Küresel Isınma ve Nükleer Enerji- 14 Ekim 2005

 Prof. Dr. Sadık KAKAÇ

TÜBA Şeref Üyesi

1932 yılı Çorum doğumlu Prof. Dr. Sadık Kakaç, Orta Doğu Teknik Üniversitesi Makina Bölümü eski öğretim üyesidir. Isı transferi, termodinamik, iki fazlı akımlar, yakıt pilleri ve enerji sistemleri alanlarında araştırmalar yapan Prof. Kakaç, 2000 yılında TÜBİTAK Hizmet Ödülü, 1994 yılında Türk- Amerikan Bilim İnsanları Birliği'nin-Bilim Ödülü, 1997 yılında Amerika Makina Mühendisler Birliği'nin Isı Transferi Ödülü, 1989 yılında Alexander von Humboldt Seçkin ABD Bilim Adamı Ödülü olmak üzere çok sayıda ödüle sahiptir.
 

Yirminci yüzyılın ikinci yarısından itibaren dünyamız çok önemli enerji ve çevre problemleri ile karşılaşmaktadır. Şimdi ve gelecekte de insanlar değişik şekillerde ve küresel olarak çevre üzerinde büyük zararlar verecek faaliyetlerde bulunmaya devam edeceklerdir. Bunun başlıca sebebi nüfus artışlarının devam etmesi sonucunda enerji ihtiyacının artması ve insanların artan oranlardaki faaliyetleridir. Bunların sonucu olarak, yaklaşık bir asır içerisinde sera gazlarının atmosferdeki konsantrasyonu %50 artmıştır ki bu gazların en önemlisi fosil yakıtlarından açığa çıkan CO 2 dir.

Buna ek olarak binalardan ve taşıma araçlarından çıkan gazlar ve tarımdan gelen metanol, atmosferde bir gaz örtüsü oluşturmakta ve yeryüzünden elektromanyetik dalgalar halinde neşredilen ısıl-radyasyonun uzaya yayılmasını önleyerek tekrar yeryüzüne yansıtmaktadırlar. Bu durum küresel ısınmaya sebep olmaktadır. Hesaplanan yıllık ortalama sıcaklıklar gösteriyor ki, 1990-2000'li yıllar yirminci asrın en sıcak yılları olmuştur.

Dünyanın her köşesinde bilim adamları, doğada fiziksel değişikliklerin meydana geldiğini tespit etmişlerdir. Antartika'da buz dağlarının geriye hareket ederek kalınlıklarının azaldığını, Afrika ve Asya'da ise çöllerin arttığını görmüşlerdir. Pasifik Okyanusu'nda mercan dizileri "barnier" ölmektedir. Meteoroloji uzmanları, gelecekteki iklim şartlarını bugünkü değişimleri veri alarak, modeller geliştirerek tespit etmektedirler. Bütün bu modeller, yerküresi sıcaklığının bu asırda da artacağını göstermektedir.

Bugün, dünya, okyanuslar, atmosfer ve uzay arasındaki enerji alışverişini daha iyi anlamaktayız. Yapılan modellemeler, 21'inci yüzyılda dünya ortalama sıcaklığının 1.5 ile 6 ° C arasında belki daha da fazla artacağını göstermektedirler. Sıcaklıktaki ufak değişiklikler yağışlarda, ormanlarda ve tarımda büyük sonuçlar doğuracaktır. Hatta 21'inci yüzyılın ortalarında ciddi değişiklikler ve afetler olabilecektir. En göze çarpan olay, okyanuslarda büyük sıcaklık farkları oluşmasının sonucunda ve kutuplardaki buzların erimesiyle de, okyanuslarda deniz seviyesinin yükselebileceğidir. 2100 senesine kadar deniz seviyesinin 50 cm'ye kadar artabileceği hesaplanmıştır. Sahillerdeki güzel plajlar, denize bağlı ufak göller ve mercan bariyerleri sular altında kalıp kaybolacaklardır. Hint Okyanusu'nda bulunan ada ülkeleri su seviyesinin yükselmesiyle çok zor şartlar altında kalabileceklerdir.

