Nisan 2010 tarihi itibariyle dünyada işletmedeki nükleer reaktör sayısı 438 adet, toplam kurulu kapasite 372.006 GWe olup dünya elektrik üretiminin yaklaşık % 14’ünü karşılamaktadır. Halen 57 adet nükleer reaktör inşa halindedir (Şekil 10.1).
Şekil 10.1. Nükleer Gücün Tarihsel Gelişimi
Büyük bölümü 1990 yılından önce kurulmuş olan bu kapasiteye, mevcut tesislerden bir bölümünün ömrünü doldurması neticesinde, bazılarının kapatılması ve birkaç yeni santralin kurulması ile az miktarda yeni ilaveler yapılmıştır. 2020 yılı ve sonrası için yapılan projeksiyonlar, mevcut 372 GWe’lik kurulu kapasiteye karşın 334-446 GWe aralığında kararlı bir tablo ortaya koymaktadır. Bununla birlikte Şekil 10.2, bu projeksiyonlara yansımayan önemli bölgesel değişimleri göstermektedir. Mevcut eğilimler ve mevcut tesislerin ömründeki artışa karşın, en azından Batı Avrupa’da kurulu kapasitenin yavaşça azalacağı beklenmektedir. Buna karşın, Uzak Doğuda yaşanan ve artacağı öngörülen hızlı büyüme sonucu Çin, Güney Kore ve Japonya çok sayıda nükleer santral inşa etmektedir. Doğu Avrupa’da, özellikle Rusya ve Ukrayna’da önemli büyüme yaşanmakla birlikte, diğer ülkelerdeki yaşlı tesislerin planlı olarak hizmetten alınmasına rağmen, kapasite artışları dengelenmektedir. Kuzey Amerika’da ise, mevcut tesislerin kullanım sürelerinin uzatılmasına yönelik lisanslama ve yenileme çalışmaları ile birlikte başta yeni nesil nükleer sistemler olmak üzere nükleer enerjiye ilişkin yeniden önemli değerlendirmeler yapılmaktadır.
Şekil 10.2. 2020 Yılı İçin Yapılan Kurulu Nükleer Elektrik Üretim Kapasitesi
(düşük ve yüksek projeksiyonlar)
Gelecekte nükleer enerjinin durumu; enerji talebindeki artış, fosil yakıtlarla ekonomik rekabet, çevresel duyarlılıklar ve kamuoyu tutumu ve algısına ilişkin konular olmak üzere bu dört etmenin birbiriyle ilişkisine bağlıdır. Bu etmenlerin istenen biçimde çözümlenmesine ve teknolojik gelişmelere bağlı olarak, hidrojen üretimi, deniz suyundan tatlı su üretimi ve tıbbi amaçlara yönelik kapsamlı radyoizotop üretimi dahil olmak üzere nükleer enerjinin yeni ve çok sayıda uygulaması gündeme gelebilecektir. Potansiyel uygulamalar ve nükleer enerji sistemlerinin performansının geliştirilmesine yönelik çok sayıda araştırma sürdürülmektedir.
Nükleer enerjinin geleceğini etkileyen etmenleri kestirmek oldukça zordur. Bu etmenlerin, mevcut eğilimlerde değişiklik olmaksızın sadece ekonomik faktörlerden kaynaklanması durumunda nükleer enerjinin yüksek yatırım ve düşük üretim maliyeti özelliği, serbest ve yüksek rekabetçi piyasada, mevcut santrallerin ömürlerini doldurana dek işletilmesi ve yenilerinin kurulmaması gibi bir duruma yol açabilecektir. Ancak, artan dünya enerji talebi yeni santrallerin kurulmasına yönelik kararların alınmasını gerektirecek ve bu senaryo aşağıda belirtilen etmenlerden olumlu veya olumsuz etkilenmesine bağlı olarak değişebilecektir:
- Nükleer enerjinin sera gazı emisyonunu düşürme hedeflerini sağlamada görülen katkısının ölçüsüne bağlı olarak çevresel duyarlılıklar,
- Yakıt temini güvenliğine ilişkin kaygılar,
- Nükleer silahların yayılmasına dair endişeler,
- Yeni nükleer santrallerin, yenilenebilir enerji kaynakları dahil olmak üzere diğer enerji kaynakları ile rekabet edebilirliği,
- Nükleer enerji ve önerilen atık depolama planlarına yönelik kamuoyu eğilimleri,
- İleri teknolojilerin çeşitli enerji kaynaklarının göreli rekabetini değiştirebilme ölçüsü.
