan nötronların sayıca azalmasına neden olur; ama nötronları yavaşlatmakta grafitten daha etkilidir. Denizaltılar için küçük reaktör yapmayı başaran ABDli bilimciler daha sonra, ucuz elektrik üretebilecek bir reaktör geliştirmenin yollarını aradılar. Bu araştırmaların sonucunda iki ana reaktör tipi tasarımı geliştirildi. Basınçlı Su Soğutmalı Reaktör (PWR) ve  Kaynar Sulu Reaktör (BWR).

         PWR tipi reaktörlerde yakıt olarak, yaklaşık % 3 oranında U-235 içerecek biçimde zenginleştirilmiş ve özel alaşımdan yapılmış bir kutu içine yerleştirilmiş uranyum di oksit kullanılır. Yavaşlatıcı ve soğutucu olarak da sudan yararlanılır. Pompalanan su önce reaktörde dolaştırılır, sonra ısı değiştiricisine aktarılır; reaktörde ısınan su, ısı değiştiricisindeki ikinci su devresinde buhara dönüştürülür ve buhar elektrik üreten türbinleri çalıştırır. BWR tipi reaktörlerde, reaktörün kalp bölümü yani zincirleme tepkimenin oluştuğu bölüm PWR ın aynısıdır; ama bunlarda ikinci su sistemi yoktur ve reaktörün soğutma devresinden çıkan buhar doğruca tribünlere beslenir. Nükleer enerji üretmekte olan ülkelerin pek çoğunda PWR yada BWR tipi reaktörler kullanılır.

Reaktörün İçi:

         Modern nükleer reaktörlerde, yakıt elemanları olan uranyum çubukları reaktörün içine demetler halinde yerleştirilir. Çubuklar kafes biçiminde düzenlenir; böylece soğutma sıvısı yada gazının bunların arasından akarak ısıyı emmesi ve taşıması sağlanır. Yakıt elemanlarının arasındaki kanallara, kolayca nötron soğurabilen ve böylece zincirleme tepkimeyi durdurabilen bir madde (örneğin bor dan) yapılmış denetim çubukları yerleştirilir. Bu çubuklar bulundukları kanallarda yükselip alçalarak enerji üretim miktarını denetim altında tutabilir. Bütün yakıt elemanları ve denetim çubukları yavaşlatıcıya gömülmüş durumdadır. Yavaşlatıcı olarak grafit, su yada ağır su (Döteryum bakımından zengin su) kullanılabilir. Reaktörün bu kalp bölümü, çekirdek bölünmesi sonucunda ortaya çıkan ışınımın (radyasyonun) dışarıya sızmasını engellemek amacıyla çok kalın bir beton yada çelik kalkanlarla çevrilir.

Hızlı Reaktörler:

         Her uranyum çekirdek bölünmesi sırasında iki yada üç nötron serbest kalır. Oysa zincirleme çekirdek tepkimesini sürdürmek için bunların birine gerek vardır ve sonuçta çok sayıda nötron yedek olarak kalır. Yedeklerin bazıları kaçar; ama bunlar reaktör kalkanı, yavaşlatıcı ve çekirdeği bölünmeyen U-238 tarafından tutulur. geriye kalanlar denetim çubuklarıyla temizlenir.

         U-238’de tutulan nötronlar bu uranyum izotopunun çekirdeği bölünebilir plütonyuma dönüşmesine neden olur. Plütonyum bir atık değil, potansiyel değeri uranyumdan daha fazla olan bir yakıttır. Oluşan plütonyumun bir bölümü, ısı üreten (termik) reaktörlerde çekirdek bölünmesine uğrar, ama kalanı, kullanılmış yakıtın yeniden işlenmesi sırasında ayrılıp geri kazanılabilir. Ayrılan bu plütonyum taze yakıt çubukları haline getirilebilir ve hızlı reaktörlerde kullanılabilir. Bu tür reaktörlerin yavaşlatıcıları olmadığı için, bunlarda nötronların yavaşlatılması söz konusu değildir. Ama plütonyum çok tehlikeli bir maddedir ve taşınırken büyük özen gösterilmesi gerekir.

         Hızlı reaktörlerde aynı miktarda uranyumla, konvansiyonel ısıl reaktörüne oranla 50-60 kat daha fazla enerji üretilebilir. Hızlı reaktörlerde, ısıl nükleer reaktörlerinden bir yan ürün olarak çıkan plütonyum yakılabildiği gibi, çekirdeği bölünebilir olmayan ve ısıl reaktörlerde yakılamayan U-238 de plütonyuma dönüşebilir; bu nedenle bu tip reaktörlere Hızlı Üretken Reaktör de denir.

         İlk ticari amaçlı hızlı reaktör Fransa’nın güneybatısındaki Creys-Malville’de kuruldu; Super Phenix (Süper Anka) adı verilen bu reaktörlerde soğutucu olarak sıvı sodyum kullanılmaktadır. Rusya ve İngiltere’de elektrik enerjisi üreten hızlı reaktörler vardır. 

