Nükleer Atık: Nedir ve Nasıl Bertaraf Edilir?

Nükleer atık. Hepimiz bunu duymuşuzdur ama tam olarak nedir ve neden bu kadar önemlidir? Çözümü olmayan bir sorun mu? Ne kadar büyük bir sorun? Bugün öğreneceksiniz.

"Nükleer atık" terimi, çoğu zaman paslanmış tankların nehirlere ve toprağa sızan, yakınlardaki şehirlerde kansere ve hastalıklara yol açan parlak yeşil radyoaktif maddeleri veya belki de mutasyona uğramış yaratıkların bu şehirleri yok ederek ortalığı kasıp kavurmasını akla getiriyor.

Ancak dünya fosil yakıtlara olan bağımlılığını azaltmaya doğru ilerledikçe, nükleer enerji küresel enerji karışımında giderek daha önemli bir rol oynayacaktır. Bu, popüler tasvirlerin ötesine geçerek nükleer atığın gerçekte ne olduğunu, ne gibi riskler taşıdığını ve nasıl yönetilebileceğini anlamayı önemli kılmaktadır.

Ayrıca şunu da okuyun: Uçtan Uca Şifreleme: Nedir ve Nasıl Çalışır?

Nükleer atık nedir?

Basit bir ifadeyle nükleer veya radyoaktif atık, nükleer reaktörlerin, yakıtın yeniden işlenmesinin, silah üretiminin, tıbbi tesislerin ve araştırma laboratuvarlarının işletilmesinden kaynaklanan yan ürünleri ifade eder. Ancak bu terim çok çeşitli atık türlerini kapsamaktadır. Nükleer atığı benzersiz kılan şey, özelliklerinin zaman içinde önemli ölçüde değişmesi, bir atık biçiminden diğerine geçiş yapmasıdır.

Yani cevap basit değil ama belki de başlamak için en iyi yer, nükleer atıkların en tanıdık ve ciddi biçimidir: sivil nükleer reaktörlerin işletilmesiyle üretilen yüksek seviyeli atık.

Nükleer atık nasıl üretilir?

Çoğu nükleer reaktörde yakıt, yakıt çubukları ısı salınım elemanlarında bulunur. Bu çubuklar, bir yakıt çekirdeğinden, radyasyona dayanıklı bir metal kaplama ve uç kapaklar. Yakıt çubuğu tipi, reaktör tipine, amaçlanan amacına ve soğutma parametrelerine bağlıdır. Çoğu modern endüstriyel reaktörde yakıt çubuğu yaklaşık 2 cm çapında ve birkaç metre uzunluğunda bir silindirdir. Bu çubuklar, yüksek oranda bölünebilir izotop uranyum-235 içeren zenginleştirilmiş uranyum içerir. Elementler içine yerleştirilir metal alaşımlı borular, çubukları oluşturur ve daha sonra demetler halinde gruplandırılır. Toplu olarak, bu düzenek bir yakıt düzeneği olarak adlandırılır.

Bir nükleer santralin işleyişi zincirleme bir nükleer reaksiyona dayanmaktadır. Önce nükleer enerji termal enerjiye, ardından termal enerji mekanik enerjiye, son olarak da mekanik enerji elektrik enerjisine dönüştürülür. Nükleer enerjinin termal enerjiye dönüşümü, uranyumun fisyonunun önemli miktarda ısı açığa çıkardığı reaktörün çekirdeğinde meydana gelir. Reaktörün yakıtı, yakıt çubuklarında bulunan zenginleştirilmiş uranyumdur.

Yakıt çubuklarındaki uranyum bir radyonükliddir - radyoaktif bozunmaya uğrama yeteneği veren kararsız bir çekirdeğe sahip bir madde. Çekirdek bozundukça, enerji açığa çıkaran ve 1 ila 8 nötron üreten iki fisyon parçasına ayrılır. Yüksek hızlarda hareket eden bu nötronlar, komşu çekirdeklerle çarpışır ve sonraki fisyonları tetikler. Yakıt konsantrasyonu yeterince yüksekse, bu kendi kendini sürdüren bir nükleer zincir reaksiyonuna yol açar.

Üretilen fisyon parçalarının yüksek bir kinetik enerjisi vardır ve bu enerji diğer elementlerin atomlarıyla çarpışmalar yoluyla ısıya dönüşür - termalizasyon olarak bilinen bir işlem. Bu ısı, genellikle saflaştırılmış su olan soğutucu tarafından taşınır ve bu soğutucu, steam jeneratör ana sirkülasyon pompaları tarafından. Reaktör sisteminin birincil soğutucu devresi, devrenin kendisini, basınç dengeleme sistemini ve tasarımda belirtilen çalışma koşulları altında soğutucunun reaktör çekirdeği boyunca sirkülasyonunu sağlamak için tasarlanmış ana sirkülasyon pompalarını içerir. Yakıt düzenekleriyle temas eden soğutucu radyoaktif hale gelir, dolayısıyla birinci devrede bulunur ve ikincil devre ile doğrudan etkileşime girmez.

