Nükleer Gücün 4. Nesli: Daha Ucuz, Daha Temiz, Daha Güvenli

Bilim kurgudan durgunluğa

Nükleer enerji tartışmalı bir konudur. Bazıları Çernobil ve Fukuşima kazalarıyla radyoaktif atıkları büyük risk olarak görürken, başkaları düşük karbon emisyonuyla sürekli elektrik üretebilmesini önemli bir avantaj sayıyor.

Bu görüş ayrılığı, iklim değişikliği enerji politikasının merkezine yerleşmeden çok önce de vardı.

Hiroşima ve Nagazaki’ye atılan atom bombaları, ardından hidrojen bombasının geliştirilmesi ve Soğuk Savaş, nükleer teknolojinin yıkıcı potansiyelini gösterdi.

Aynı dönemde bu teknolojinin barışçıl kullanımı da gündeme geldi. “Barış İçin Atom (Atoms for Peace)” girişiminin ardından birçok ülkede nükleer santraller kuruldu. Dönemin iyimser öngörülerinde nükleer enerjinin fosil yakıtların yerini alacağı düşünülüyordu.

Dünya nükleer elektrik üretimi 2000’lerde daha yavaş büyüdü ve bazı dönemlerde durgunlaştı. Çernobil ve Fukuşima kazaları politikaları etkilerken, ülkelerin tercihleri farklılaştı: Çin kapasitesini artırırken bazı Avrupa ülkeleri santrallerini kapattı.

Kaynak: Our World in Data – Nükleer enerji

Son yıllardaki yeni reaktör inşaatlarında Çin ve Rusya büyük rol oynadı; diğer ülkelerde de işletme ve geliştirme faaliyetleri sürdü.

Çin, The Economist’ın ifadesiyle “başka herhangi bir ülkeden daha hızlı nükleer reaktör inşa ediyor”.

Kaynak: The Economist

2024’te birçok ülkede nükleer enerjiye ilişkin politika değişiklikleri, yeniden devreye alma çabaları ve yeni santral planları gündemdeydi:

• Japonya, Dünyanın En Büyük Nükleer Santralini Yeniden Başlatma Çabasını Hızlandırıyor
• Dönemin ABD Enerji Bakanı Jennifer Granholm, ABD nükleer filosunun üç katına çıkarılmasını istiyor
• Kore enerji taslak planına yeni nükleer enerji eklendi
• Fransa, yeni enerji yasa tasarısında nükleere ağırlık veriyor
• Birleşik Krallık’ta yeni nükleer projeler tartışılıyor; İskoçya hükümeti ise yeni santrallere karşı çıkıyor
• Hindistan, 2032’ye kadar 18 reaktörle 13,8 GW ek kapasite planlıyor

Karbonsuzlaşmanın eksik halkası mı?

Güvenlik kaygıları önemini koruyor. Bunlar, Almanya’nın nükleer santrallerini kapatma kararını etkileyen etkenler arasındaydı.

Nükleer enerji, yaşam döngüsü boyunca düşük sera gazı emisyonuna sahip kaynaklardan biridir. Arazi ve malzeme gereksinimleri de görece düşük olabilir. Rüzgâr ve güneşle karşılaştırma, teknolojiye ve değerlendirme yöntemine göre değişir.

Kaynak: Our World In Data

Büyük kazaların sonuçları ağır olsa da, üretilen elektrik başına ölüm oranını karşılaştıran araştırmalarda nükleer enerji ve yenilenebilirler, fosil yakıtlardan çok daha düşük düzeylerde yer alır.

Bu nedenle nükleer enerji, elektrik şebekesini ve ekonomiyi karbonsuzlaştırmada kullanılabilecek araçlardan biridir. Elektrikli araçlar, ısı pompaları ve yapay zekâ veri merkezleri elektrik talebini artırırken, hangi kaynakların kullanılacağı maliyet ve yerel koşullara da bağlıdır.

