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

Bilim Kurgu’dan Durgunluğa

Saying that nuclear energy is controversial is an understatement. Many see it as an extremely dangerous idea, bringing up the specter of Chernobyl and Fukushima as proof, and the problem of nuclear waste as something unsolvable. Others see it as a potential civilization-saving technology, thanks to its ability to generate baseload power with extremely low carbon emissions and land footprint.

Bu bölünme, iklim değişikliği bile bir konu olmadan çok erken bir dönemde mevcuttu.

Dünya, nükleer gücün olağanüstü etkisini ilk kez Hiroşima ve Nagasaki’ye atılan atom bombalarıyla fark etti, ardından H-bombunun icadı ve Soğuk Savaş geldi. Bu kökenlerden, atom üzerindeki yeni kazanılmış hâkimiyetimizin yıkıcı potansiyeli açıktı.

Kısa süre içinde, bu gücü barışçıl amaçlarla kullanma fikri de ortaya çıktı. İlk olarak “Atom For Peace” girişimi, ardından dünya çapında nükleer santrallerin büyük bir dalgası inşa edildi. Bir süre için, geleceğin nükleer olduğu ve kömür, petrol ve gaz yakmanın Hollanda’nın pitoresk yel değirmenleri kadar eski kalacağı açıktı.

Pratikte, nükleer enerji üretimi Çernobil sonrası 1990’ların sonlarında durdu ve o zamandan beri küresel olarak durgunlaştı; Çin’in artan üretimi, Avrupa nükleer endüstrisinin gerilemesini telafi ediyor.

Kaynak: Nuclear Energy – Our World in Data

Yıllarca, nükleer enerji geliştirmeye istekli görünen sadece Çin ve Rusya idi.

Özellikle Çin, The Economist’ın belirttiği gibi, “building nuclear reactors faster than any other country”.

Kaynak: The Economist

Bugün, nükleer enerji küresel ölçekte, birkaç yıl önce hayal edilemeyecek bir ölçekte geri dönüş yapıyor ve birçok haber, dünyanın çoğunda politikaların değiştiğine işaret ediyor:

• Japonya, Dünyanın En Büyük Nükleer Santralini Yeniden Başlatma Çabasını Hızlandırıyor
• ABD Enerji Bakanı Jennifer Granholm, ABD nükleer filosunun üç katına çıkarılmasını istiyor
• Kore enerji taslak planına yeni nükleer enerji eklendi
• Fransa, yenilenebilir hedeflerini bırakarak yeni enerji tasarısında nükleere öncelik veriyor
• Birleşik Krallık, İskoçya’da yeni nükleer reaktör inşa etmeyi planlıyor
• Hindistan, 2032 yılına kadar 13,8 GW kapasiteyle 18 nükleer reaktör inşa edecek

Eksik Karbon Azaltma Bağlantısı?

Güvenlik endişeleri hâlâ çok canlı ve bunlar, Almanya’nın nükleer santrallerini kapatma kararının gerekçesi.

Bununla birlikte, karbon emisyonları ve iklim değişikliği konusundaki endişeler giderek daha acil hale geliyor ve nükleer enerji, tüm enerji kaynakları arasında en az emisyon yapanıdır; rüzgar ve güneş enerjisinden bile daha iyidir, çünkü bunlar çok daha fazla arazi ve hammadde gerektirir.

Kaynak: Our World In Data

Görkemli ve kalıcı sonuçları olmasına rağmen, nükleer enerji, neden olduğu ölümleri ölçerken, büyük felaketler dâhil, pratikte yenilenebilir enerji kadar güvenlidir.

Dolayısıyla, nesnel olarak bakıldığında, nükleer enerji muhtemelen güç şebekesini ve ekonomiyi karbondan arındırmak için kullanılan araçlardan biri olmalıdır. Bu, özellikle ulaşımın (EV’ler) ve ısıtmanın (ısı pompaları) elektrifikasyonu için daha fazla güce, ayrıca yapay zeka veri merkezleri gibi yeni ihtiyaçlara ihtiyaç duyduğumuzda geçerlidir.

Yerine konması gereken kömür, petrol ve gaz miktarı şaşırtıcıdır. Yenilenebilir enerji ve EV benimsemesindeki ilerlemeyi göz önünde bulunsa da, bunlar hâlâ enerji tüketimimizin büyük çoğunluğunu oluşturmaktadır.

Kaynak: Our World In Data

Nükleer Atıklar Ne Olacak?