NÜKLEER ENERJİNİN COĞRAFYASI:

         İkinci Dünya Savaşı’nın hemen ertesinde atom pilleri çalışmaya başlamakla birlikte ilk nükleer santral olan Calder Hall ancak 1955’te hizmete girebildi ve bu model kısa sürede ABD, Rusya ve Fransa’da uygulandı. On beş yıl  süreyle ilerlemeler sürekli olmakla birlikte büyük bir atılım göstermedi çünkü üretim maliyetleri yüksekti ve petrol kullanarak üretilen elektrik daha uygun fiyatlarla elde ediliyordu. 1974’te petrol krizinin başlaması üzerine nükleer enerji kökenli üretim 239 Twsa’ya çıktı. 1980’li yıllarda 920 Twsa’ya 1990’da ise 2003,5 Twsa’ya ulaştı. Bu durum hem nükleer kaynaklı enerjinin KWsa’ının maliyet fiyatlarındaki düşüşü ve petrol fiyatlarındaki artışa ve hem de çevre-bilimcileri korumacı etkinliklerine karşın termik santrallerde giderek daha fazla kömür yakılmasına bağlı olarak oluştu. 1981’de toplam elektrik üretiminde nükleer enerjinin payı 1981’de %10 eşiğini aştı ve 1989’da %17’ye erişti.

         Nükleer enerji üretiminde 30 kadar ülkenin payı vardır. Elektrik akımı küçük sayıda işletmede elde edilmektedir; bu işletmeler kurulu gücün ardışık büyümelerini yansıtan birçok dilimden oluşur. 1992 sonunda dünyada 172’si Avrupa’da 133’ü Kuzey Amerika’da 45’i eski Sovyet Cumhuriyetlerinde 42’si Japonya’da 26’sı Asya’da 3’ü güney Amerika’da ve İkisi de Afrika’da olmak üzere toplam 423 dilim hizmet görmekteydi. Toplam kurulu güç 300000 MW ’a yaklaşıyordu. Eskimiş kabul edilen küçük işletmeler hala çalışmakla birlikte, günümüzde, yılda 6 ile 10 TW ’lık enerji üreten 900 ile 1300 MW ’lık yeni dilimler hizmete girmiştir: Büyük bir nükleer santral yılda 25 Twsa ’dan fazla enerji üretir.

         Nükleer santrallerin çok büyük miktarlarda soğutma suyuna gereksinimleri vardır: bu nedenle debisi bol ve kararlı akarsuların kıyısına (Loire, Rhone, Ren, Volga) ve son yıllarda deniz kıyılarında kurulmaktadır. Uranyum gereksinimi düşüktür ama bu yakıt göreli enderliği, yüksek maden arama maliyetleri ve yerinde zenginleştirilmesi gereken cevherdeki düşük oranı yüzünden masraflıdır. Bu tür işletmeler için gerekli yatırımlar yüksek olsa da petrol fiyatlarındaki artış ve enerji verimlerinin iyileştirilmesi, bunları rekabet edebilir duruma getirmiştir: örneğin, 1980’de Fransa’da Kwsa nükleer kaynaklı elektrik enerjisinin maliyet fiyatı petrolden elde edilenin 1/3 ‘ü ve kömür ile üretilenin yarısıdır.

         Nükleer santraller diğer yönden yüksek elektrik tüketimi olan bölgelerin yakınına kurulmaktadır. Kuzey Amerika’da işletmelerin büyük çoğunluğu ABD’nin doğusundadır. Michigan Gölü kıyıları ve doğu kıyıları, Maine’den Chesapeake koyuna, Filorida’nın Güney Kıyısı. Batı Avrupa’da santraller Po, Orta Loire, Meuse ve özellikle Rhone ile Orta Ren boyunca çalışmaktadır. Başka santrallerde İngiltere, İspanya kıyılarında, İsveç’in ve Finlandiya’nın güneyinde hizmet görmektedir. Büyük santraller Elbe ve Weser  haliçlerinde (Almanya) ve Fransa kıyılarında devreye girmiştir. Japon santralleri bütün kıyılarda, bir kısmı başka enerji santrallerinde yoksun batı kıyısında daha güçlü olan diğerleri güney kıyısında büyük yerleşim merkezleri yakınında kurulmuştur. Rusya’da en önemli santraller Sen-Petersburg yakınında Ukrayna’daysa batı Ukrayna bozkırlarında yer almaktadır. Bu enerji üretim biçimini çok süratli büyümesi yakıt rezervleri bakımından problemler yaratmakla kalmamakta, çevre için de endişe verici olmakta ve bu konu özellikle 1986 Çernobil faciasından beri dünyanın her köşesinde kamuoyunun tepkisine neden olmaktadır.