NÜKLEER SANTRALLER

Kararlılığı az olan ağır çekirdeklerin bölünerek nispeten daha kararlı çekirdeklere ayrışmasıdır. Atom bombası, bir fisyon tepkimesi örneğidir.

Fisyonun tersine hafif radyoaktif atom çekirdeklerinin birleşerek daha ağır atom çekirdeklerini meydana getirmesi olayıdır. Örneğin, Güneş’ te sürekli olarak füzyon tepkimeleri gerçekleşir ve açığa çıkan devasa boyuttaki enerji uzaya yayılır.

Nükleer enerjinin kaynağı nükleer çekirdeği meydana getiren parçacıkların bir arada tutunmasını sağlayan bağ enerjisidir. Nükleer parçacıklar, belli bir miktar kütlenin enerjiye dönüşmesi sebebiyle bir arada durmaktadırlar. Çekirdek parçalandığında ya da hafif çekirdekler birleştiğinde, ortaya çıkan yeni çekirdeklerin daha az enerjiyle bağlanmaları gerektiği için aradaki enerji farkı açığa çıkmış olur. Biz açığa çıkan bu enerjinin yüzde doksanını, reaksiyon sonunda ortaya çıkan parçacıkların kinetik enerjisi olarak elde ederiz. Reaksiyonların meydana geldikleri ortamda, parçacıkların kinetik enerjilerinin sönümlenmesi sıcaklığın yükselmesini sağlar. Biz de böylece yüksek sıcakta bir ısı kaynağı meydana getirmiş oluruz. Kısaca söylersek nükleer reaksiyonlar bir ısı kaynağı oluşturur, nükleer reaktörler de bu ısı kaynağından yararlanarak elektrik üretilen santrallerdir.

Karbon12 atomunun kütlesinin 1/12’sidir. Bir atomik kütle birimi, 1,66.10^-27 kg’dır.

Bir voltluk (V) potansiyel farkı altında bir elektronun kazandığı enerji miktarıdır.

Fisyondan çıkan ürünlerin doğdukları yerden enerjilerinin ısıya dönüştüğü yere kadar gittikleri mesafeye menzil denir.

Sivil nükleer reaktörler reaksiyonun tipine göre; fisyon reaktörleri, füzyon reaktörleri ve karma reaktörler olmak üzere üç tiptedir. Bir çekirdeğin kabaca ikiye bölünmesiyle elde edilen enerjiye dayalı olan reaktörlere fisyon reaktörleri denir. Küçük çekirdeklerin kaynaşmasına dayanan nükleer olaya uygun olarak tasarlanan reaktörler füzyon reaktörleri adını alır. Her iki tip nükleer olayın belli tasarımla bir arada kullanıldığı tipler de karma reaktörler olarak adlandırılır.

Fisyon reaksiyonu yapabilen anlamına gelir. Doğal uranyum % 0,7 fisil 235U içerir kalan kısım 238U’dir. Bu nedenle doğada bulunan uranyum kendi kendine nükleer reaksiyon meydana getiremez.

Fisyon reaktörlerinin kuşkusuz en önemli elemanı yakıtıdır. Yakıt bütün uranyum, plütonyum ve toryum izotoplarıdır. Alaşımları, bileşikleri veya karışımları içermez. En çok kullanılan nükleer yani fisil yakıtlar, uranyumunun 233 ve 235 numaralı izotopları (233U, 235U) ve plütonyumun 239 numaralı izotopudur (239Pu).

Yakıtı taşıyan uranyum dioksit (UO₂) veya uranil sülfat (UO₂SO₄) gibi alaşımlar, uranyum ve alüminyum (U+Al) veya uranyum ve zirkonyum hidrür (U+ZrH) gibi karışımlar yakıt malzemesidir.

Yakıt malzemesi, zarf ve yakıtın yerleştirilmesinde gerekli diğer yapısal öğeler yakıt elemanı olarak adlandırılır.

Nükleer reaktörlerde, yakıt elemanlarının belli bir düzenle yerleştiği güç üretiminin merkezi olan kısım kısaca kalp olarak adlandırılır.