Kapalı ana devreden gelen su steam jeneratör termal enerjisini ikincil devrenin soğutucusuna -sıradan saf su- aktarır ve bu da kaynamasına neden olur. Soğutulan soğutucu daha sonra reaktöre geri pompalanır ve döngü tamamlanır. steam üretilen steam jeneratör ikincil devrenin boruları aracılığıyla jeneratöre yönlendirilir. steam türbin, türbin kanatlarını döndürdüğü yerdir. Termal enerjinin mekanik enerjiye dönüştürülmesi bu şekilde gerçekleşir. Aynı zamanda, steam Türbin, elektrik enerjisi üreten ve böylece mekanik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştüren bir elektrik jeneratörüne bağlanır.

Yeterli uranyum-235 tüketildiğinde, yakıt harcanmış sayılır ve esasen atık haline gelir. Çift çevrimli nükleer santrallerde enerji üretimi bu şekilde gerçekleşir.

Referans için: Şu anda 440 ülkede toplam kapasitesi yaklaşık 32 GW olan 390 civarında nükleer reaktör faaliyet gösteriyor. 2022'de 2,545 TWh ürettiler, bu da küresel elektriğin yaklaşık %10'unu oluşturuyor. Kasım 2023 itibarıyla yaklaşık 60 reaktörün inşası sürüyor ve çoğunluğu Asya'da olmak üzere 110 reaktör daha inşa edilmesi planlanıyor.

Ayrıca şunu da okuyun: Biyomimikri: Doğa Mühendislere Yenilik Yapmaları İçin Nasıl İlham Veriyor?

Ne kadar atık üretiliyor

Nükleer enerjinin bu kadar çekici olmasının nedeni, yakıtın aşırı enerji yoğun olmasıdır. Bir gram uranyum, 3 ton kömürün enerjisine eşdeğer enerji açığa çıkarıyor. Bu, büyük bir gigawatt'lık reaktörün yılda 30 tondan az kullanılmış yakıt ürettiği anlamına gelir. Bu kullanılmış yakıt, reaktörün hizmet verdiği kişi sayısına bölündüğünde, kabaca kişi başına bir tuğla büyüklüğünde, yeniden işleme sonrasında yalnızca 5 gram yüksek seviyeli atık içeren bir atık hacmi ortaya çıkıyor.

Radyasyon

Nükleer atıkların oluşturduğu en belirgin tehdit radyasyondur. Sadece yakın olması nedeniyle zarar verme veya öldürme potansiyeline sahiptir ki bu da herhangi bir anlamda "güvenli" tanımından uzaktır. Peki radyasyon tehlikesinin doğası tam olarak nedir ve ne kadar süre devam eder?

Yüksek seviyeli atık, kullanılmış yakıt hacminin %3'ünü oluşturur ancak radyoaktivitenin %95'ini oluşturur. Bu atıklar yalnızca yüksek derecede radyoaktif değil, aynı zamanda termal olarak da sıcaktır, dikkatli bir koruma gerektirir ve yalnızca uzaktan manipülatörler kullanılarak idare edilebilir. Bu atıkların reaktörden çıktıklarında ne kadar radyoaktif olduğuna dair bir fikir vermek gerekirse, önümüzdeki 10,000 yıl boyunca saatte 10 becquerel yayıyorlar. Bağlam açısından, saatte yalnızca 500 becquerel bir kişi için öldürücü olmaya yeterlidir.

Arsenik veya asbest gibi nükleer olmayan birçok atığın aksine, nükleer atık, atomlar radyoaktif bozunmaya uğradıkça ve bozunma ürünleri bir elementten diğerine dönüştükçe zamanla değişir. Bu bozunmanın meydana gelme hızına yarı ömür denir. Başka bir deyişle, radyoaktif bir elementin yarı ömrü, belirli bir miktarın yarısının bozunması için geçen süredir. Örneğin izotop iyot-131'in yarı ömrü yaklaşık sekiz gün iken, plütonyum-239'un yarı ömrü 24,000 yıldır.