Bununla birlikte, nükleer enerjinin gerçek güvenlik profili, nükleer atık sorusunu ortaya koyar.

Gelecek nesillere, Büyük Piramit’in ayakta kalmasından çok daha uzun süre tehlikeli olacak toksik atık bırakma fikri, en ufak bir ifadeyle, rahatsız edicidir.

İklimi kurtarmak için geleceği zehirlemeli miyiz? Neyse ki, bu ikileme yanıt olarak teknolojik ilerlemeden en az iki çözüm seti ortaya çıkıyor.

İlk seçenek nükleer atığı geri dönüştürmek, diğeri ise neredeyse hiç atık üretmemektir. Her ikisi de sözde 4^th nesil nükleer santrallerin bir parçasıdır.

Daha fazla ayrıntı için aşağıdaki hızlı reaktörler ve toryum reaktörlerine bakın.

Elbette, ileride, ultra-güvenilir roketler sayesinde bu atığı uzaya taşıma gibi başka çözümler benimsenebilir. Ancak şu an için, bir fırlatma başarısızlığı durumunda nükleer atığı yarım kıta üzerine yayma riskinin kabul edilebilir görülmesi olası değildir.

Nükleer Santral Nesilleri

1^st nesil nükleer santraller esasen ticari kullanım olmayan prototiplerdi.

2^nd nesil nükleer santraller mevcut filoğun büyük çoğunluğunu oluşturur. 1965-1996 döneminde inşa edilmişlerdir.

3^rd nesil nükleer santraller, 2^nd nesilden öğrenilen derslerin ardından inşa edildi ve nadir ama felaket sonuçlu nükleer kazalara yol açan kusurları gidermeye çalıştı. 1996-2016 döneminde inşa edilmişlerdir. Bazen, 3+ nesil 2017-2021 döneminde inşa edilen ve güvenliğin artırılmasına odaklanan jeneratörler olarak tanımlanır.

4. nesil nükleer enerji henüz yeni başlıyor ve önceki nesillerden farklı olarak yeni tasarım, konsept ve hatta belki de nükleer yakıtı değiştirmeyi hedefliyor, sadece kademeli iyileştirmelerle sınırlı kalmıyor.

Ayrıca, tartışmalarda 5^th nesil nükleer santral de bulunmaktadır. Bu tasarımlar teorik olarak mümkün, ancak ekonomik uygulanabilirlik, eksik teknolojiler veya güvenlik endişeleri nedeniyle aktif olarak araştırılmamaktadır.

4^th Nesil Nükleer Santraller

Bir nükleer santralin 4^th nesile ait olmasını neyin belirlediği, sektördeki uzmanlar arasında yoğun tartışma konusudur.

Bu makalede, çoğunlukla 3^rd nesil tasarımlardan kökten farklılaşan santral tasarımlarını ele alacağız.

Ve açıklamayı mümkün olduğunca basit tutmaya çalışacağız, gerektiğinde bazı detayları atlayarak.

Çok Yüksek Sıcaklık Reaktörü (VHTR)

Bu tasarım, 1.000°C civarında çok yüksek sıcaklıklarla karakterizedir. Bu, 2023’te Doğu Çin’deki Huaneng Shandong Shidao Bay Nükleer Santrali’nin ticari olarak faaliyete geçmesiyle zaten işletilen tek 4^th nesil nükleer santraldir.

Tasarım genellikle, elde tutulabilecek kadar küçük seramik kürelerden oluşan bir “pebble bed” (çörek taşı) sistemine dayanır; bu küreler uranyum çekirdeğini korur ve bir reaktörde on binlerce bu küre bulunur.

Kaynak: CGTN

X-Energy (XE )  de ABD’de benzer bir teknoloji geliştirmektedir.

Reaksiyon yüksek sıcaklık gerektirdiği ve pasif soğutulduğu için bu tasarım, 3^rd nesil nükleer santrallerden doğası gereği daha güvenlidir.

Pebble tasarımının avantajı, reaktör üretimini kesintiye uğratmadan değiştirme imkanı sunmasıdır; seramik aynı zamanda radyoaktif madde sızıntısı riskini de önler.

Erimiş Tuz Reaktörü (MSR)

Bu reaktörlerde, soğutucu su veya gaz yerine erimiş tuz karışımıdır. Bazı durumlarda, yakıt da erimiş tuz içinde bulunur.

Erimiş tuz reaktörleri genellikle daha yüksek çıkış verimliliğine sahiptir, yakıtı daha verimli yakar ve daha az nükleer atık üretir. Daha sıcak oldukları için bazen VHTR ile birlikte “termal reaktör” kategorisine alınırlar.