Nükleer Enerjinin Alternatif Kullanım Alanları
Nükleer enerjiden bugüne kadar sadece elektrik üretiminde yararlanılmamıştır. Bununla birlikte, diğer kullanım ve uygulama alanlarındaki potansiyeli de nükleer enerjinin geleceğini etkileyecektir.
Hidrojen üretimi
Hidrojen, halen dünyada yıllık 45 milyon tonluk tüketim ile önemli bir endüstriyel madde durumundadır. Başlıca kullanım alanları kimyasal madde, gübre üretimi ve petrol rafinesi olan hidrojene olan talebin, yüksek kalitedeki petrol stoklarının tükenmesi ve daha temiz yakıtlar ön plana çıkana kadar önemli oranda artması beklenmektedir. Hidrojenin temiz yakıt olarak önemli bir potansiyeli bulunmaktadır. Hidrojenin, dünya enerji talebinin en hızlı büyüyen bileşeni olan motorlu taşıtlarda kullanılan karbon yakıtların yerini alması potansiyeline yönelik çok sayıda araştırma yürütülmektedir. Bunun başarıyla kanıtlanması durumunda hidrojene olan talep önemli ölçüde artacaktır. Ancak, mevcut hidrojen üretimi, kendisi de karbon salıcı olan doğal gaz kullanımını içermektedir. “Sürdürülebilirlik“ testini geçmeden önce ve tükenmez olmasına karşın, karbon yakıtlar kullanmaksızın doğrudan sudan hidrojen üretimi için daha ekonomik yöntemlerin bulunması gereklidir.
Nükleer enerji, gerekli yüksek sıcaklıklı ısının veya elektriğin üretimi yoluyla önemli bir “sürdürülebilir” hidrojen üretim kaynağı olabilir. Nükleer Enerji Kullanılarak Hidrojen Üretimi (2001) konulu Nükleer Enerji Ajansı raporunda şu sonuca varılmıştır:“Nükleer enerjinin kullanımı ile hidrojen üretiminin 21.yy küresel enerji arzına önemli katkıda bulunma potansiyeli mevcuttur. Hidrojenin, suyun ayrıştırılması ve fosil hammaddenin nükleer destekli dönüşümü yoluyla üretimi, teknik olarak yapılabilirdir ve bu küresel sera gazı emisyonunu azaltacak enerjiyi sağlayabilir.”
Yüksek sıcaklıklı gaz soğutmalı reaktörler veya sıvı metal soğutmalı reaktörler gibi çeşitli yüksek sıcaklıklı reaktör tipleri doğrudan hidrojen üretimi için gerekli sıcaklıkları (1000oC’ye yakın) sağlayabilecektir. Nükleer enerjinin kullanımı ile hidrojen üretimine yönelik araştırma ve geliştirme faaliyetleri çeşitli ülkelerde ve NEA ile UAEA gibi bazı uluslararası kuruluşlar aracılığıyla yürütülmektedir.
Deniz suyundan tatlı su üretimi
Gerekli kalitede tatlı su yaşam için şarttır. Özellikle başta Afrika, Asya ve Orta Doğu olmak üzere dünyanın birçok bölgesinde, tarım, endüstri, kentsel gelişim ve artan nüfusun talebinin karşılanmasındaki zorluk artmaktadır.
