Nükleer Enerji Fosil Yakıtların Yerine Geçebilir mi?
Fosil yakıtların tükenmesinden bahsedildiğinde en yaygın tepki nükleer enerjinin fosil yakıtların yerine geçebileceği dolayısıyla fosil yakıtların tükenmesinin insanlık için ciddi bir problem olmayacağıdır. Bu yazıda bu iddianın ne kadar makul olduğunu inceleyeceğiz.
Nükleer enerji fosil yakıtların yerine geçeceği iddia edilen güneş ve rüzgar gibi diğer alternatif enerji kaynaklarıyla ortak problemleri paylaşır. Bunlar arasında en önemlisi söz konusu alternatif enerji kaynaklarının küresel birincil enerji tüketimi (global primary energy consumption) içerisinde çok küçük bir paya sahip olmasıdır. Nükleer enerjinin payı sadece %4.3’tür. Küresel elektrik üretimindeki payı ise yaklaşık %10’dur ve bu oran düşmektedir. Dolayısıyla nükleer enerjinin fosil yakıtların yerini alabilmesi için muazzam ölçülerde yatırım gerekmektedir. Fosil yakıtlardan üretilen elektriğin tamamının nükleer enerjiden üretilen elektrik ile ikame edilebilmesi için nükleer kapasitesinin yaklaşık 10 kat arttırılması gerekirdi (Muellner ve ark., 2021). Fosil yakıtların üretim oranları zirve yapmadan önce bu gerçekleştirilemeyeceği gibi yaklaşık 30 yıldır kapasite artışı yavaşlamış ve dünyadaki hükümetlerin planlarına bakıldığında gelecekte de kayda değer ölçüde artması söz konusu değildir.
Diğer alternatif enerji kaynakları gibi nükleer enerjiden de sadece elektrik üretilmektedir. Dolayısıyla nükleer enerjinin, hızlı bir elektrifikasyon süreci yaşanmadığı takdirde, petrolün yerine geçmesi mümkün değildir. Nükleer enerji belli bir ölçüde kömüre ve doğalgaza alternatif olabilir. Yalnızca nükleer enerji ile fosil yakıtların tükenmesini tam anlamıyla telafi edebilmek mümkün değildir.
Nükleer enerjinin, yerine geçeceği iddia edilen fosil yakıtlara benzer problemleri de vardır. Nükleer santrallerin yakıt olarak kullandığı uranyum sınırlı bir kaynaktır ve genellikle fosil yakıtlarda olduğu gibi sadece bir defa kullanılır. Dünyadaki uranyum rezervleri ve uranyum üretimi, nükleer enerji kapasitesinin fosil yakıtları ikame edecek düzeyde genişlemesine izin vermeyecek kadar düşüktür. Aslına bakılırsa küresel uranyum üretimi 1980 yılında zirve yapmıştır. 1990’dan itibaren yıllık uranyum üretimi, nükleer santrallerin ihtiyacı olan uranyum miktarının altında kalmaya başladı. 2000 sonrası Kazakistan’daki üretimin yükselişiyle küresel uranyum üretimi hızlı bir şekilde artmasına rağmen, bu artış, 1980 yılındaki üretim oranını aşmadan, 2016 yılında 63 bin ton ile zirve yaptıktan sonra tekrar düşmeye başlamıştır ve 2021 yılında yıllık 48 bin tona kadar düşmüştür. Yıllık ihtiyaç duyulan uranyum ise yaklaşık 62 bin tondur. Üretim oranı ve talep arasındaki fark büyük ölçüde ikincil uranyum kaynakları olarak bilinen eldeki stoklar ve askeri savaş başlıkları ile kapatılmaktadır. Bunun dışında geri dönüşüm yoluyla elde edilen karışık oksit (mixed oxide) yakıt gibi başka ikincil kaynaklar da bulunmaktadır. Fakat bu kaynağın katkısı oldukça düşüktür, yıllık sadece 2 bin ton uranyumun tasarruf edilmesini sağlar. Yakın gelecekte ikincil uranyum kaynaklarının tükenmesiyle hızlı fiyat yükselişleri, uranyum arzındaki sıkıntılar ve elektrik kesintileri gibi sebeplerle ülkeler zorunlu olarak nükleer enerjiden vazgeçebilir (Dittmar, 2011).
