Blog / Nükleer Pil Teknolojisi Üzerine: Enerji Sorununa Kesin Çözüm
Nükleer Pil Teknolojisi Üzerine: Enerji Sorununa Kesin Çözüm
Sadık ZUHUR / Fizik Yüksek Mühendisi (Bilim, Sanayi ve Teknoloji Kastamonu İl Müdürlüğü) Nükleer Pil Teknolojisi Üzerine: Enerji Sorununa Kesin Çözüm
1. Giriş
Ülkemizde “Nükleer enerji yararlı mı zararlı mı?” tartışmaları süredursun, 1913 yılında başlayan nükleer pil serüveni dünya çapında hızla yoluna devam ediyor. İsmindeki nükleer kelimesi her ne kadar bizi rahatsız etse de bu teknoloji gelecekte beklenen enerji savaşlarını önleyebilir. Bu piller, çok kısa tanımıyla, nükleer santraller gibi içindeki radyoaktif maddenin bozunmasıyla açığa çıkan enerjiyi elektriğe dönüştürüyor, ancak nükleer santrallerde gerçekleşen zincirleme reaksiyonlar nükleer pillerde gerçekleşmiyor. Savunma ve uzay uygulamalarında yıllardır kullanılan nükleer piller, besledikleri cihazları on yıllarca çalıştırabiliyor. Bu sayede uzayda yıllarca gidebilecek ve veri iletebilecek uzay araçları üretilebiliyor.
Bugüne kadar uzay sitemleri, denizaltılar ve çok uzak bölgelere kurulan ulaşımı zor bilimsel istasyonlar gibi belirli alanlarda kullanılan nükleer pillerin günlük uygulamalarda kullanılmasına az zaman kaldı. Büyük boyutları nedeniyle bugüne kadar küçük boyuttaki sistemlerde kullanılamayan piller üzerinde araştırma yapan Missouri Üniversitesi’nden bir ekip 2009 yılında neredeyse bozuk para büyüklüğünde nükleer pil üretti. Ekip lideri Prof. Dr. Jae Wan Kwon üretilen pilin gündelik yaşamda kullandığımız standart kalem pillere göre 1.000.000 kat daha fazla elektrik temin edebileceğini belirtti. Prof. Jae, adında “nükleer” sözcüğü geçtiği için pek çok insanın bu yeni teknolojiye şüpheyle bakacağını, ancak bu pillerdeki reaksiyonların hiç bir şekilde sağlığa zararlı olmadığını ifade etti.
Şimdi dilerseniz bu pillerin çalışma mekanizmalarına kısaca göz atalım.
2. Nükleer pil nedir?
Radyoaktif bozunma sonucu açığa çıkan enerjiyi elektriğe dönüştüren cihazlara nükleer pil, atomik pil veya radyoizotop jeneratörü denir. İlk nükleer pil Henry Moseley tarafından 1913 yılında tasarladı. Pilde kullanılan radyoizotopun yarı ömrüne bağlı olarak yıllarca elektrik üretebiliyor olmasının yanı sıra nükleer pillerin hidrojen yakıt pillerine göre yaklaşık 10 kat, kimyasal pillere göre yaklaşık 1000 kat enerji sağlaması bilim insanlarını bu alanda çalışmaya teşvik ediyor. Ayrıca, nükleer piller sıcaklık, basınç gibi çevresel faktörlerden etkilenmiyor. Dolayısıyla geniş bir çalışma aralığına sahipler, su altında ve uzayda da çalışabiliyorlar. Nükleer piller otonom olduğu için, tekrar dolum yapma, şarj etme, kendini yenileme gibi özelliklerden yoksun.
Şekil 1. Radyoizotop Jeneratörlerin Sınıflandırılması
Radyoizotoplardan elektrik üretimi radyoaktif enerjiyi elektriğe dönüştürme tekniklerine bağlı olarak termal ve termal olmayanlar olmak üzere iki gruba ayrılabilir. Radyoaktif bozunmadan açığa çıkan enerjiyi elektriğe dönüştüren nükleer cihazların sınıflandırılması Şekil 3’te gösterilmiştir. Radyoizotop jeneratörler ya radyoizotop termoelektrik jeneratör (RTG) gibi termal dönüştürücüler ya da termal olmayan nükleer piller olmak üzere ikiye ayrılır. Nükleer piller ise enerji dönüştürme prensiplerine göre üçe ayrılır, sırasıyla bunlar; doğrudan dönüştüren (Direct Conversion), dolaylı dönüştüren (Indirect Conversion) ve doğrudan şarj eden (Direct Charge) nükleer pillerdir.
2.1. Doğrudan Dönüştüren Nükleer Piller
Doğrudan Dönüştüren Nükleer Piller betavoltaik etki, kontak potansiyel farkı ve ışınlanan yüzeyden ikincil emisyon tekniklerinden birine dayalı olabilir.