Fisyonda yalnızca çekirdeğin bölünmesi yetmez. Reaksiyonun, bir kez başladıktan sonra kendiliğinde sürüp gitmesi yani zincir reaksiyonunun oluşması gerekir. Bunun için fisyonda iki ve daha fazla nötronun da çıkması beklenir. Fisyonun önemli olmasını sağlayan esas fisyon nötronlarının olmasıdır. Fisyon nötronları, bir dış kaynaktan gelen nötronlarla bir kez harekete geçirilen fisyon reaksiyonun zincirleme sürüp gitmesini yani reaktörün sürekli enerji üretmesini sağlamış olur. Yeni doğan fisyon nötronlarının büyük bir kısmının kinetik enerjisi 17 MeV dolayındadır. Bu nötronlar madde içinde ilerlerken çekirdeklerle çarpışarak kinetik enerjilerini kaybeder yani yavaşlar. Böylece fisyon yapma olasılıkları da artar.

Fisyon reaktörleri, fisyon yapan nötronların enerji seviyesi dikkate alınarak sınıflandırılabilir. Bunlar; termal reaktör, epitermal reaktör ve hızlı-üretken reaktördür.

Nükleer yakıtlar zarf adı verilen bir kılıf içinde reaktöre yerleştirilir. Bu zarf hem küçük parçalar halinde şekil verilmiş yakıtın bir araya getirilmesini hem de reaksiyon sonunda ortaya çıkan yüksek radyoaktif seviyedeki ürünlerin dağılmadan tutulmasını sağlar. Zarf malzemesi olarak paslanmaz çelik veya alüminyum, magnezyum veya zirkonyum alaşımlar kullanılır. Zarf, yakıtın, yavaşlatıcı ve soğutucu ile doğrudan temas etmesini önleyerek radyoaktif bulaşmaları önler ve yakıta geometrik bir duruş sağlar.

Termal reaktörlerin ikinci temel elemanı nötron yavaşlatıcılardır. Fisyon reaksiyonu sonunda ortaya çıkan nötronlar yüksek enerjilerdedir. Bu nötronlar madde içinde çekirdeklerle çarpışarak yavaşlar. Fisyon nötronlarının çarpışarak enerji kaybetmesinde çarpıştığı çekirdeğin büyüklüğü önemlidir. En iyi yavaşlatıcılar nötronun kütlesine yakın kütleye sahip elementlerdir.

Bileşiminde döteryum bulunan yüksek yoğunluklu sudur (D₂O).

Termal reaktörlerin yakıtlarının fisyonla yüksek sıcaklıklara çıkmasıyla bir ısı kaynağı meydana gelmiş olur. Yüksek sıcaklığın bir soğutucu aracılığı ile düşürülmesi ve ısının reaktör kalbinden çekilmesi gerekir. Bu iş bir soğutucu akışkan vasıtasıyla yapılır.

1. Hafif su reaktörleri : - Basınçlı su reaktörü
   - Kaynar su reaktörü
2. Ağır su reaktörleri : - Doğal uranyum ağır su reaktörü
   - Zengin uranyum hafif su ağır su reaktörü
3. Grafit reaktörleri : - Doğal uranyum gaz grafit reaktör
   - Zengin uranyum gaz grafit reaktör
   - Zengin uranyum hafif su gaz grafit reaktör

Sıvı metalin soğutucu olarak kullanıldığı ve nötronların yavaşlatılmadan fisyon yapacakları şekilde tasarlanmış nükleer reaktörler de Hızlı Üretken Reaktör (LMFBR-Liquid Metal Fast Breeder Reactor) adını alır.

Reaktörlerin güvenliğe dönük en önemli elemanı kontrol çubuklarıdır. Reaktör kontrolünün temel amacı, reaktörün tasarlandığı bütün koşullarda düzgün ve sürekli çalışmasını temin etmektir. Reaktör kalbindeki nötron nüfusunun fazla olması artan bir fisyon reaksiyonu ve artan güç demek olduğundan, nötron nüfusunun ayarlanması için kontrol çubukları gereklidir. Kontrol çubukları nötron yutuculukları çok yüksek malzemelerden yapılırlar.