Yenilenebilir enerji ve elektrikli araçların yaygınlaşmasına rağmen kömür, petrol ve doğal gaz dünya enerji tüketiminin büyük bölümünü karşılamayı sürdürüyor.

Kaynak: Our World In Data

Nükleer atıklar ne olacak?

İşletme güvenliğinin yanı sıra, radyoaktif atıkların uzun vadeli yönetimi de önemli bir sorundur.

Bazı atıklar çok uzun süre tehlikeli kalır; uygun yalıtım, depolama ve nihai bertaraf yöntemleri gerektirir.

İklim hedefleri ile atık yönetimi birlikte ele alınmalıdır. Teknolojik gelişmeler, kullanılmış yakıtın yeniden değerlendirilmesine ve bazı uzun ömürlü çekirdeklerin azaltılmasına yardımcı olabilir.

Bazı tasarımlar yakıtın geri dönüşümünü veya uzun ömürlü aktinitlerin dönüştürülmesini hedefler. Bunlar 4. nesil sistemlerin araştırma alanları arasındadır; hiçbir reaktör tüm radyoaktif atıkları ortadan kaldırmaz.

Aşağıda hızlı reaktörler ve toryum yakıt çevriminin olanakları ele alınıyor.

Atıkları uzaya gönderme fikri de öne sürülmüştür. Ancak fırlatma ve yeniden giriş kazalarında radyoaktif maddelerin yayılması riski ve yüksek maliyet nedeniyle bu, mevcut pratik bertaraf seçeneklerinden biri değildir.

Nükleer santral nesilleri

1. nesil, ilk prototip ve gösterim santrallerini kapsar; bunların bazıları ticari elektrik de üretti.

2. nesil, ticari nükleer enerjinin yaygınlaştığı dönemin tasarımlarını kapsar ve mevcut filonun önemli bir bölümünü oluşturur. Nesil sınıfları yalnızca kesin inşa tarihlerine göre belirlenmez.

3. nesil, 2. nesilden alınan derslerle güvenlik ve güvenilirliğin geliştirildiği tasarımları ifade eder. 3+ nesil ise pasif güvenlik gibi ek iyileştirmeleri vurgular; yalnızca 2017–2021 arasında yapılan santraller anlamına gelmez.

4. nesil sistemler sürdürülebilirlik, ekonomi, güvenlik ve nükleer yayılmaya karşı direnç gibi hedefler doğrultusunda geliştiriliyor. Yeni soğutucular, yakıt çevrimleri ve nötron spektrumları inceleniyor.

5. nesil ifadesi de zaman zaman kullanılır, ancak 4. Nesil Uluslararası Forumu’nun (GIF) sınıflandırması gibi ortak kabul görmüş resmî bir teknoloji grubu değildir.

4. nesil nükleer sistemler

4. Nesil Uluslararası Forumu altı teknoloji grubu seçmiştir: gaz soğutmalı hızlı reaktör, kurşun soğutmalı hızlı reaktör, erimiş tuz reaktörü, sodyum soğutmalı hızlı reaktör, süperkritik su soğutmalı reaktör ve çok yüksek sıcaklık reaktörü.

Bu makale, 3. nesil hafif su reaktörlerinden farklı başlıca kavramlara odaklanıyor. SMR ve yüzer santral ise boyut veya kurulum biçimine ilişkin sınıflardır; kendiliğinden 4. nesil sayılmazlar.

Temel ilkeler sade biçimde ele alınırken, tasarımların geliştirme düzeyleri arasındaki farklar da gözetilmelidir.

Çok Yüksek Sıcaklık Reaktörü (VHTR)

Çok yüksek sıcaklık reaktörü, elektrik ve endüstriyel ısı üretimi için yüksek çıkış sıcaklıklarını hedefler. Bazı tasarımların hedefi yaklaşık 1.000°C’dir. Çin’de 2023’te ticari işletmeye geçen HTR-PM’nin tasarım çıkış sıcaklığı ise yaklaşık 750°C’dir. Bu tesis 4. nesil teknolojinin uygulama örneği olarak sunulur; tüm VHTR hedeflerini aynı anda gerçekleştirdiği anlamına gelmez.