Deniz suyunun arıtılması önemli miktarda ısı gerektirmekte olup halen nükleer güçle işletilen arıtma tesisleri Japonya ve A.B.D.’de kullanılmaktadır. Bu tesisler büyük ölçekli üretimden ziyade tesis bölgesine gerekli tatlı suyu sağlamaktadır. Bununla birlikte, tuzlu suların arıtılmasına gereksinimin artması durumunda, nükleer enerjinin fosil kaynaklara alternatif olarak ısı kaynağı sağlayabileceğini başarıyla göstermektedir. Arjantin, Çin, Hindistan, Fas, Pakistan, Kore Cumhuriyeti ile Rusya Federasyonu bu seçeneğe ilgi göstermektedir.
Proses ısısı ve ısıtma
Nükleer enerjinin mevcut ve gelecekte de artma potansiyeli olan uygulamalarından biri de nükleer reaktörlerin, elektrik üretimi ile birlikte ya da sadece endüstriyel proses ısısı veya bölgesel ısıtma için gerekli sıcak su veya buhar sağlamak amacıyla kullanılmasıdır. Nükleer enerjinin bu amaçlı kullanımında A.B.D., Almanya, Bulgaristan, Çin, İsviçre, Japonya, Kanada, Kazakistan, Macaristan, Rusya Federasyonu, Slovak Cumhuriyeti ve Ukrayna’da önemli deneyim elde edilmiştir. Halen dünyadaki nükleer reaktörlerde üretilen ısının yaklaşık %1’i bu uygulamalarda kullanılmakta olup küçük ve orta ölçekli nükleer reaktörlerin özellikle ısı üretimine yönelik olarak geliştirilmesi bunun artmasına katkıda bulunabilecektir. Buna yönelik çalışmalar çeşitli ülkelerde sürdürülmektedir.
İzotop üretimi
Hem radyoaktif hem de kararlı izotoplar başta tıp, endüstri, tarım, gıda ve araştırmalar olmak üzere yaygın olarak kullanılmaktadır. 2000 yılında, 60’tan fazla ülkede 70 araştırma ve güç reaktöründe izotop üretilmiştir.
Birçok uygulamada izotoplara alternatifler bulunamamakta, çoğunda da diğer alternatiflere göre izotoplar daha etkin ve ekonomik olmaktadır. Geçmişte genellikle araştırma faaliyetlerinde yan ürün olarak üretilmekle birlikte son yıllarda izotop üretimine yönelik birçok tesis ya işletmeye alınmış, ya inşa halinde ya da kurulması planlanmaktadır. Uygulamalardan bazılarına kısaca değinildiğinde önemi ve uygulama çeşitliliği ortaya çıkacaktır.
Tıp uygulamaları
İzotoplar tıpta 30 yılı aşkın süredir rutin olarak kullanılmakta ve halen dünyada yılda 30 milyon önemli işlemde uygulanmaktadır. Gama görüntüleme teşhis kameraları ile tümörlerin ve çok çeşitli diğer rahatsızlıkların tespitinde (kardiyolojik hastalıklar gibi) yaygın olarak kullanılmaktadırlar. Bu amaçlarla kullanılan başlıca izotop reaktörlerde üretilen 99Tc’dur.
Vücuda uygulanan radyoaktif kaynaklar (brakiterapi) serviks, uterus, göğüs, akciğer, pankreas ve prostat gibi çeşitli kanserlerin tedavisinde kullanılmaktadır. Bu amaçla kullanılan önemli izotoplar reaktörlerde üretilen iyot (125I) ve paladyumdur (103Pd).