Bununla birlikte, erimiş tuzların aşındırıcı olması bir sorundur; bu, radyoaktivitenin yapı üzerinde zayıflama potansiyeliyle birleştiğinde sorun daha da artar. Bu, sistemin boru hatları, pompalar vb. bakım ve kontrollerinin son derece dikkatli yapılmasını gerektirir.

Toryum

1950’lerden beri, neredeyse tüm reaktörler yakıt olarak uranyum kullanmıştır. Bu da insanların tek çözümün uranyum olduğunu varsaymasına yol açar.

Ancak bu, esasen politik bir tercikti; uranyum tesisleri plütonyum üretir. O dönemde bu, nükleer güçlerin atom bombası malzemesi üretmesine yardımcı olduğu için olumlu bir şey olarak görülüyordu.

Uranyuma kıyasla kaynağı üç kat daha fazla olan bir alternatif element toryumdur. Toryum reaktörünün yan ürünleri, atom silahı malzemesine dönüştürülme olasılığı çok düşüktür.

Kaynak: ACS

Toryumun bir diğer önemli avantajı, özellikle a liquid fluoride thorium reactor design (erimiş tuz toryum reaktörü) kullanıldığında, atık miktarını 100 kat azaltma imkanıdır.

Burada, Çin aynı zamanda su kullanmadan çalışabilen bir toryum reaktörüyle çöl bölgeleri için uygun bir seçenek sunuyor. Ayrıca, toryum reaktörüyle çalışan konteyner gemileri Çin Devlet Gemi İnşa Şirketi (CSSC) tarafından ortaya konmuştur.

Hızlı / Üretici / Yakıcı Reaktörler

Hızlı reaktörler, klasik nükleer reaktörlerdeki moderatörler tarafından yavaşlatılmayan “hızlı nötronlar”a dayanır. Bu, reaktörün hızlı nötronları kullanarak aktinid ailesinin (uranyum ve plütonyum dahil) elementlerini tüketebilecek şekilde tasarlanmasını sağlar.

Kaynak: Sciences Notes

Klasik reaktör yakıtı uzun ömürlü aktinidlerin karmaşık bir karışımına dönüştüğü için, bu element sınıfı nükleer atıkta ana sorundur.

Yakıcı reaktörler, harcanmış nükleer yakıttaki sorunlu aktinidlerin çoğunu transmute eder, böylece işlenmiş atık daha az aktif, %90-98 daha az hacimli olur ve binyıllar yerine sadece on yıllar ya da yüzyıllar sürecek şekilde sorun yaratır.

Bu reaktör kategorisi genellikle soğutma sistemine göre sınıflandırılır; gaz, sodyum veya kurşun kullanılabilir.

4^th nesil olarak sınıflandırılsa da, bu aslında yeni ya da test edilmemiş bir teknoloji değildir. Özellikle Fransa’nın Phénix ve Superphénix reaktörleri, 1970-1990 yılları arasında nükleer atık yaktı, ancak sonunda işletme maliyetleri ve Yeşil Parti’nin politik baskısı nedeniyle kapatıldı.

Modern hızlı üreteç reaktörlerinin örnekleri arasında, örneğin, tasarlanmış ancak inşa edilmemiş GE-Hitachi tarafından PRISM bulunmaktadır.

Küçük Modüler Reaktörler (SMR’ler) ve Mikroraktörler

Çoğu nükleer reaktör, nükleer santraller olarak düşündüğümüz tipik büyük güç santralleri şeklinde tasarlanmıştır.

Yeni bir tasarım türü, nükleer santralleri bir kamyon (SMR) ya da standart bir konteyner (mikroraktörler) içinde taşınabilecek boyuta küçültmeyi hedefliyor.

Kaynak: Nuscale

Genel olarak, SMR’lerin şebekeyi veya büyük endüstriyel süreçleri güçlendirmesi beklenirken, mikroraktörler daha çok uzak bölgeler, askeri tesisler ve uzay keşifleri için kullanılacaktır.

Daha küçük boyut ve standart tasarım, SMR’lerin daha küçük ülkeler tarafından benimsenmesini de kolaylaştırmalıdır.

SMR’lerin bir diğer avantajı, endüstrinin genellikle tercih ettiği benzersiz özel tasarım yerine kamyon ya da gemi gibi seri üretim yapılabilmesidir. Teoride, bu ölçek ekonomileri ve maliyet düşüşü sağlamalıdır.