Çakıl yataklı (pebble-bed) tasarımlarda küçük TRISO yakıt parçacıkları grafit kürelerin içine yerleştirilir. Parçacıkların seramik kaplama katmanları, fisyon ürünlerinin yakıt içinde tutulmasına yardımcı olur.

Kaynak: CGTN

X-Energy (XE ) de ABD’de benzer bir yüksek sıcaklık reaktörü teknolojisi geliştiriyor.

Bazı tasarımlar, yakıtın sıcaklık özelliklerinden ve pasif ısı uzaklaştırmadan yararlanarak kazalarda sıcaklık artışını sınırlamayı amaçlar. 3. nesle göre güvenlik karşılaştırması, belirli tasarımın özelliklerine ve doğrulanmasına bağlıdır.

Bazı çakıl yataklı reaktörlerde işletme sırasında yakıt değiştirilebilir. TRISO kaplamaları radyoaktif maddelerin tutulmasını güçlendirir; sızıntı riskinin her koşulda sıfır olduğu anlamına gelmez.

Erimiş tuz reaktörü (MSR)

Bu reaktörlerde soğutucu olarak erimiş tuz kullanılır. Bazı tasarımlarda yakıt da tuz içinde çözünmüştür; başka tasarımlar katı yakıt kullanır.

Yüksek çalışma sıcaklığı ısıl verimi artırabilir. Yakıt kullanımı ve atık özellikleri ise tasarım ile yakıt çevrimine bağlıdır. “Termal” reaktör sınıflandırması sıcaklığı değil, nötronların enerji dağılımını ifade eder; erimiş tuz reaktörleri termal veya hızlı nötron spektrumuyla tasarlanabilir.

Tuzların aşındırıcı etkisi ve radyasyonun malzemelerde oluşturabileceği hasar, başlıca mühendislik sorunlarıdır. Borular, pompalar ve kaplar için uygun malzeme, kimyasal kontrol ve bakım yöntemleri gerekir.

Toryum

1950’lerden beri ticari reaktörlerin çoğu uranyum kullanmıştır. Ancak mümkün olan yakıt çevrimleri uranyumla sınırlı değildir.

Uranyumun yaygınlaşmasında teknolojik olgunluk, kaynaklar, yakıt altyapısı, ekonomi ve askerî tarih birlikte rol oynadı. Elektrik üretimindeki tercihi yalnızca silah için plütonyum üretimine bağlamak aşırı basitleştirmedir.

Toryumun yer kabuğunda uranyumdan daha bol olduğu tahmin edilir. Toryum-232 doğrudan yaygın bir fisyon yakıtı değildir; nötron soğurarak fisil uranyum-233’e dönüşebilir. Uranyum-233 silah yapımında kullanılabileceği için toryum çevrimi nükleer yayılma riskinden bağımsız değildir.

Kaynak: ACS

Toryum çevrimi belirli koşullarda bazı uranyum ötesi elementlerin oluşumunu azaltabilir. Örneğin, sıvı florür toryum reaktörü (LFTR) toryum kullanan bir erimiş tuz reaktörü kavramıdır. Atık miktarı ve ömrü uygulanan yakıt çevrimine bağlıdır; yeniden işleme ve radyoaktif kalıntıların yönetimi yine gerekir.

Çin de soğutucu olarak su yerine erimiş tuz kullanan deneysel toryum reaktörü geliştiriyor . Bu yaklaşım suyla soğutma ihtiyacını azaltabilir. Ayrıca toryum reaktörüyle çalışan konteyner gemisi tasarımları Çin Devlet Gemi İnşa Şirketi (CSSC) tarafından önerildi. Bunlar işletmedeki ticari gemiler değil, geliştirme kavramlarıdır.