Bu sıcaklık artışları yaz ve kış mevsimlerinde birlikte olacaktır. Örneğin, eğer sera etkisi yapan gazların artışı bugünkü seviyede devam ederse, Fransız bilim adamları, Fransa'da 21'inci asırda kış sıcaklığının 1-2 ° C ve yaz-sonbahar sıcaklığının 2 ° C artacağını hesap etmektedirler. Bunun sonucu olarak,

kış yağışları, yaz mevsimindeki yağışlardan daha fazla olacak,
çok yükseklerde (1500 m) kar yağışları azalacak, aşağılarda yalnız yağmurlar yağacak, ve sonuçta birçok kayak merkezi kapanabilecek, dağlarda, donmuş tabakaların ısınması, çığ düşmesi, toprak kayması riskini artıracak,
hastalık taşıyan sinekler çoğalabilecektir.
Dünya Sıcaklığı Neden Artar?

Yerküre atmosferi genel olarak nitrojen ve oksijen ile %1-2 oranında su buharından oluşur. Çok az oranda karbondioksit (CO 2), metan (CH 4), azot oksit (N 2O) vardır ve bunlar sera gazları olup hayatın gelişimi için şarttır. Dünya, güneşten gelen elektromanyetik dalgalarla (ısıl radyasyonla) ısınmaktadır ve Stephan-Boltzman kanununa göre de ısıl enerji UV(Ultra-violet) ışınları ile yerküreden atmosfere tekrar geri yansımaktadır.

Sera gazları, yeryüzünden yansıyan ısıl enerjinin en azından %50'sinin uzaya yayılmasını engeller. Ortalama dünya yüzey sıcaklığının 15 ° C de kalması, bu gazların ısıyı tutmasının bir sonucudur; aksi halde dünya ortalama sıcaklığı -18 ° C olurdu. Sonuç olarak, yerküre tarafından neşredilen ısı, bir gaz tavanı altında muhafaza edilmektedir. Eğer sera gazları artarsa, dünyadan neşredilen ısıl radyasyon, uzaya erişemeyip tekrar yeryüzüne yansıyacağından, yerküre sıcaklığı artmaya devam edecektir.

İnsanlar ve yapıtları çok fazla sera gazları neşrediyorlar: Tarım, endüstri, taşıtlar ve insanlar, yakıtların yanması, kömür veya doğal gaz kullanımı sonucu, yüzbinlerce ton CO 2 ve metan açığa çıkmakta ve ilk endüstriyel çağdan beri doğal olarak var olan gazlara eklenmektedir. Yerküre üstündeki gaz örtüsü kalınlığı artmakta, yer küreden yansıyan ısıl radyasyon bu atmosfer tabakada tutulmaktadır. Böylece, yer kürede, insan faaliyetleri sonucu sıcaklık artmaktadır.

O halde çevre korunması için yapılacak iş, sera gazlarının üretiminin, yani yerküreden atmosfere neşredilen bu gazların miktarının azaltılmasıdır. O halde sorumlu olan ülkeler, başta endüstriyel ülkelerdir. Zira, sera gazlarının kontrolü insanların yaşam tarzına bağlıdır. Enerjiyi, nüfusuna oranla en çok kullanan, israf eden Amerika Birleşik Devletleri'dir. Amerika'da yaşayan insanların yılda 7.5 ton eşdeğer yakıt kullanımına karşılık, Avrupa'da bu rakam 3 ton civarında olup, yavaş gelişen bir ülkede bu rakam daha da düşüktür.

Uluslararası Sorumluluklar

1992 Haziran ayında Brezilya'nın Rio de Janeiro şehrinde toplanan Dünya Forumu tamamen "Çevrenin Korunmasına" odaklanmıştır. Global çevre sorunları ve teknolojileri ilk kez dünya liderlerinin dikkatine sunulmuştur.