Pratikte, maliyetler en azından prototipler için beklenenden daha yüksek olabilir. Bu, SMR’lere olan heyecanın, belki de biraz abartılmış olmasından sonra bir miktar düşmesine yol açtı.

Yine de, SMR’lerin hızlı bir şekilde genişlemesi muhtemeldir; örneğin projeler Finlandiya, Norveç, Polonya, ABD, Kanada ve Arjantin‘de ilerlemektedir.

You can read more about the status of SMR technology in our article “Update on SMRs (Small Modular Reactor) – Still The Future of Nuclear Power”

Yüzen Nükleer İstasyon

Teknik olarak 4^th nesil olmasa da, yüzen güç istasyonları, geleneksel nükleer santral konseptinden köklü bir ayrışma sağlayan yeni bir kavramdır.

Çoğunlukla Rusya’nın Rosatom’u tarafından savunulan bu konsept, bazı uçak gemileri gibi nükleer enerjili gemilerden farklıdır.

Burada, geminin bütün amacı bir güç istasyonu olmaktır, ancak mobil bir yüzen istasyon. Boyut sınırlamaları nedeniyle bu, çok büyük bir SMR olarak da tanımlanabilir.

Kaynak: Power Technology

Bu konseptlerin uygulaması Rusya’nın Arktik bölgesinde, kıyı şehirlerine, çoğunlukla madencilik ve petrol & gaz çıkarımına odaklanarak güç sağlamak için kullanıldı. Bu ortamda, istasyonun “atık ısısı” boşa gitmez ve bölgesel ısıtma için kullanılabilir.

Daha geniş bir uygulama, nükleer teknolojiyi işletme deneyimi olmayan gelişmekte olan ülkelere getirmek olabilir. İstasyon, üreticisi tarafından işletilebilir ve güç, sadece şebekeye “takılarak” ana karaya satılabilir.

Konsept, adalara ve uzak bölgelere güç sağlamanın yanı sıra hızlı bir şekilde mobilize edilebilen bir afet yardım sistemi de sunabilir.

Örneğin, Gine zaten Rusya ile bu projede çalışmayı düşünüyor.

Westinghouse ve Prodigy da bu fikri araştırıyor, ayrıca Kore’nin KSOE & Kepco, ya da Danimarkalı Seaborg erimiş tuz teknolojisini deniz üstü güç santralleriyle birleştiriyor.

Maliyetler

Nükleer enerjiye yöneltilen son eleştirilerden biri maliyettir.

Bu, büyük ölçüde ABD ve Avrupa’daki son nükleer projelerin büyük maliyet aşımlarıyla karşılaşmasından kaynaklanıyor. Örneğin, Georgia’daki Vogtle santrali 37 Milyar dolar maliyetle, bunun 20 Milyar doları maliyet aşımları ile sonuçlandı. Ya da Finlandiya’daki Olkiluoto-3 santrali 11 Milyar € yerine başlangıçta beklenen 3 Milyar €’ye ulaşamadı.

Vogtle’nin 14 yıl inşa süresi ve Olkiluoto’nun başlangıç tahmininden 12 yıl sonra hizmete girmesi, maliyetlerin şişmesinin başlıca nedenidir.

Ancak bu bir felaket değildir. Aynı dönemde, Bloomberg, Çin’in sadece 17 Milyar dolar karşılığında 6 nükleer reaktör inşa ettiğini ortaya koydu.

Batı’daki maliyet artışı çoğunlukla üç faktöre bağlanmaktadır:

1. Artan düzenleyici yük.
   1. Bunun bir kısmı güvenlik üzerindeki artan denetimden kaynaklansa da, bazıları bunu endüstri için bürokratik engeller ve politik olarak motive edilmiş engeller olarak eleştiriyor.
2. Artan sermaye maliyeti.
   1. Nükleer santral maliyetleri çoğunlukla inşaat aşamasında önceden ödenen maliyetler olduğundan, düşük sermaye maliyetleri nihai fiyatı büyük ölçüde düşürür. Genellikle, Çin nükleer projeleri devletten düşük faizli krediler alır.
3. Yetersiz proje sayısı.
   1. Daha fazla santral bir arada inşa edilirse, üreticiler üretimi standartlaştırabilir ve ekipmanları tek tek özelleştirilmiş tasarımlar yerine toplu ya da seri olarak üretebilir.
   2. Daha istikrarlı bir proje akışı, nitelikli personelin eğitilmesi ve elde tutulmasına da yardımcı olur.

