Nükleer Piller ve Bataryalar Nedir?
Nükleer pilde yakıtımız radyoaktif bir element ve türevleridir. Nükleer pildi kullanılan elementlerin yarılanma süreleri de düşünüldüğünde, nükleer pillerin ömrü de yıllar mertebesinde hesaplanır.
Nükleer pilleri anlayabilmemiz için öncelikle klasik pil nedir, konusunu hatırlamamız yerinde olur.
Pil Nedir?
"Pil," kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürebilen ve depolayabilen bir cihazdır. Pil sistemi, elektrik enerjisinin kimyasal reaksiyonlar aracılığıyla üretilmesine ve depolanmasına denir.
Elektrik, elektronların hareketi demektir. Piller, pilin yapısında bulunan maddeler (çinko, gümüş, lityum, cıva, nikel vb.) ve pil bünyesindeki uygun çözelti ile kimyasal bir reaksiyona girerek çalışır.
Bu reaksiyon sistemde artı ve eksi yükler arasında kutuplaşma yaratmakta ve pilin artı ve eksi olan iki ucu (bir miktar iletkenliği olan bir madde ile) birleştirildiğinde, eksi uçtan artı uca elektronlar akmaktadır. Böylelikle elektrik üretmiş oluruz.
Pillerde iki ana tür bulunur: Bunlar tek kullanımlık (primat) piller ve şarj edilebilir (sekonder) pillerdir.
Tek Kullanımlık (Primat) Piller:
Bu piller genellikle kullanıldıktan sonra atılır ve tekrar şarj edilemez.
Örnekler arasında alkaline piller (örneğin, AA, AAA), çinko-karbon piller ve lityum tek kullanımlık piller bulunur.
Kimyasal reaksiyonlar sonucu elektrik üretirler, ancak bir kez boşaltıldıktan sonra genellikle atılırlar.
Şarj Edilebilir (Sekonder) Pilller:
Bu piller, kullanıldıktan sonra tekrar şarj edilebilir ve tekrar kullanılabilirler.
Örnekler arasında nikel-kadmiyum (NiCd), nikel-metal hidrit (NiMH) ve lityum-iyon (Li-ion) piller bulunur.
Kimyasal reaksiyonlar elektrik üretir, ardından bu piller şarj edildiğinde kimyasal reaksiyonlar geri döndürülerek depolanmış enerjiyi tekrar kullanılabilir hale getirir.
Piller; cep telefonları, dizüstü bilgisayarlar, araçlar, uzaktan kumandalı cihazlar ve bir dizi elektronik cihazda güç kaynağı olarak yaygın olarak kullanılır. İhtiyaç duyulan enerjiyi sağlamak için pil teknolojileri sürekli olarak geliştirilmekte ve çeşitlenmektedir.
Nükleer pil nedir?
Atom pili, nükleer pil, radyoizotop pili veya radyoizotop jeneratörü, elektrik üretmek için radyoaktif bir izotopun bozunmasından elde edilen enerjiyi kullanmaktadır. Nükleer reaktörler gibi, nükleer enerjiden elektrik üretirler, ancak zincirleme reaksiyon kullanmamaları bakımından onlardan farklıdırlar. Yaygın olarak pil olarak bilinmelerine rağmen, teknik olarak elektrokimyasal değillerdir ve şarj edilemezler. Şimdiye kadar maliyetleri çok yüksek olduğu için genellikle uzay araçları, kalp pilleri, su altı sistemleri ve dünyanın uzak bölgelerindeki otomatik bilimsel istasyonlar gibi uzun süre gözetimsiz çalışması gereken cihazlar için güç kaynağı olarak kullanılmışlardır.
Nükleer pili, “radyoaktif ışımayı elektrik enerjisine çeviren bir cihaz” olarak düşünebiliriz. Bu işlemde klasik pillerdeki kimyasal sürecin yerini nükleer ışıma almaktadır. Nükleer ışıma bir termoelektrik jeneratör (ısının doğrudan elektrik enerjisine veya tam tersine dönüşümü) vasıtasıyla elektrik enerjisine dönüşür. Artık nükleer pilde yakıtımız radyoaktif bir element ve türevleri olmaktadır. Bu nedenle pilimizde kullanacağımız elementlerin yarılanma sürelerini de düşünürsek nükleer pillerin ömrü de yıllar olarak karşımıza çıkacaktır.
"Nükleer pil veya batarya" terimi genellikle uzay keşif araçları, derin deniz sondaj cihazları ve uzak bölgelerdeki izole güç ihtiyaçlarını karşılamak için kullanılan bir enerji kaynağını ifade eder. Bu tür bir batarya, radyoaktif maddeyle çalışan termoelektrik bir jeneratöre sahiptir.