1997 yılında 159 ülke temsilcileri Japonya'nın Kyoto şehrinde toplanarak Kyoto Protokolü'nü imzaladılar. Buna göre 38 ülkenin sera gazı emisyonlarını düşürmesini kararlaştırdılar. Bununla beraber özellikle, endüstriyel ülkeler, CO 2 emisyonunu, 1990 yılındaki emisyonun %90'ı düzeyine getireceklerdir. Gelişmekte olan ülkeler teknolojik alanda gelişmelerini duraklama durumuna getirebilecek olan bu stratejiye taraftar olmadılar. Gelişmekte olan ülkeler, sera gazlarından gelişmiş ülkelerin sorumlu olduklarını, dolayısı ile gerekli tedbirleri önce onların alması gerektiğini, yani onların emisyonlarını azaltmaları gerektiğini vurguladılar.

Kyoto Protokolü birçok planlamaları içermekte olup bazıları şunlardır:

Gelişmiş ülkeler 2008 yılından 2012 yılına kadar emisyonlarını 1990 yılı emisyonları esas alınarak azaltacaklardır; Avrupa Birliği - %8, ABD -%7, Japonya ve Kanada -%6, Rusya %0. Rusya da 2005'de Kyoto Protokolü'nü kabul etmiş olduğunu ilan etmiştir. Fakat Başkan Bush idaresi, bilimsel bulguları tereddütle karşılamakta olup, Kyoto Protokolü'ne bağlı olmadığını ilan etmiştir. Buna karşı iç ve dış baskılar devam etmektedir.
Gelişmiş ülkeler Kyoto Protokolü'nü nasıl uygulayacakları hakkında uluslararası bir uygulama planı hazırlayacaklardır.
Kasım 2000'de, Uluslararası Kurul LaHaye' de toplanarak Kyoto Protokolü'nün uygulanması ile ilgili usulleri tespit etmeye çalışmışlardır. Yukarıda belirtildiği gibi Avrupa Birliği ile Amerika Birleşik Devletleri arasındaki anlaşmazlık devam etmektedir. 15 ülke, sera gazlarının emisyonunu 2010 yılına kadar %8 azaltmayı kabul etmişlerdir, fakat her ülke için durum değişiktir.
Almanya, Doğu Almanya'daki konvensiyonel ısıl enerji sistemlerinde (güç santralleri) yaptıkları modernleştirme ile emisyonlarını %21 azaltmayı kabul etmişlerdir. Portekiz ekonomik durumundan dolayı sera gazlarının emisyonunu %27 artırabilmek için izin almışlardır. Fransa'da durum değişiktir. Elektrik enerjisi ihtiyacının %50'si nükleer santrallardan üretilmektedir. Dolayısı ile emisyonlarını 1990 senesi seviyesine indireceklerdir. Bu oldukça zor bir hedeftir. Çünkü çok fazla emisyon yapan taşıt araçlarından ve binalardan gelen emisyonların azaltılması ciddi tedbirler ister.
Bazı ülkeler yenilenebilir enerji kaynaklarını da kullanarak emisyonlarını azaltmaya çalışmaktadırlar. Örneğin; bugün Fransa elektrik enerjisinin %15'ini bu kaynaklardan sağlamaktadır ve bunu %20 değerine çıkarmayı planlamaktadır.
Çözümler Nelerdir?

Küresel ısınma, insanlığın yaşamı ve hayat tarzı için gereken enerji ihtiyacının üretilmesinde kullanılan yöntemlere bağlıdır.

Yenilenebilir enerji kaynakları (Hidroelektrik, Biokütle, Biogaz, güneş enerjisi, rüzgar enerjisi, Hidrojen enerjisi vb) ile, jeotermal ve nükleer enerji kullanmak bu önemli soruna tek çıkar yoldur. Bu herkesi ilgilendiren bir durum olup, çok zararlı sonuçlar beklenmeden her ülkede doğru yol seçilmelidir ve sürdürülebilirbir gelişme için geçerli enerji planlaması yapılmalıdır.

Yenilenebilir enerji kaynaklarından hidroelektrik enerji kaynaklarını bir tarafa bırakırsak diğerleri, küresel ısınmayı önleyici bir opsiyon olamazlar. Zira, katkıları olmakla birlikte bir ülkenin enerji sorununa tam cevap veremezler. Dünyanın enerji ihtiyacının büyük kısmı, özellikle elektrik enerjisi, ancak bilinen temiz teknolojiler dikkate alındığında yalnız nükleer enerji ile sağlanabilir.