Hızlı, üretken ve yakıcı reaktörler

Hızlı reaktörler, termal reaktörlerdeki gibi bir yavaşlatıcıyla enerjisi düşürülmeyen nötronları kullanır. Tasarım ve yakıt çevrimine göre uranyum ve plütonyum gibi aktinitleri daha iyi değerlendirebilir veya bazı uzun ömürlü çekirdekleri fisyonla dönüştürebilir.

Kaynak: Sciences Notes

Kullanılmış yakıt, uzun ömürlü aktinitlerin yanı sıra farklı fisyon ürünleri de içerir. Yönetimde yarı ömür, radyoaktivite ve ısı üretimi birlikte değerlendirilir.

Yakıcı reaktör kavramları, kullanılmış yakıttan ayrılan bazı uzun ömürlü aktinitleri dönüştürmeyi veya fisyona uğratmayı hedefler. Uzun vadeli toksisiteyi azaltabilirler, ancak yeniden işleme, tekrarlı geri dönüşüm ve kalan atıkların yönetimi gerekir. Sonuç her tasarımda aynı değildir.

Bu hızlı reaktörler soğutucuya göre gaz, sodyum veya kurşun kullanan tasarımlar olarak ayrılabilir.

Bazı 4. nesil kavramlar, önceki deneysel ve gösterim amaçlı hızlı reaktörlerden edinilen deneyime dayanır. Fransa’nın Phénix ve Superphénix reaktörleri sırasıyla 1973–2009 ve 1986–1997 arasında işletilen sodyum soğutmalı hızlı üretken reaktörlerdi. Kapatılmalarında teknik, ekonomik ve politik etkenler rol oynadı.

Modern hızlı reaktör kavramlarına, ticari santral olarak inşa edilmemiş GE Hitachi’nin PRISM tasarımı örnek verilebilir.

Küçük modüler reaktörler (SMR) ve mikroreaktörler

Geleneksel ticari nükleer santraller genellikle büyük elektrik üretim tesisleridir.

SMR genellikle modül başına en fazla 300 MW elektrik gücüne sahip reaktörleri ifade eder. Ana bileşenlerin fabrikada üretilip taşınması hedeflenir; santralin tamamı bir kamyona sığmaz. Daha küçük mikroreaktörler arasında taşınabilir, konteyner tipi tasarımlar da bulunur.

Kaynak: Nuscale

SMR’ler şebekelere ve sanayi tesislerine elektrik veya ısı sağlayabilir. Mikroreaktörler uzak bölgeler ve askerî tesisler gibi uygulamalar için değerlendiriliyor. Uzay reaktörlerinin tasarım ve işletme koşulları ayrıdır.

Daha küçük birim kapasitesi, küçük şebekelerde avantaj sağlayabilir. Ancak düzenleme, işletme, yakıt ve atık yönetimi kapasitesi yine gerekir.

Standart modüllerin tekrarlı üretimi, öğrenme ve ölçek ekonomileriyle maliyeti düşürebilir.

Bununla birlikte, ilk tasarım, gösterim ve inşaat projeleri beklenenden pahalı olabilir. Bazı projelerin maliyet artışları veya iptalleri, ekonomik beklentilerin yeniden değerlendirilmesine yol açtı.

2024’te farklı ülkelerde SMR projeleri ve değerlendirmeleri sürüyordu. Örnekler arasında Finlandiya, Norveç, Polonya, ABD, Kanada ve Arjantin bulunuyor.

SMR teknolojisinin mevcut durumu hakkında daha fazla bilgiyi “SMR’lerde (Küçük Modüler Reaktörler) Son Durum – Hâlâ Nükleer Enerjinin Geleceği mi?” başlıklı yazımızda bulabilirsiniz.