2.2.1. Betavoltaik etki (PN eklemi) ile Doğrudan Dönüştüren Nükleer Piller
Betavoltaik etki yarıiletken malzemeye beta parçacıklarının çarpması ile daha fazla elektron-deşik çifti oluşturulması olayıdır. Betavoltaik etki ilk kez 1951 yılında Ehrenberg tarafından keşfedildi. Rappoport 1953 yılında Sr-90/Y-90 çifti ile yarıiletken bir malzeme kullanarak ilk betavoltaik hücreyi tasarladı. 1960 yılında Radiation Research Corporation Pm-147 ile silisyum üzerine toplam verimliliği 0,4 ve 0,77 olan betavoltaik piller yaptı.
P-n eklemi tipi pilin çalışma prensibi Şekil 4’te gösterilmiştir. Beta parçacıklarının kinetik enerjisi elektron-deşik çiftleri oluşturur. P-n eklemi üzerindeki potansiyel fark nedeniyle elektronlar bulundukları yerden ayrılarak yük direnci üzerinde akım oluştururlar.
Şekil 2. P-N Eklemi Tipindeki Hücrenin Çalışma Prensibi
2.2.2. Kontak Potansiyel Farkı ile Çalışan Piller
Şekil 5’te gösterilen Kontak Potansiyel Farkı ile çalışan piller (CPD - Contact Potansiyel Difference) ilk kez 1924 yılında Kramer tarafından geliştirildi. Radyoaktif gazdan çıkan parçacıklar zıt elektrotlara hareket eden negatif ve pozitif iyon oluşturmak için gaz molekülleri ile çarpışırlar. Hücre üzerindeki teorik voltaj iki elektrot metalinin iş fonksiyonu arasındaki farkla hesaplanır.
Şekil 3. Kontak Potansiyel Farkı ile Çalışan Pil
2.2.3. İkincil Elektron Emisyonu ile Çalışan Piller
İkincil elektron emisyonu ile çalışan pillerin çalışma prensibi, elektrotlar arasına yerleştirilen dielektrik malzemeye çarpan yüksek enerjili beta parçacıklarının malzeme üzerinde ürettiği ikincil elektronların toplanması olayına dayanır. İkincil elektronların sayısı primer elektronlardan daha fazladır, fakat enerjileri çok düşüktür. Bu nedenle bu bataryaların çıkış akımı primer parçacıklarla karşılaştırıldığında daha büyüktür. Bu tip piller ilk kez 1955 yılında Schwartz tarafından tasarlandı. Bu tip pillerin verimi %1’in altında olduğu için pratik uygulamalarda kullanılmamaktadır ancak teorik çalışmalara devam edilmektedir.
2.3. Dolaylı Dönüştüren Nükleer Piller
Radyoaktif bozunmadan elektrik üretmenin bir diğer yolu ise iki kademeli dönüştürme metodudur. Bu metotta, radyoaktif bozunma enerjisi (alfa ya da beta parçacıkları) radyolüminesans madde (fosfor) aracılığıyla ultraviyole veya görünür ışığa dönüştürülür. Sonra elde edilen bu ışık fotovoltaik bir hücre tarafından elektriğe dönüştürülür. Dolaylı dönüştüren bir nükleer pil tasarımı şekilde gösterilmiştir.
Şekil 4. Dolaylı Dönüştüren Nükleer Pillerin Yapısının Şematik Gösterimi
2.4. Doğrudan Şarj Nükleer Piller
Doğrudan Şarj Nükleer Pillerin (Direct Charge Nuclear Battery - DCNB) çalışma prensibi kaynak bir elektrottan yayılan yüklü parçacıkların karşıda bulunan bir başka elektrotta toplanması esasına dayanır. Bu tür pillerde alfa veya beta kaynakları kullanılabilir. Direk şarj hücre ve yük, şarj etme sürecini göstermek için şekilde sunulmuştur.
Şekil 5. Direk şarj hücresi ve yükün şematik gösterimi
3. Uygulama Alanları
Nükleer piller kullanım süresinin uzun olması ve güvenilirlik düzeyinin artmasıyla önümüzdeki dönemde konvansiyonel kimyasal pillerin yerini alabilir. Bu yeni teknolojinin güç sınırlaması olmadığı için mevcut teknolojilere de yeni bir vizyon kazandıracağı öngörülmektedir. Şimdi bu uygulamalardan bazılarına kısaca göz atalım.