Bunun için:

(i) Reaktör teknoloji ihtiyacı,

(ii) nükleer yakıt ve atık yakıtlar,

(iii) nükleer silahların yayılması,

gibi sorunlara cevap vermek gerekir.

Mevcut Reaktörler

Endüstriyel gelişme ancak ucuz ve güvenilir kaynaklardan elektrik enerjisi üretimi ile mümkündür. Yalnız ABD'de değil, bugün birçok ülkede güvenilir bir şekilde çalışan 435 nükleer reaktör mevcut olup, birçok ülkede de nükleer güç reaktörlerinin kurulması devam etmektedir. Fransa, elektrik ihtiyacının %50'den fazlasını nükleer güç reaktörlerinden temin etmektedir. Reaktörlerin işletmesinde tahminlerin üstünde gelişmeler olmuş, işletme kapasiteleri, örneğin ABD'inde bulunan 100 nükleer güç reaktörünün ortalama kapasite faktörleri % 85 – 90 değerlerine yükselmiştir. Fransa'da durum böyle olduğu gibi az sayıda reaktörleri bulunan Belçika, Finlandiya, İsveç ve Isviçre'de de, 10'dan fazla güç reaktörü bulunan Kore, İspanya ve Almanya'da da durum aynıdır. Reaktör işletmelerindeki gelişmeler sonucu dünyanın birçok bölgesinde, nükleer enerjinin kullanımı son yıllarda artmaktadır. Özellikle Doğu Asya'da, yeni reaktörler kurulmuş ve kurulmaktadır; Çin gelecek on yılda güç reaktörlerini 20'ye çıkarmayı, Japonya 50 reaktörüne ek olarak 10 reaktör daha kurmayı, Kore de mevcut 20 reaktörüne yenilerini eklemeyi planlamışlardır. Bugün nükleer enerji kullanımı 1990 yılına göre % 25 artmış bulunmaktadır.
Elektrik enerjisi ihtiyacının yıllık artışı doğal olarak gelişmekte olan ülkelerde yüksek olup, bu ülkelerde kişi başına elektrik enerjisi kullanımı dünya ortalamasının %30'u civarındadır ve nüfus bu ülkelerde sürekli artmaktadır. Gelişmiş ülkelerde nüfus artışı sabit kalmakla beraber, hayat standartlarının sürekli artması yüksek teknolojinin iş hayatında ve evde kullanımı sonucu, kişi başına elektrik enerjisi kullanımı artmaktadır. Bugün artık anlaşılmaktadır ki, elektrik enerjisi ihtiyacını yalnız fosil yakıtlardan temin etmek mümkün değildir.
Çevrenin korunması açısından ve global ısınmadan dolayı CO 2 emisyonlarını azaltmak için çabalar devam etmektedir. Dolayısıyla fosil yakıtlardan uzaklaşıldığı ve başka enerji kaynaklarına yönelindiği her tarafta açıkça gözlemlenmektedir. 1990'lı yıllara oranla, CO 2 emisyonunda %6 azalma görülmektedir, bu azalmada en önemli katkısı bulunan ülkeler, büyük kapasitelerde hidrolik santral ve nükleer güç reaktörleri kurmuş olanlardır. Örneğin; kullanılan enerji birimi başına Fransa'nın CO 2 emisyonu Danimarka'nın yarısı kadardır. Diğer taraftan, hidrolik ve nükleer güç santralları kullanımı sayesinde İsveç'in CO 2 emisyonu Fransa'nınkinin %60'ı kadardır.
Bazı bilim insanları, gelecekte sürdürülebilir çevre için, CO 2 emisyonu olmayan bir enerji taşıyıcısının üretimi, diğer bir deyişle hidrojen üretiminin sağlanması görüşündedirler. Bu sebepten, en ekonomik çözüm, CO 2 emisyonu olmayan özel nükleer reaktörler ile hidrojen üretiminin sağlanmasıdır. Bazı nükleer teknolojilerde, reaktör soğutma suyunu yüksek sıcaklıklara (600-700 ° C) çıkartarak, suyun ısıl yoldan H 2 ve O 2 bileşenlerine ayrılması ile hidrojen üretilmektedir. Bu şekilde hem elektrik enerjisi, hem de taşıt araçları için bir enerji kaynağı, temiz bir emisyon ile elde edilmiş olacaktır.