Yüzer nükleer santraller

Yüzer santrallerin sınıflandırması 4. nesil teknolojiyle aynı değildir. Bu yaklaşım, reaktörün deniz yapısına yerleştirilmesini ifade eder.

Rusya’nın Rosatom şirketinin geliştirdiği yaklaşım, uçak gemilerindeki tahrik reaktörlerinden amaç bakımından farklıdır.

Burada başlıca amaç kıyıdaki tesis ve yerleşimlere elektrik ve ısı sağlamaktır. Reaktörün birim gücüne göre SMR sınıfına girebilir.

Kaynak: Power Technology

Rusya’nın Arktik bölgesindeki yüzer santral, Pevek gibi kıyı yerleşimlerine elektrik ve ısı sağlıyor. Üretilen artık ısı bölgesel ısıtmada değerlendirilebilir.

Tedarikçinin işlettiği bir yüzer santral, nükleer deneyimi sınırlı ülkelere enerji sağlayabilir. Şebeke bağlantısının yanında güvenlik düzenlemeleri, acil durum planları, liman altyapısı ve atık yönetimi düzenlemeleri de gerekir.

Adalar ve uzak bölgeler için yararlı olabilir; ancak izin ve kurulum koşulları nedeniyle sıradan bir afet yardım jeneratörü gibi anında devreye alınamaz.

Örneğin, Gine ve Rusya yüzer nükleer santral işbirliği için mutabakat zaptı imzaladı.

Westinghouse ve Prodigy  da yüzer kurulum kavramını araştırıyor. Kore’nin KSOE ve KEPCO şirketleri ile Danimarkalı Seaborg da bu alanda çalışıyor; Seaborg erimiş tuz teknolojisini deniz üstü santralle birleştirmeyi hedefliyor.

Maliyetler

Nükleer enerjiye yöneltilen son eleştirilerden biri maliyettir.

ABD ve Avrupa’daki bazı yakın tarihli projeler büyük maliyet aşımları yaşadı. Georgia’daki Vogtle 3 ve 4. üniteler için yaklaşık 37 milyar dolar toplam maliyet ve yaklaşık 20 milyar dolar aşım bildirildi . Finlandiya’daki Olkiluoto 3’ün maliyeti ise başlangıçtaki yaklaşık 3 milyar avroluk tahminden yaklaşık 11 milyar avroya çıktı.

Vogtle projesi yaklaşık 14 yıl sürdü. Olkiluoto 3’ün düzenli ticari işletmesi 2023’te, ilk takviminden yaklaşık 14 yıl sonra başladı. Uzun gecikmeler finansman ve inşaat giderlerini artırdı.

Ancak bütün projeler aynı sonucu vermiyor. Karşılaştırma için Bloomberg, Çin’in altı reaktörün inşasını yaklaşık 17 milyar dolarlık tutarla onayladığını bildirdi. Bu, tamamlanmış altı reaktörün kesinleşmiş nihai maliyeti değil, plan ve onay tutarıdır.

Batı’daki maliyet artışları tartışılırken şu etkenler öne çıkıyor:

1. Düzenleme ve proje yönetiminin karmaşıklığı.
   1. Güvenlik incelemeleri zorunludur; tutarsız gereklilikler ve gecikmelerin maliyeti artırdığı da eleştiriliyor.
2. Sermaye maliyeti.
   1. Nükleer santraller inşaatın başında büyük sermaye gerektirir. Faiz ve finansman koşulları nihai elektrik maliyetini güçlü biçimde etkiler; Çin’deki devlet destekli finansman, diğer piyasalarla karşılaştırmada önemli bir farktır.
3. Kesintisiz proje akışı ve tedarik zinciri deneyimi.
   1. Benzer santrallerin tekrar tekrar yapılması tasarım, üretim ve ekipman tedarikinin standartlaştırılmasına yardımcı olabilir.
   2. Daha istikrarlı bir proje akışı, nitelikli personelin eğitilmesi ve elde tutulmasına da yardımcı olur.