Şekil 10.3. Reaktörlerde Üretilen İzotopların Çeşitli Kullanım Alanları
Tarım ve endüstriyel uygulamalar
Endüstri, başta enstrümantasyon ve proses ekipmanlarında olmak üzere izotop kullanımının önemli alanlarından biridir. Uygulamalar analitik ve güvenlik enstrümantasyonu, kirlilik ölçümü, fiziki ölçüm, gıda ışınlama ve tahribatsız muayeneyi kapsamaktadır. Gıda ışınlama, baharat, meyve, et, balık ve kümes hayvanı etlerine başarıyla uygulanmaktadır. Dünya Sağlık Örgütü (WHO), Birleşmiş Milletler Gıda ve Tarım Örgütü (FAO) ve A.B.D. Gıda ve İlaç İdaresi bu uygulamaları onaylamıştır. Güvenlik ve gıda besin değerlerinin iyileştirilmesinde kullanılmak üzere buna izin veren ülke sayısı artmaktadır.
İzotop kullanım eğilimleri
İzotop kullanım eğilimleri, bazı izotoplar önem kaybederken bazılarının önem kazanması ve sektörden sektöre yada bölgeden bölgeye farklılık göstermesi nedeni ile kolayca belirlenememektedir. Tıp alanında, gittikçe genişleyen uygulama alanları ile izotop kullanımı artarak sürmektedir. Ancak, her belirli uygulama için eğilim değişmektedir. Örneğin, uzaktan kumandalı kobalt terapisinin devamlı azalacağı, buna karşın izotopların brakiterapideki kullanımında ani artışların olacağı beklenmektedir. Palyatif bakım gibi yeni uygulamaların geliştirilmesi, yeni izotoplarla birlikte halen kullanılmakta olan izotoplara da ilave talep yaratacaktır.
Endüstriyel uygulamalardaki izotop talebi nispeten kararlıdır. Ancak, gıda ışınlamasının yaygınlaşması durumunda büyük miktarlarda radyoaktif kobalt talebi ortaya çıkacaktır.
Araştırma ve Geliştirme
Tüm nükleer enerji uygulamalarının temeli olan Ar-Ge bilgi birikiminin gelişmesine önemli katkılarda bulunmuştur. Ar-Ge faaliyeti alanlarına giren konular arasında ağırlıklı olarak ileri reaktörler ve yakıt çevrimleri, ileri atık yönetimi ve güvenli işletme desteği gibi üç ana konu görünmektedir. Araştırmalar; akademiler, hükümetler (düzenleyici kurumlar dahil olmak üzere) ve endüstrilerce, nükleer Ar-Ge alanında uluslararası işbirliklerine daha fazla önem verilerek, yalnız veya işbirliği halinde yürütülmektedir.
Gelişmiş reaktörler ve yakıt çevrimleri
Hafif Sulu Reaktörler (LWR) günümüzde esasen olgun teknolojilerdir. Dolayısı ile, güvenlik, işletme ekonomisi ve esnekliği iyileştirmeyi amaçlayan yeni reaktör tasarımları mevcut kavramların evrimini temsil etmektedir. 2015 yılı itibariyle ya da daha önce ticari kullanıma hazır olması beklenen tasarımlar şunlardır:
- İkisi Japonya’da yeni kurulmuş olan ileri kaynar sulu reaktör (ABWR), BWR 90+ ve basitleştirilmiş sulu reaktör tasarımı (SWR 1000) dahil olmak üzere yeni kaynar sulu reaktör (BWR) tasarımları.
- A.B.D. düzenleme kuruluşu (NRC) tarafından onay almış AP600 ile 1000 MWe gücündeki AP1000 versiyonu, ayrıca Avrupa Basınçlı Su Reaktörü (EPR) ile “yenilikçi ve güvenli uluslararası reaktör” (IRIS) gibi ileri basınçlı su reaktörleri.
- Çakıl yataklı modüler reaktör (PBMR) ile gaz türbinli modüler helyum reaktörü (GT-MHR) dahil olmak üzere gaz soğutmalı yüksek sıcaklıklı reaktör tasarımları.