(Arnold ve Gufler, 2014) üretim oranlarına ilişkin literatürdeki farklı senaryolar ile IAEA’nın talep senaryolarını karşılaştırır. Buna göre, yüksek bir talep senaryosunda, iyimser üretim oranları bile talebin çok altında kalmaktadır. Dolayısıyla uranyum kaynaklarının yetersizliği nedeniyle nükleer enerjinin kapasitesinin arttırılıp fosil yakıtların yerine geçebilmesi mümkün değildir. Üretim oranları yerine uranyum rezervlerine baktığımızda da durum farklı değildir. (Liebert ve Englert, 2015) bunu kanıtlamak için basit bir nükleer genişleme senaryosu oluşturur. 2050’ye kadar nükleer kapasitesinin 4 katına çıkacağı varsayıldığında bu o tarihe kadar 6-7 milyon tonluk mevcut rezervlerin tamamının tükenmesiyle sonuçlanırdı. Sonrasında on yıllık talep 2.7 milyon ton uranyum olurdu. Nükleer kapasitesinin 10 katına çıktığı bir senaryoda ise 2050’ye kadar uranyum talebi 12 milyon tonu bulurdu. Bu kadar büyük miktarlardaki uranyum talebinin karşılanabilmesi olası değildir.
Nükleer enerjinin kaynak problemine karşı önerilen bazı çözüm önerileri de bulunmaktadır ve bunlar nükleer kapasitesini genişletme lehine bir argüman olarak kullanılır. Bu argümanlar ikiye ayrılabilir: geleneksel olmayan uranyum kaynaklarına dayalı olanlar ve IV. nesil nükleer reaktörlerin geliştirilmesine dayalı olanlar.
Uranyum kaynakları geleneksel ve gelenek olmayan olarak ikiye ayrılabilir. Geleneksel olmayan uranyum kaynakları ya aşırı düşük kalitededir ya da başka bir kaynağın önemsiz bir yan ürünü olarak üretilir. Bunların örnekleri deniz suyu ve fosfat kayalarıdır. Uranyum deniz suyunda aşırı bol miktarlarda bulunmasına rağmen, konsantrasyonu 0.003 pmm (parts per million) düzeyindedir. Madenlerden üretilene göre oldukça düşük miktarlardaki uranyumun elde edilebilmesi için bile devasa miktarlarda suyun pompalanması gerektiği için deniz suyunu pompalamaya harcanan enerji, uranyumdan elde edilen enerjiyi fazlasıyla aşmaktadır. Şuana kadar laboratuvarda geliştirilen hiçbir uranyum ekstraksiyon teknolojisinin endüstriyel uygulaması bulunmamaktadır ve tahmin edilen maliyetleri oldukça yüksektir (Gabriel ve ark., 2013). İkinci geleneksel olmayan kaynağa gelirsek, fosfat kayası rezervlerine dayanarak uranyum miktarının 9-22 milyon ton olabileceği tahmin edilmiştir. Bu kaynaklardan 1990’lara kadar 20 bin ton uranyum üretildikten sonra süreç ekonomik olmadığı için üretim durmuştur. Uranyum üretimi fosfat üretimine bağlı olduğu için fosfat üretimi hızlı bir şekilde artmadığı sürece sadece bu kaynak ile dünyanın uranyum ihtiyacını karşılamak mümkün değildir.
Kıt uranyum kaynaklarına karşı ileri sürülen ikinci argüman hızlı nötron reaktörlerinin(fast neutron reactors) ve hızlı üretken reaktörlerinin (fast breeder reactors) geliştirilip geleneksel nükleer reaktörlerin yerini alacağı iddiasıdır. Günümüzde ticari olarak mevcut nükleer reaktörler termal nötron reaktörleridir. Hızlı nötron reaktörleri ve termal reaktörler arasındaki temel fark fizyon sırasında açığa çıkan nötronları yavaşlatacak bir moderatörün olup olmamasıdır. Termal reaktörlerde moderatör olarak su ya da ağır su kullanılır.