Bu sistemler genellikle termoelektrik çiftler aracılığıyla ısıyı elektriğe dönüştürerek enerji üretir. Radyoaktif madde genellikle plütonyum-238 gibi izotoplar kullanılarak bu termoelektrik jeneratörlerde kullanılır. Bu izotoplar, uzun yarı ömürleri ve yüksek enerji yoğunlukları nedeniyle uzun süreli ve güvenilir enerji sağlama kapasitesine sahiptir.
Nükleer bataryalar, genellikle radyoaktif izotopların termoelektrik jeneratörlerde kullanılmasıyla üretilir. İşte genel bir nükleer batarya üretim süreci şu şekildedir:
Radyoaktif İzotop Seçimi: İlk adım, genellikle uzun yarı ömürleri ve yüksek enerji yoğunlukları nedeniyle tercih edilen radyoaktif izotopların seçilmesidir. Özellikle plütonyum-238 ve stronsiyum-90 gibi izotoplar, bu tür uygulamalar için kullanılabilir.
Radyoaktif Malzeme Hazırlığı: Seçilen radyoaktif izotop, uygun şekilde hazırlanmalıdır. Bu, izotopun güvenli bir şekilde işlenmesi, depolanması ve son kullanım alanında kullanılabilir hale getirilmesi anlamına gelir.
Termoelektrik Jeneratör Tasarımı ve İmalatı: Nükleer batarya, termoelektrik jeneratörleri içerir. Bu jeneratörler, ısıyı elektriğe dönüştürmek için termoelektrik çiftleri kullanır. Bu çiftler genellikle bimetallerden (Bİ-METAL; Üretimi sırasında tamamen farklı iki metal tek bir döküm işleminde birleştirilir, çelikle, yüksek alaşımlı aşınmaya dayanıklı malzemelerin kaynaşması prosesidir.) oluşur. Radyoaktif izotop tarafından üretilen ısı, bu çiftler aracılığıyla elektrik enerjisine dönüştürülür.
Batarya Tasarımı ve Montajı: Termoelektrik jeneratör, bataryanın ana bileşenidir. Batarya tasarımı, genellikle dayanıklı, güvenli ve çevresel etkileri en aza indirecek şekilde yapılmalıdır. Bu aşamada, diğer bileşenler de dâhil olmak üzere bataryanın genel montajı gerçekleştirilir.
Test ve Sertifikasyon: Üretilen nükleer batarya, çeşitli testlere tabi tutulmalıdır. Bu testler, bataryanın güvenliği, dayanıklılığı ve performansı ile ilgili olacaktır. Ayrıca, düzenleyici kurumlar tarafından belirlenen standartlara uygunluğunu doğrulamak amacıyla sertifikasyon süreci de geçirilebilir.
Kullanım Alanına Göre Adaptasyon: Nükleer bataryalar genellikle uzay araştırmaları veya derin deniz sondajları gibi özel uygulamalarda kullanıldığından, belirli bir görev veya uygulama için tercih edilir.
Bu tür bataryaların üretim süreçleri genellikle ulusal ve uluslararası düzenleyiciler tarafından sıkı bir şekilde denetlenir. Bu nedenle, Nükleer bataryaların üretimi, özel izinlere, güvenlik standartlarına ve düzenlemelere tabiidir.
Moskova’daki ulusal araştırma ve teknoloji enstitüsünde bulunan bilim adamları, bu enerji açığını kapatmak üzere nükleer pil adında yeni nesil bir sistem geliştirmiştir. Geçmiş yıllarda da adını duyduğumuz nükleer pil projesi ilk olarak 1970’lerde kullanıma açılmıştır. Asıl maddesinin stronsiyum olması aynı zamanda yüksek miktarda radyasyon yayması bazı kesimlerce çok fazla tepki almış ve kullanımdan kaldırılmıştır.
Rusya’nın geliştirdiği nükleer piller ise stronsiyumun aksine nikel-63 izotopu içerdiği için eski nesillere göre daha güvenli olduğu belirtilmektedir. Tabii ki bir enerji sisteminin içerisinde nükleer kelimesinin geçmesi yıllar boyu insanların gözünde bir tehlike ibaresi canlandıracaktır. Durum bu şekilde olsa da enerjiye olan açlık ve nükleer pillerin en az 50 yıl kullanıma uygun olması, güven kelimesinin önüne geçecek gibi gözükmektedir.
Son olarak nükleer pillerin temel yapı malzemesi olan nikel-63’ün; doğal ortamda az bulunuyor olması işleri zorlaştırmaktadır. Bilim adamları nikel-62 izotopunu nükleer santrallerde zenginleştirip kimyasal işlemden geçirdikten sonra nikel-63’e dönüştürebilmesi bu sorunu ortadan kaldırmaktadır.