İlgi uzun vadede, yenilikçi nükleer enerji teknoloji ve yakıt çevrimlerine odaklanmıştır. Araştırılmakta olan kavramlar arasında sıvı metal soğutmalı reaktörler, yüksek sıcaklıklı reaktörler, toryum yakıt kullanan reaktörler ile uranyum ve plütonyum kaynaklarının daha verimli kullanılmasını sağlayan geliştirilmiş yakıt çevrimleri bulunmaktadır. Bu ileri teknolojiler nükleer enerjinin sürdürülebilirliğini büyük oranda iyileştirmeyi vaat etmektedir. Örneğin, hızlı üretken reaktörler, prensip olarak, uranyum kaynaklarının kullanım etkinliğini yaklaşık 50 kata kadar iyileştirebilmektedir (Tablo 10.1).
Tablo 10.1.Teknolojik İlerlemelerin Kaynak Kullanılabilirliğine Etkisi[1]
Reaktör/Yakıt Çevrimi |
Elektrik Üretim Süreleri (Yıl) |
|
|
Sadece konvansiyonel uranyum ve |
Toplam uranyum ve |
Mevcut yakıt çevrimi (LWR, tek geçişli) |
326 |
8 350 |
Kapalı (çevrimli) yakıt çevrimi (sadece plütonyum, tek çevrimli) |
366 |
9 410 |
Hafif sulu reaktör ve kapalı yakıt çevrimli hızlı reaktör |
488 |
12 500 |
Sadece, kapalı yakıt çevrimli hızlı reaktör |
10 000 |
250 000 |
Kapalı (çevrimli) ileri toryum/uranyum yakıt çevrimi |
17 000 |
35 500 |
Dördüncü Nesil Uluslararası Forumu (GIF)
Bu girişim, 2030 yılı itibarıyla ticari olarak kullanılabilecek bir veya daha fazla sayıda nükleer sistemin (“dördüncü nesil” nükleer sistemler) geliştirilmesine yönelik olarak ilgili ülke, endüstri ve araştırma topluluklarının işbirliği ile 2000 yılı sonunda başlatılmıştır. Buradaki amaç; ekonomi, güvenlik ve güvenilirlik, sürdürülebilirlik, nükleer silahların yayılmasına direnç ve fiziksel korunma alanlarında ilerlemeler sağlamaktır. 2003 yılı başı itibarıyla bu grubun üyeleri A.B.D., Arjantin, Brezilya, Fransa, G. Afrika, G. Kore, İngiltere, İsviçre, Japonya ve Kanada’dır.
2002 Ekim ayında, altı nükleer enerji sistemi ortak Ar-Ge çalışmaları için seçilmiştir. Bu sistemler: sodyum soğutmalı hızlı reaktör (SFR), çok yüksek sıcaklıklı reaktör (VHTR), süper kritik su soğutmalı reaktör (SCWR), kurşun soğutmalı hızlı reaktör (LFR), gaz soğutmalı hızlı reaktör (GFR) ve eriyik tuz reaktörünü (MSR) kapsamaktadır. Bunlardan biri hariç diğerleri kullanılmış nükleer yakıt geri dönüşümünü içermektedir.
Uluslararası Yenilikçi Nükleer Reaktörler ve Yakıt Çevrimleri Projesi (INPRO)
Nükleer teknolojinin güvenli, sürdürülebilir, ekonomik ve nükleer silahların yayılmasına dirençli kullanımının desteklenerek 21.yüzyıl küresel enerji ihtiyaçlarının karşılanmasını amaçlayan bu uluslararası işbirliği projesi 2001 yılında UAEA tarafından başlatılmıştır. 2010 yılı itibarıyla 30 ülke ve Avrupa Komisyonu bu projeye üye olmuştur. Üye ülkeler arasında Türkiye de bulunmaktadır.