Enerji – çevre ve ekonomi birlikte incelenmelidir; böylece çevre sorunları yaratmayan, ekonomik ve güvenilir enerji kaynakları ön plana çıkar. Belli güçlerin üzerinde (500 MWe) nükleer güç santralları, ucuz yakıtı dolayısı ile daha ekonomik olmaktadır. Nükleer tesislerin daha ucuz olabilmesi için standart tasarımlara gidilmekte ve inşa süresini kısaltarak daha ekonomik olma olanakları sağlanmaktadır.
Çevre bakımından, nükleer artıklar hem halkın hem de bilim ve teknikle ilgilenenlerin öncelikle üzerinde durdukları bir sorundur. Ancak çözümü olan bir sorundur. Kısa ömürlü radyoaktif elementlerin zararsız duruma getirilmesinde bir sorun yoktur. Sorun, uzun ömürlü radyoaktif elementleri bulunduran nükleer yakıt atıklarıdır. Bu atıklar uluslararası anlaşma ve standartlara uygun olarak, gözlemcilerin kontrolünde okyanus dibinde belli yerlerde ve belli şartlarda özel kaplar içine yerleştirilmektedirler. Bazı ülkelerde eski maden ocaklarına, jeolojik bakımdan sağlam olan dağların derinliklerine yerleştirilerek, yaşayanlara zarar vermeden uzun yıllar saklanabilecektir.
Bu durum emin bir yol olmakla beraber, nükleer atık tehlikesine karşı halkı ikna etmek hiç de kolay değildir. Bugün yavaş da olsa durum değişmektedir; 2000 yılında yapılan anketlerde ABD'de üniversite öğrencilerinin %64'ü ülkeleri için nükleer enerjinin gerekli olduğunu söylemişlerdir. Fransız halkının %70'i, İspanya halkının %56'sı nükleer enerji üretimini ve yeni nükleer santrallar kurulmasını onaylamaktadırlar.
Küresel ısınmaya karşı nükleer güç reaktörlerinin kullanılması bazı başka sorunları da beraberinde getirir, bunlardan biri de nükleer silahların yayılması sorunudur. En önemli nükleer madde, kullanılmış nükleer yakıt işlemleri sonucu elde edilen Plutonium-239'dur. Çok sıkı kontrol altında bulundurulmasına rağmen, yüzde yüz emniyetle korunduğunu söyleyebilmek çok zordur. Nükleer silahların yayılmasını "non-proliferation" önleme anlaşmasını imzalayan ülkelerin nükleer tesisleri IAEA(Uluslararası Atom Enerjisi Ajansı) tarafından sürekli kontrol altında bulundurulmakta ve nükleer silahların yapılmasına engel olunmaktadır. Fakat her ülke bu anlaşmayı imzalamamıştır. (Örneğin Pakistan, İsrail, Kuzey Kore ve Hindistan gibi) Diğer taraftan, daha emniyetli olabilmek için, Plutonium-239 ayırmadan doğrudan doğruya tekrar yakıt olarak çevrime giren nükleer yakıt çevrimleri geliştirilmektedir.
Bugün eldeki veriler gösteriyor ki denizlerin yükselmesine karşı ciddi sorunlar ile karşılaşacak olan ada ülkeleri hariç, birçok ülke küresel ısınmayı ciddi bir problem olarak görmüyor. Birçok ülke ekonomik güçlerinin dışında da olsa, yeni teknolojileri (nükleer reaktörleri) hızla kullanıma sokarak fosil yakıtları yakan sistemlerden uzaklaşmışlar veya karışık bir üretim sistemini benimsemişlerdir. Elektrik enerji üretimini daha emin ve ucuz olarak nükleer reaktörlerden sağlayan sürdürülebilir enerji politikaları uygulayan ülkeler kazanmışlar ve teknojik gelişmede sıçrama yapmışlardır.