Nükleer Pil konusunda günümüz çalışmaları nelerdir?
Çin, 50 yıl ömürlü nükleer batarya geliştirmiştir.
Çin'in geliştirdiği Nikel-63 izotopu ve elmas yarı iletken malzeme ile üretilen Betavolt BV100 nükleer pilinin 50 yıllık kullanım ömrüne sahip olduğu bildirilmektedir.
Çinli Betavolt şirketinin ürettiği Betavolt BV100 pili firmanın nikel-63 izotopu ve elmas yarı iletken malzeme kullanılarak üretilen ilk ürün olarak piyasalarda yerini alması beklenmektedir. Betavolt, nükleer pilinin havacılık, yapay zekâ cihazları, medikal, Mikro Elektro Mekanik Sistemleri, akıllı sensörler, küçük dronlar ve robotları hedefleyeceğini söyleyebiliriz. En nihayetinde ise bu, üreticilerin asla şarj edilmeye ihtiyaç duymayan akıllı telefonlar, otomobiller üretebileceği anlamına gelmekte ve artık şarj derdimizin olmayacağı anlaşılmaktadır.
Şarj olmadan 50 yıl gidebilen bir elektronik ürün fikri oldukça inanılmaz durmaktadır. Ancak seri üretim öncesinde pilot üretim aşamasında olan BV100 pili şimdilik çok fazla güç sunmuyor. Bu 15 x 15 x 5mm boyutlarındaki batarya 3 voltta 100 mikrowatt güç sağlıyor. Şirket, cihaz gereksinimlerine bağlı olarak birden fazla BV100 pilinin seri veya paralel olarak birlikte kullanılabileceğinin de altını çizmektedir. Betavolt ayrıca 2025 yılında nükleer pilinin 1 watt'lık çeşidini piyasaya sürmeyi planladığını söylemektedir.
Betavolt BV100 esasında iki açıdan devrimsel ve yıkıcı bir üründür. İlk ve bariz olarak bu ürün, 50 yıl boyunca bakım gerektirmeden güvenli bir kullanım sunmaktadır. İkinci olarak ise tasarımda ilk defa elmas yarı iletken malzemesini kullanmaktadır. Şirket burada 4. nesil elmas yarı iletken malzemesini kullandığını açıklamıştır.
Esasında nükleer batarya (nükleer pil, atom pili veya radyoizotop pil de denebilir) için Betavolt firması yaptığı basın açıklamasında, nükleer bataryanın 1960'larda ABD ve SSCB tarafından geliştirilen benzer güç hücrelerinden çok farklı olduğunu belirtmektedir. Örneğin, bazı eski teknoloji atom pilleri radyoaktif güç kaynağı olarak Plütonyum kullanıyordu. Betavolt BV100'ün ise tüketiciler için güvenli olduğu ve pil bir şekilde delinse bile radyasyon sızdırmayacağını iddia etmektedir.
Bu güvenlik ise malzeme seçiminden kaynaklanmaktadır. Betavolt'un bataryasında enerji kaynağı olarak nikel-63 izotopu kullanılmakta ve bu izotop kararlı bir bakır izotopuna dönüşmektedir. Firmaya göre bu ve elmas yarı iletken malzeme, BV100'ün - 60 ila 120 santigrat derece arasında değişen ortamlarda istikrarlı bir şekilde çalışmasına yardımcı olmaktadır. Betavolt’a göre bu pil teknolojisi Avrupa ve Amerika'daki akademik ve ticari kurumların teknolojisinin çok ilerisindedir.
Peki Betavolt bu pili nasıl üretmektedir? Temel malzemelerden daha önce bahsetmiştik, ancak şema süreci mükemmel bir şekilde göstermektedir. BV100’ün iki elmas yarı iletken dönüştürücü arasına 2 mikron kalınlığında nikel-63 levha yerleştirilerek yapıldığı görülebilir. Bu yapı Betavolt'un sadece 10 mikron kalınlığındaki benzersiz tek kristalli elmas yarı iletkenine dayanmaktadır.
En nihayetinde geliştirilen bu nükleer batarya, maksimum güç çıkışı açısından etkileyici bir seviyede değildir ancak bu pilin yapılmış olması gelecek için oldukça umut vericidir. Betavolt, daha fazla enerji ve 2030 yıla kadar daha uzun hizmet ömrüne sahip nükleer enerji pilleri geliştirmek için stronsiyum-90, prometyum-147 ve döteryum gibi izotoplarını da araştırdığını belirtmektedir.