Bu sorunların her biri çözülebilir.

Aşırı düzenleyici yük azaltılabilir, sermaye devlet tarafından harekete geçirilebilir. Daha fazla proje ve istikrarlı bir enerji politikası, tedarik zincirini yeniden inşa edecektir.

Nükleer Enerji Şirketleri

1. Cameco Corporation

Nükleer enerji, uranyum arzına bağlıdır. Uranyum çok nadir bir kaynak değildir, ancak yüksek konsantrasyonlu yataklar kolay bulunmaz.

Pazar, Kazakistan’da Kazatomprom ve Kanada’da Cameco tarafından domine edilmektedir. Diğer uranyum üreticileri de vardır, ancak bu iki şirket, daha düşük üretim maliyetlerine sahip olmalarıyla açık ara en büyüklerdir. Sonuç olarak, Cameco mevcut ve gelecekteki nükleer santrallerin ihtiyaç duyduğu ham maddeleri temin etmede merkezde olacaktır.

Kaynak: Cameco

Ancak, Cameco’nun madencilik bölümü sadece hikâyenin yarısıdır. Bunun nedeni, 2022’de Cameco’nun, ABD’deki önde gelen nükleer santral inşaçisi Westinghouse üzerinde çoğunluk kontrolü elde etme kararını, dev bir yatırım firması Brookfield ile birlikte almasıdır.

Bu, Cameco’ya Westinghouse’un mevcut santrallerden elde ettiği istikrarlı gelirlerine ve büyük bir nükleer tedarik zincirinin kontrolüne erişim sağlar. Sıkı düzenlemeler nedeniyle, bu parçalar ve ekipmanlar yeni bir santral, geleneksel ya da SMR olsun, herhangi bir yeni santral için gerekli olacaktır.

Westinghouse’un yenilik potansiyelinin iyi bir göstergesi, yakın zamanda açıklanan AP300 SMR tasarımı‘dır; bu tasarım muhtemelen Slovakya’da, Finlandiya’da ve İsveç’te kullanılacaktır.

Dolayısıyla Cameco, uranyum fiyatlarına bir bahis olduğu gibi, Westinghouse’un hâlâ hakim olduğu nükleer santral inşa pazarında sağlam bir kontrol sağlamaktadır. Brookfield ile ortaklık, şirketin 19 Milyar $ değerindeki Brookfield Renewable Partners (BEPC ) (BEP ) (BEP) şeklindeki büyük yenilenebilir/düşük karbon enerji üretim bölümü sayesinde de faydalı olabilir.

2. Mirion Technologies, Inc.

Reaktörler ve yakıt teknolojilerinin yanı sıra, nükleer enerji üretimi, birçok algılayıcı, parça ve diğer “küçük” ekipmana büyük ölçüde bağımlıdır; bu ekipmanların kusursuz çalışması güvenilir olmalıdır.

Böyle bir kategori, Mirion’un (ABD) temel işi olan radyasyon tespitidir. Nükleer enerji düzenlemeleri, personelin, çevrenin radyasyon maruziyetine çok sıkı kontroller ve olası sızıntı ya da kontaminasyonun erken tespiti gerektirir. Aynı durum, kanser tedavisi ve görüntüleme gibi radyoaktif bileşiklerin tıbbi kullanımına da uygulanır.

Kaynak: Mirion

Şirket, savunma sanayi, siber güvenlik ve eğitim hizmetleri için bilimsel analiz ve araştırma amaçlı fiziksel ölçümler, devreden çıkarma ve dekontaminasyon cihazları alanında da aktiftir. Şirket 2020 yılında halka arz edilmiştir.

Mirion’un gelirleri, medikal segmenti ve endüstriyel müşterileri tarafından eşit şekilde desteklenerek istikrarlı bir şekilde artmıştır.

Mirion, yeni reaktör tasarımları, yüksek yoğunluklu yakıt veya askeri uygulamalar üretmek yerine radyasyonu izleyen ve ölçen, nükleer tedarik zincirinin daha az “göz alıcı” bir parçasıdır. Bu, finansal açıdan daha az ilgi çekici olduğu anlamına gelmez.

Dolayısıyla, Mirion, nükleer enerji hakkındaki hâlâ yüksek kamu şüphesinden de fayda sağlayacak; bu da deneyimli ve test edilmiş tedarikçiler tarafından sağlanan her yerde bulunan, verimli ve güvenilir radyasyon sensörleri ve monitörleri gereksinimlerini güçlendirecektir.