Reaktör kalpleri çoğunlukla yansıtıcılarla (reflektör) çevrilidir. Reaktör kalbinden dışarı kaçan nötronların yeniden kazanılması için kullanılırlar.

Bir nükleer reaktörde; yakıt çubuklarının, kontrol çubuklarının, yavaşlatıcının, soğutucu akışkan kanallarının ve yansıtıcının toplamı reaktörün can alıcı merkezini yani gerçekten kalbini temsil eder. Reaktör kalbi bir reaktör tankı içine yerleştirilir. Reaktör tankı, diğer bir deyişle basınç kabı, çelikten yapılmış ve yüksek basınca dayanıklı bir kaptır. Tüm nükleer reaksiyonlar, reaksiyondan çıkan çok yüksek aktiviteli fisyon ürünleri, sayısız nötron ve bunlarla etkileşen yavaşlatıcı, kontrol çubukları ve yansıtıcı içeride tutulur ve kesinlikle dışarı sızıntı olmaz.

Reaktör kabının çevresinde, biyolojik zırh diye adlandırılan çok kalın bir beton duvar vardır. Biyolojik zırh radyasyon koruması için yapılmıştır ve içine asla girilmez.

Güvenlik binası birinci soğutma devresini oluşturan elemanların tümünü içine alan bir binadır. Güvenlik kabuğu olarak da adlandırılan bu bina 40-50 m yükseklikteki çelik kafesli betonarme bir yapı olup ve duvar kalınlığı 1,5 m’yi bulur. Duvarın iç kısmı çelik astar ile kaplıdır. Bu yapının muazzam güçlü olması demek, en büyük kazalarda bile oluşabilecek basınca dayanabilmesi demektir.

Basınçlı su reaktörleri (Pressurized Water Reactor-PWR) önce denizaltılarda kullanılmak üzere geliştirilmiştir. Yüksek güç yoğunluğuna sahiptir, yani birim hacminden elde edilebilecek gücü yüksek bir reaktör tipidir. Bugün en yaygın kullanılan reaktör tipi olmasının öncelikli sebebi yüksek güç yoğunluğudur.

Kaynar su reaktörlerinde (Boiling Water Reactor-BWR) kullanılan yakıt % 3-4 oranında zenginleştirilmiş uranyumdur. Yavaşlatıcı ve soğutucu, basınçlı su reaktörlerinde olduğu gibi hafif su (H₂O)’dur. Soğutucunun kalp içinde kaynamasına izin verilir. Kalbi soğutan su tank içinde kaynayarak doğrudan buhar üretilmiş olur. Basınç ve sıcaklığın çok yüksek olmasına gerek yoktur. Genelde 70 Atm dolayındaki basınç ve 300 °C sıcaklık yeterlidir.

Ağır su reaktörleri (Canadian Deuterium Uranium Reactor-CANDU) yakıt olarak doğal uranyum, yavaşlatıcı olarak ağır su kullanır. Bu reaktörler Kanada tarafından geliştirildikleri için CANDU tipi olarak adlandırılır. Ağır su, bileşiminde ağır hidrojen (döteryum) bulunan sudur (D2O). CANDU reaktörlerde doğal uranyum yakıt yalnızca 1,5 yıl kadar reaktörde kalır. Bu durumda sürekli yakıt değiştirmek gerekir. Bu tip reaktörlerde kalbi içine alan tanka Calandria adı verilir. Her yakıt değiştirme işleminde reaktörün durdurulması yeniden çalıştırılması doğru olmayacağından, bu reaktörlerde yakıt değiştirilme işlemi reaktörü durdurmadan yapılacak şekilde tasarlanmıştır.