Enerji yoğunluğuna gelirsek… Şu anda ortalama bir betavoltaik pil ile ortalama bir lityum AA pile oranla 400 kattan daha fazla enerji yoğunluğu elde edilebilecektir. Nükleer pillerin bir diğer avantajı ise, boyutlarıdır. Güneş pilleri ve kimyasal pillere oranla binlerce kat daha az yer kaplamaktadırlar.
Bu boyutlarda inanılmaz azalma elektronik ve taşıtlarda çok büyük oranda hafiflik ve neredeyse sonsuz enerji anlamına gelmektedir.
Ay’da nükleer enerji
NASA-ABD, Ay'da kullanılmak üzere küçük, elektrik üreten bir nükleer fisyon reaktörü ( https://strasam.org/egitim/bilim/nukleer-fisyon-nedir-nukleer-fuzyon-nedir-2690 ) için konsept geliştirmeye yönelik bir projenin tasarım aşamasının sonuna geldiğini açıklamıştır. Fission Surface Power projesi, her gecenin yaklaşık 14,5 Dünya günü sürdüğü Ay'da güvenli, temiz ve güvenilir enerji kaynakları geliştirmeyi amaçlamaktadır. Böyle bir sistem, ajansın Ay'ın keşfine yönelik Artemis programında büyük bir rol oynaması planlanmaktadır.
NASA ve ABD Enerji Bakanlığı 2022 yılında Ay’da nükleer enerji için ilk aşamada üç şirketle - Lockheed Martin, Westinghouse ve IX - sözleşme imzalandığını duyurmuştur. Bu üç şirkete bir reaktör ve alt sistemler için bir ilk tasarım, tahmini maliyetler ve Ay yüzeyinde en az 10 yıl boyunca insan varlığına sürekli olarak güç sağlamanın yolunu açabilecek bir geliştirme programı sunma görevi verilmiştir.
Bilindiği üzere Ay’daki geceler oldukça zorludur ve bu nedenle Güneş'ten bağımsız olarak çalışan bu nükleer reaktör gibi bir güç kaynağına sahip olmak Ay'da uzun vadeli bulunma çabaları için kritik bir öneme sahiptir. Böylesi bir reaktör özellikle, sürekli gölgede kalan bölgelerin su buzu ve diğer uçucu maddeleri hapsettiği düşünülen Ay'ın güney kutbunda faydalı olabileceği değerlendirilmektedir.
NASA bundan sonra, Ay'da yapılacak bir deneme için nihai reaktör tasarımını içeren Aşama 2 için projenin yönünü belirlemek üzere Aşama 1 sözleşmelerini uzatmayı planlamaktadır. Aşama 2 için taleplerin 2025 yılında başlaması hedeflenmektedir. NASA, Aşama 2'den sonra fırlatma rampasına bir reaktör teslim etmek için hedef tarihin 2030'ların başı olduğunu belirtmiştir.
Ajans, düşük oranda zenginleştirilmiş uranyum kullanan ve ağırlığı 6 tonu geçmeyen 40 kilovatlık bir reaktör için gereklilikleri belirlemiştir. 40 kilovatlık bir reaktör, günümüz koşullarında 33 haneye elektrik enerjisi sağlayabilir.
NASA’nın nükleer planları sadece kurulu reaktörden ibaret değildir. Ajans, 2026 yılı başlarında DRACO adlı nükleer enerjiyle çalışan bir uzay aracının fırlatılması üzerinde de çalışmaktadır. NASA ayrıca kısa bir süre önce nükleer fisyondan elde edilen termal gücü elektriğe dönüştürmek için gerekli olan daha verimli Brayton güç dönüştürücülerinin geliştirilmesi için Rolls Royce North American Technologies, Brayton Energy ve General Electric ile sözleşme imzalamıştır.
Sonuç
Enerji konusunda Nükleer pillerin geliştirilmesi ve piyasaya sunulması şarj ihtiyacı olmayan sonsuz aracın üretilmesi anlamına gelmektedir.
Bu konudaki gelişmeler dünyanın ekonomi, lojistik, tarım, uzay, havacılık ve üretim anlayışına birçok değişimi de beraberinde getirecektir.
Nükleer piller konusunda yaşanan gelişmeler, insanoğlunun dünya haricinde Uzay yolculuklarında ve uzayda yapacağı çalışmalarda da birçok yeniliğin kapısını aralayacaktır.
Ayrıca Ay ve Mars gibi dünya dışında daha kolay yerleşim merkezleri kurulabilecek ve çok uzaklara daha çok malzeme taşıyabilen roketler ve gemiler yapılabilecektir. Bu gemilerde yakıt ve enerji sorunlarının halledilmesi ile uzayda su bulunması ve ısınma sorunları da kolaylıkla çözülebilecektir.