Tutarlı enerji politikası, uygun finansman, devamlı iş hacmi ve verimli inceleme süreçleri maliyet yönetimine katkı sağlayabilir.

Bu iyileştirmeler güvenlik düzeyi korunarak ve gerçek inşaat sonuçlarıyla değerlendirilmelidir.

Nükleer Enerji Şirketleri

1. Cameco Corporation

Nükleer yakıt tedarikinde uranyum önemli bir yere sahiptir. Uranyum jeolojik olarak çok nadir değildir, ancak ekonomik olarak işletilebilir yüksek tenörlü yataklar sınırlıdır.

Kazakistan’daki Kazatomprom ve Kanada’daki Cameco başlıca uranyum üreticileri arasındadır. Başka üreticiler de bulunur; maliyet ve üretim avantajı madene ve döneme göre değişir. Cameco, mevcut ve gelecekteki reaktörlere yakıt tedarikinde önemli rol oynayabilir.

Kaynak: Cameco

Cameco’nun faaliyeti madencilikle sınırlı değildir. 2022’de duyurulan ve Kasım 2023’te tamamlanan işlemle Cameco, Westinghouse’un %49 hissesini satın aldı. Brookfield tarafı kalan %51’e sahiptir.

Westinghouse mevcut santrallere yakıt, bakım ve hizmet sağlıyor; yeni reaktör teknolojileri de geliştiriyor. Nitelik ve kalite gereklilikleri tedarik zincirinde giriş engeli oluşturabilir, ancak her santral veya SMR tüm parçalarını Westinghouse’tan almak zorunda değildir.

Westinghouse’un geliştirdiği teknolojiler arasında AP300 SMR tasarımı da bulunur. Bu tasarım Slovakya, Finlandiya ve İsveç gibi ülkelerdeki değerlendirme ve işbirliği görüşmeleriyle ilişkilidir; bu görüşmeler kesinleşmiş inşaat anlamına gelmez.

Cameco böylece uranyum piyasasının yanı sıra Westinghouse’un hizmet ve teknoloji işlerine de ortak olur. Brookfield tarafının Brookfield Renewable Partners (BEP.UN.TO ) (BEPC ) (BEP ) gibi temiz enerji yatırımlarındaki deneyimi işbirliğine katkı sağlayabilir.

2. Mirion Technologies, Inc.

Nükleer santraller, reaktör ve yakıtın yanında sensörlere, ölçüm cihazlarına ve diğer ekipmana dayanır. Bunların güvenilirliği ve düzenleyici gerekliliklere uygunluğu önemlidir.

Mirion’un faaliyetlerinden biri radyasyonun ölçülmesi ve algılanmasıdır. Nükleer santrallerde çalışanların ve çevrenin korunması, sızıntı veya bulaşmanın erken saptanması gerekir. Benzer ölçüm ve koruma ihtiyaçları kanser tedavisi ve tıbbi görüntülemede de bulunur.

Kaynak: Mirion

Mirion; tıp, nükleer enerji, bilimsel araştırma ve savunma alanlarında radyasyon ölçüm ve koruma teknolojileri sağlar. Şirket Ekim 2021’de bir özel amaçlı satın alma şirketiyle (SPAC) birleşmesini tamamlayarak New York Borsası’nda işlem görmeye başladı.

Şirketin faaliyetleri tıbbi ve endüstriyel alanlara yayılır; gelir dağılımı ve büyüme oranı raporlama dönemine göre değişir.

Mirion, reaktör veya yakıt üreticisinden farklı olarak ölçüm, izleme ve korunma ekipmanları ile hizmetlerine odaklanır.

Nükleer enerji ve tıp yatırımları ile güvenlik ve düzenleme gereksinimleri şirkete fırsat sağlayabilir. Ticari sonuçlar müşteri yatırımları, rekabet ve uygulama başarısına bağlıdır.