Saf karbon olan grafit, nötron yutuculuğu ve yavaşlatma özellikleriyle doğal uranyumun yakıt olarak kullanılabileceği bir reaktör olanağı ortaya koyar. Bir yandan grafitin kolay bulunması ucuz olması ve sanayinin kullandığı bir malzeme olması diğer yandan doğal uranyumun kullanılabilirliği ilk nükleer reaktörlerin grafitli reaktörler olmasına sebep olmuştur. Yavaşlatıcının bir katı malzeme olması ve grafitin uyum sağlaması özelliklerinden dolayı soğutucu gaz olarak seçilmektedir. Kısaca gaz soğutmalı reaktörler (Gas Cooled Reactor-GCR) yavaşlatıcısı grafit ve soğutucusu gaz olan termal reaktörlerdir.

Bu reaktörler hızlı nötronların fisyon yapmasına dayanan enerji üretimine göre tasarlanmıştır. Hızlı-üretken reaktörlerde bir yandan uranyum-238’den plütonyum-239 üretilir diğer yandan da üretilen plütonyum yakıt fisyona uğrayarak enerji üretir. Plütonyumun fisyonu için hızlı nötronlar kullanıldığından bu reaktörlerin yavaşlatıcı gereksinimi yoktur. Hatta yavaşlatıcı olabilecek tüm malzemelerden kaçınılır. Dolayısıyla bu reaktörlerde sıvı metal soğutucular kullanılır. Bu nedenle reaktörlerin adı Sıvı-Metal Soğutmalı Hızlı-Üretken Reaktör (Liquid-Metal Fast-Breeder Reactor-LMFBR) şeklindedir. Hızlı-üretken reaktörlerin yakıtı zenginleştirilmiş uranyumdur.

Fisyon reaksiyonu yapabilen yakıtın reaksiyonuyla ortaya çıkan bağ enerjisi, fisyon ürünlerinin kinetik enerjileri olarak algılanır. Isı, yakıttan zarfa iletimle aktarılır. Seramik yakıtların ısıl iletkenlikleri yüksek olmadığı için yakıt lokmalarının boyutlandırılmasında ısıl iletkenlikte önemli bir rol oynar. Zarf içinde ısı iletimle dış yüzeye aktarılır.  Zarfın dış yüzeyinden soğutucuya taşınım mekanizması ile ısı geçişi olacaktır. Reaktör basınç kabını terk eden akışkan birinci soğutma devresi elemanlarından buhar üretecine gider. Buhar üretecinde ısı taşınım mekanizması ile ikinci akışkana ısı aktarılır ve soğutucu reaktör kalbine geri döner.

Nükleer reaktörlerde güç üretiminin gerçekleşmesinde kullanılan makineler güç devresinin elemanlarını oluşturur.  Bunlardan; basınç kabı, basınç ayarlayıcı, buhar üreteci, pompalar, buhar türbini, jeneratör grubu ve yoğuşturucu en göze çarpan güç devresi elemanlarıdır.

Hafif su, ağır su reaktörlerindeki buhar üretiminden sonra çalışan çevrim Rankine çevrimidir.

Rankine çevriminin adımları dört aşamada gösterilir ve her adımda çalışan akışkanın hâl değişimleri ifade edilir.

1-2 Çalışan akışkan su, düşlük basınçtan, buhar üreticinin yüksek basıncına pompalanır. Pompalama için mekanik veya elektrik gücü gibi güç girişine ihtiyaç vardır. İdeal çevrimde bu hâl değişimi izentropiktir.

2-3 Su buhar üretecinde sabit basınçta kızdırılmış buhar hâlini alana dek ısıtılır. Buhar üretecinde dolaşan yüksek sıcaklıktaki akışkan nükleer reaktörün soğutma suyudur.

3-4 Kızgın buhar, türbin boyunca genişler ve güç üretir. İdeal şartlarda, bu genişleme izentropiktir. Böylece buharın basınç ve sıcaklığı düşer.

4-1 Türbinden çıkan buhar daha sonra yoğuşturucuya girer, doymuş sıvı hâlini alana kadar yoğuşturulur. Bu sıvı daha sonra tekrar pompaya girer ve çevrim tekrar eder.