İlk bakışta iyot plütonyumdan daha güvenli görünebilir, çünkü iyot hızla bozunurken plütonyum yüzyıllarca radyoaktif kalır. Gerçekte ise tam tersi doğrudur. İyot-131 son derece tehlikelidir çünkü kısa yarı ömrü kısa bir süre içinde radyasyon yaydığı anlamına gelir. Öte yandan plütonyum yalnızca orta derecede radyoaktiftir. Plütonyumun önemli bir risk oluşturmasının tek yolu yutulmasıdır, bu da parçacıkların hücrelere zarar verebilecekleri yumuşak iç dokulara girmesine izin verir.

Yakıt düzenekleri reaktörden çıkarıldığında kullanılmış yakıtın reaktör sahasında depolanmasının nedeni budur. Yakıt, birkaç yıl boyunca kullanılmış yakıt havuzlarında su altında tutularak tehlikeli izotopların bozunmasına izin verilir. 40 yıl boyunca radyoaktivite, yakıt boşaltıldığındaki seviyenin binde birine düşer. 1 ila 10 bin yıl sonra yakıt hâlâ yapıldığı orijinal cevher kadar radyoaktiftir. Bu uzun vadeli radyoaktivite, kullanılmış yakıtın uranyum ötesi elementlere dönüştürülmesinden ve onu yüksek seviyeli radyoaktif atıktan, orta düzeyde radyoaktiviteye sahip orta seviyeli radyoaktif atığa dönüştürmesinden kaynaklanmaktadır. Bu nedenle yüksek seviyeli radyoaktif atıkların bertarafı aynı zamanda orta seviyeli radyoaktif atıkların da bertaraf edilmesini içerir.

Ayrıca şunu da okuyun: En Modern 5 Nükleer Denizaltı

Atık bertarafı

Peki bu yüksek seviyeli radyoaktif atıklar nasıl bertaraf ediliyor ve hangi alternatifler mevcut? Bazıları şu anda tercih edilenden daha basit olan çeşitli imha yöntemleri vardır. Örneğin, atıklar çelik kaplarda kapatılabilir ve Antarktika buz tabakasının sabit bir bölgesinde bırakılabilir; burada en sonunda eriyecek ve önümüzdeki 100,000 yıl içinde birkaç kilometre buzun altına gömülecek. Alternatif olarak atıklar, iki tektonik plakanın buluştuğu derin madenlere yerleştirilebilir ve böylece atıkların yavaş yavaş Dünya'nın erimiş mantosuna doğru kayması sağlanabilir.

Belki de en basit yöntem, kutuları kurşunla doldurulmuş sivri burunlu dartların içine yerleştirip okyanusun derinliklerine bırakmak olacaktır. Yüksek hızla deniz tabanına çarpacak ve kendilerini tortunun derinliklerine gömeceklerdi. Bu yöntem yanlışlıkla Amerikan nükleer denizaltılarının reaktörlerinde kullanıldı. Akrep ve batöz1960'larda iki ayrı kaza sırasında batan. ABD Donanması, bırakın kazmayı, yerini tespit etmenin bile imkansız olduğu reaktörleri kurtarmak için hiçbir çaba sarf etmedi.

Bu ve diğer yöntemlerin kullanılmamasının çeşitli nedenleri vardır. Bazıları teknik nedenlerle, bazıları ise uluslararası anlaşmalar nedeniyle görevden alındı. Ancak çoğunun ortak bir dezavantajı vardı: Atık gömüldükten sonra geri alınamıyor. Bu nadiren tartışılsa da, yüksek seviyeli nükleer atık önemli bir değere sahiptir. Sadece yeni yakıt oluşturmak için yeniden işlenemez, aynı zamanda tıpta ve endüstride yüksek talep gören çok sayıda nükleer izotop da içerir. Sonuç olarak, gelecekte bu atığın geri kazanılması potansiyeli son derece arzu edilir bir durumdur.

Kullanılmış nükleer yakıtın kuru fıçılarda depolanması

Yakıt çubukları kullanılmış yakıt havuzlarında soğutulduktan sonra yaklaşık 10 yıl süreyle kuru fıçılarda depoya aktarılır. Soğutulan çubuklar, çeşitli iç katmanlara, eşmerkezli contalara ve damperlere sahip, yaklaşık 5 metre yüksekliğinde çelik ve beton silindirlere yerleştirilir. İnert gazla doldurulmuş bu fıçılar kasırgalara, depremlere, terörist saldırılara ve yetkisiz erişime dayanacak şekilde tasarlanmıştır.

Sadece dışarıdan gelen radyasyona karşı koruma sağlamakla kalmıyor, aynı zamanda çubuklardan salınan ısıyı da pasif olarak dağıtıyorlar.