Termal reaktörlerin yerini almaya aday gösterilse de hızlı nötron reaktörleri nükleer enerjinin en erken aşamalarında geliştirilmeye başlanmıştır. Fakat önemli bazı teknik problemler ve o dönemlerde uranyumun bol bulunması sebebiyle kısa sürede bu reaktörlerin hafif su reaktörleri (light water reactors) ile ticari olarak rekabet edemeyeceği anlaşılmıştır. Hızlı reaktörlerin operasyonel açıdan da kötü bir tarihi vardır. Bunun tek istisnası %75 kapasite faktörüne ulaşabilen Rusya’nın BN-600 reaktörüdür.
Hızlı reaktör tipleri arasında en fazla geliştirileni sodyum soğutmalı hızlı reaktörlerdir. Geçmişte bu reaktörlerin çoğu sodyum sızıntıları nedeniyle kapatılmak zorunda kalınmıştır. Sodyum sızıntıları dünyanın her tarafındaki çok sayıda reaktörde görüldüğü için bu reaktörlerle ilgili temel bir probleme işaret etmektedir (Pillai, 2014). Sodyum su ve havayla reaksiyona girebildiği için bu sızıntılar genellikle yangınlara sebep olur. Günümüzde 440 tane işletilebilir nükleer reaktörün sadece iki tanesi hızlı nötron reaktördür. Hızlı nötron reaktörleri ve benzeri gelişmiş reaktör teknolojilerinin 2030’dan önce ticari olarak kullanıma girmeye başlaması öngörülmemektedir (NEA/IEA, 2015).
Sonuç olarak, nükleer enerji gelecek vaat eden bir enerji kaynağı değildir. Yine de olası teknolojik atılımların önünü tamamen kesmemek için nükleer enerjiden faydalanmaya devam etmek mantıklı bir yol olabilir. Uranyum kaynaklarının yetersizliği sebebiyle nükleer enerjinin fosil yakıtların yerine geçebilmesi ya da iklim değişikliği ile mücadeleye kayda değer bir katkıda bulunması mümkün değildir. Bununla birlikte, bu durum nükleer enerjiden hızlı bir çıkışı gerektirmez. Yenilenebilir enerji kaynakları ile ikame edilmediği sürece nükleer enerjiden elektrik üretiminin durdurulması arzu edilir değildir.
Referanslar
1-Muellner, N., Arnold, N., Gufler, K., Kromp, W., Renneberg, W., & Liebert, W. 2021. Nuclear energy - The solution to climate change? Energy Policy, 155. 1–10
2-Dittmar, M., 2011. The End of Cheap Uranium. Sci Total Environ 461/462: 792–798.
3-Arnold, N., Gufler, K., Jun 2014. Comparing recent uranium supply scenarios. In: URAM 2014 – International Symposium on Uranium Raw Material for the Nuclear Fuel Cycle. Wien.
4-Liebert, W., Englert, M., 2015. Nuclear fuel chain: uranium resources and associated risks. In: Hartard, S., Liebert, W. (Eds.), Competition and Conflicts on Resource Use. No. 46 in Natural Resource Management and Policy. Springer International Publishing, Cham, Heidelberg, etc., pp. 75–92
5-Gabriel, S., Baschwitz, A., Mathonni`ere, G., Fizaine, F., Eleouet, T., Dec. 2013. Building future nuclear power fleets: the available uranium resources constraint. Resour. Pol. 38: 458–469.
6-Pillai, S.R., Ramana, M.V., May, 2014. Breeder reactors: a possible connection between metal corrosion and sodium leaks. Bull. At. Sci. 70: 49–55
7-NEA, IEA, 2015. Technology Roadmap: Nuclear Energy, OECD Publishing.