Uzay Uygulamaları
Uzay uygulamarında nükleer piller birçok yönden güneş pilleri, yakıt hücreleri ve kimyasal pillerden üstündür. Nükleer piller dışında kalanların dezavantajlarını şu şekilde sıralayabiliriz:
-Uzay şartlarında güneş pilleri zarar görebiliyor
-Ay ve Mars araştırmalarında araştırılan bölge karanlık olabiliyor
-Jüpiter gibi bazı opak atmosferlerden güneş ışığı geçmiyor
-Güneşten çok uzak bölgelerde uzun süreli çalışmalarda enerji ihtiyacından dolayı yakıt hücreleri ve bataryaların boyutları ve kütlesi fazla oluyor.
- Çok soğuk bölgelerde kullanılan pillerin çalışma sıcaklığına kadar ısıtılması gerekiyor.
Buradan da görüldüğü gibi önemli avantajları nedeniyle nükleer piller gelecekte mevcut tüm enerji kaynaklarının yerini alacak diyebiliriz. Yüksek güç gerektiren, uzun ömürlü ve pilin az yer kaplaması istenilen uzay uygulamalarında, atmosferik şartlardan bağımsız çalışabilen Nükleer Piller uzay uygulamalarında giderek daha çok kullanılacak. Yukarıda belirtilen nedenlerden dolayı NASA bu teknolojiyi yakından takip ediyor.
Medikal Uygulamalar
Medikal alanda nükleer piller uzun ömürlü olması, istenilen şekil ve boyutta kullanılması, korozyon direnci, minimum ağırlık gibi özelliklerinden dolayı kalp pili uygulamalarında sıkça tercih edilmektedir.
Mobil Uygulamalar
Xcell-N nükleer enerji kullanan dizüstü bilgisayar bataryası olarak tasarlanıyor. Bu bataryalar normal dizüstü bataryalardan 7-8 bin kat daha fazla ömre sahip, bu da demek oluyor ki 5 yıl hiç durmadan bulundukları cihazı çalıştırabiliyorlar. Aynı zamanda şarj etme derdi de yok. Bu tür piller gelecekte kimyasal pillerin adaptörlerin ve güç kablolarının yerini alacak. Dolayısıyla yeni nesil cihazlarda güç sorunu olmayacağı için taşınabilir cihazlarda heyecan verici düzeyde yenilikler olacak.
Otomobiller
Bu alanda çalışmalar başlangıç aşamasında olsa da geleneksel yakıtların tükeniyor olması bu tür çalışmaların hızlanmasına sebep oluyor. USA Fox Valley Auto Association konuyla alakalı bir çok çalışma yürütmüş ve uygulama aşamasına gelmiş vaziyette.
Askeri Uygulamalar
“TRACE photonics, U.S. Army Armaments Research, Development and Engineering Centre” askerlere çok yüksek düzeyde pil gücü sağlayabilmek için radyoizotop güç kaynaklarını kullanıyor. Nükleer pillerin kimyasal pillere göre daha hafif ve çok uzun ömürlü olması askeri uygulamalarda önem arz ediyor. Öte yandan bu pillerin yeni nesil elektronik cihazların içine yerleştirilmesi kablo ve transformatörlere olan ihtiyacı ortadan kaldıracak.
4. Sonuç
Radyoizotopların ürettiği enerji önümüzdeki yıllar içinde vazgeçilmez hale gelecek, öyle ki teknoloji geliştikçe, artacak olan enerji ihtiyacı şüphesiz nükleer pillere olan ilgiyi artıracak. Açıkçası, nükleer piller üzerine yapılan güncel araştırmalar gelecekte ne kadar önem arz edeceklerini göstermektedir. Bu yeni teknolojinin uygulamalarıyla, nükleer pillerin güvenilirliği yükselecek. Nükleer pillerin kullanımında temel sorun radyoaktif materyal içeriyor olması. Bu nedenle, nükleer pillerin üretiminden imhasına kadar tüm aşamalarda radyasyondan korunma standartlarına uyulması gerekiyor. Nükleer pillerin ekonomik maliyetleri bu teknolojinin uygulama alanlarını belirleyecek. Bu alanda çalışmalar hızla devam ediyor, nükleer hücrelerin insanlık tarihinin en önde gelen icatlarından biri olacağını tahmin etmek zor olmasa gerek.
Kaynakça:
1. Yakubova, G., N., Nuclear Batteries With Tritium And Promethium-147 Radioactive Sources https://www.ideals.illinois.edu/handle/2142/16849
2. Patil, P., Nuclear Battery http://www.slideshare.net/pratikpatilee/seminar-presentation-on-nuclear-batteries
3. http://www.ntvmsnbc.com/id/25008497/
4. http://www.rit.edu/gis/research-centers/nanopower/rnrb_1.html
5. Blanchard, J., Radioisotope Batteries for MEMS
http://homepages.cae.wisc.edu/~blanchar/res/BlanchardKorea.pdf
6. Paulson, M., Nano-Nuclear Batteries
http://www.tahan.com/charlie/nanosociety/course201/nanos/MPnuke.pdf