Ayrıca şunu da okuyun: 2024'ün En Büyüleyici Robotik Yenilikleri

Derin jeolojik depo

Bir sonraki adım, ya yakıtı yeni yakıta dönüştürmek üzere yeniden işlemeye göndermek ya da uzun süreli olarak derin yer altı depolarında saklamaktır. Depolama için kullanılmış yakıt, yakıt çubuklarından çıkarılır, yüksek seviyedeki atıklar çıkarılır ve ardından erimiş camla karıştırılmış kuru toza dönüştürülür. Bu karışım daha sonra yaklaşık 1 metre yüksekliğinde paslanmaz çelik kaplara dökülerek soğumaya bırakılır. Nihai ürün neredeyse kimyasal olarak inerttir ve radyoaktif malzeme cam boyunca dağılarak yayılan radyasyon miktarını azaltır.

Atık varilleri işlendikten sonra çevreden izole edilmiş, jeolojik açıdan stabil bir bölgede inşa edilen depolama tesislerine taşınıyor. Atıkların geri alınabilmesine rağmen gelecekte bir noktada depolama alanının doldurulması ve kapatılması beklenmektedir.

Böyle bir deponun etkinliği, iki milyar yıl önce nükleer cevherlerin olağandışı bir şekilde yoğunlaşmasıyla oluşan Gabon'daki doğal nükleer reaktör tarafından gösterilmektedir. Yağışlara ve yer altı suyu sızıntısına rağmen, bu reaktörden gelen nükleer maddeler kayanın içinden yalnızca 10 metre kadar ilerleyebildi. Bu tür jeolojik depolar birçok ülkede onaylanmıştır ve ABD halihazırda nükleer silah üretimi atıklarının depolanmasına yönelik bir depoyu işletmektedir. Finlandiya'nın da yakın gelecekte benzer bir tesis açması bekleniyor.

gelecek

Teknolojik açıdan bakıldığında, nükleer atıkların bertarafına ilişkin sorunlar büyük ölçüde ele alınmıştır. Düşük seviyeli atıklar rutin olarak geri dönüştürülür ve yüksek seviyeli atıkların bertaraf edilmesine yönelik yöntemler halihazırda mevcuttur veya onay beklemektedir. Yüksek düzeyde atık depolamanın yanı sıra, yeni hızlı nötron reaktörleri ve gelişmiş geri dönüşüm teknikleri de dahil olmak üzere, bunları yönetmenin başka yolları da var. Ancak rehavete kapılmamak lazım. Nükleer atık son derece tehlikelidir ve asla hafife alınmamalıdır.

Atık sorunu nükleer endüstrinin önündeki en büyük engellerden biri olmayı sürdürüyor ancak teknolojik bir sorun değil. Ekonomik bir durum da değil. Nükleer endüstri, atık bertarafını bir tesisin işletme maliyetlerine dahil etmesi gerektiği açısından benzersizdir, ancak deneyimler, atık yönetiminin nükleer elektrik üretiminin toplam maliyetinin yalnızca %10'unu oluşturduğunu göstermektedir.

Sorun öncelikle politiktir. Eğer kimse arka bahçesine inşa edilmesini istemiyorsa, başarılı bir atık bertaraf projesine sahip olmanın pek bir anlamı yok. Bunun birçok nedeni var. Bazıları için bu, Çernobil gibi olayların yol açtığı gerçek ve somut bir çevresel kaygıdır. Diğerleri nükleer enerjiyi, yenilenebilir enerji kaynaklarına ve bilinçli enerji tüketimi sınırlarına dayalı bir ekonominin önünde bir engel olarak görüyor. Bu arada, birçok insanın nükleer herhangi bir şeye tepkisi Soğuk Savaş anıları ve nükleer silah korkusuyla şekilleniyor.

Nükleer atıkların nükleer enerjinin gelişimini engellemeye devam edip etmeyeceğini zaman gösterecek. Ancak nükleer atıklara ilişkin görüşler ne olursa olsun, bunun ilk prensiplerden hareketle bütün bir enerji sektörünü devre dışı bırakacak teorik bir konu olmadığı yadsınamaz. Bu, çözülmesi gereken bir sorundur. 80 yıl boyunca dünya çapında önemli miktarda birikti ve buna bir çözüm bulmamız gerekiyor.

Havacılık ve uzay teknolojisi ile ilgili makale ve haberlere ilginiz varsa sizi yeni projemize davet ediyoruz. AERONAUT.media.

Ayrıca şunu da okuyun:

• Ukrayna Zaferinin Silahları: MAGURA V5 Deniz Uçağı
• Keskin Nişancı Tüfeklerinin Evrimi: İlk Ateşli Silahlardan “Ufkun Efendisi”ne + Ukraynalı Keskin Nişancıdan Düşünceler