Gelişmiş atık işleme yöntemleri
Bölme ve dönüştürme, coğrafi depolama gerektiren atıkların yapısını değiştirme potansiyeli olan oldukça yeni bir yaklaşımdır. Bu işlem, yüksek seviyeli atığın radyoaktivite ve ısı üretimine en fazla katkıda bulunan uzun ömürlü radyonüklitlerin, nötron yakalama veya fisyonla daha kısa ömürlü olanlara dönüştürülmesini içerir.
Bu yönteme yönelik yoğun araştırma çalışmaları çeşitli işbirlikleri ile yürütülmektedir. Başlıca araştırma konuları, fisyon ürünleri ve uranyum ötesi elementlerin daha etkin olarak ayrıştırılmasına yönelik olarak ileri ayrıştırma teknolojileri ve dönüştürmeye yönelik olarak da hızlandırıcı güdümlü sistemlerin kullanılmasıdır.
A.B.D., Çin, Belçika, Fransa, İtalya ve Rusya Federasyonu dahil olmak üzere çeşitli ülkeler bu konularda araştırmalar gerçekleştirmektedir. Ayrıca, Fransa, Japonya, Güney Kore, A.B.D. ve Avrupa Komisyonu küçük ölçekli ortak işbirliği çalışmaları yürütmektedir.
Nükleer güvenlik araştırmaları
Nükleer teknolojilerde ilerlemeler sağlamaya yönelik Ar-Ge çalışmaları ile birlikte nükleer santrallerin güvenli işletimini desteklemek üzere hem ulusal hem de uluslararası programlar yürütülmektedir. OECD/NEA, Norveç’teki Halden Reaktör Projesi örneğinde olduğu gibi uluslararası düzeyde gerçekleştirilen çeşitli araştırma projelerini yürütmektedir. 40 yılı aşkın bir süredir yürütülmekte olan bu proje 20 ülkeden 100 kadar kuruluş tarafından desteklenmektedir. Diğer araştırma alanları ile birlikte, yakıt ve malzeme, santral performansı ve işletme güvenliğinin iyileştirilmesine yönelik araştırmalar gerçekleştirilmektedir.
Diğer Uluslararası Ar-Ge Faaliyetleri
Avrupa Birliği, üye ülke programlarını desteklemek üzere, Avrupa Komisyonu ve Ortak Araştırma Merkezleri (JRC) aracılığıyla çeşitli araştırma projelerini desteklemekte ve bunları yürütmektedir. Nükleer enerji alanındaki araştırmalar 7 JRC merkezinden 4’ünde yürütülmektedir. Bu merkezlerden, Belçika’nın Geel kentindeki Referans Malzemeler ve Ölçümler Enstitüsü (IRMM), yüksek çözünülürlüklü tesir kesiti ölçümleri de dahil olmak üzere nötron malzeme etkileşimi ölçümlerini gerçekleştirmektedir. Almanya’nın Karlsruhe kentindeki Uranyum Ötesi Elementler Enstitüsü’nde (ITU)Enerji Enstitüsü’nde (IE) nükleer güvenlik, yeni nükleer enerji sistemlerinin geliştirilmesi ve nükleer tıp konularında araştırmalar gerçekleştirilmektedir. İtalya’nın Ispra kentindeki Vatandaşların Korunması ve Güvenliği Enstitüsü’nde (IPSC) ise nükleer silahların yayılmasının önlenmesi ve nükleer güvenlik denetimleri alanlarında araştırmalar gerçekleştirilmektedir. temel aktinit araştırmaları, alfa-bağışıklık tedavisi, nükleer yakıt güvenliği, kullanılmış yakıt nitelendirme ile bölme ve dönüştürmeye yönelik araştırmalar yürütülmektedir. Hollanda’nın Petten kentindeki
UAEA, Eşgüdümlü Araştırma Programları aracılığıyla nükleer enerji, radyoaktif atık güvenliği, atık teknolojisi ve güvenlik denetimleri alanlarındaki diğer Ar-Ge çalışmalarını da desteklemektedir.