NÜKLEER SANTRALLER

Nükleer enerji nedir? Ağır radyoaktif atomların bir nötronun çarptırılması ile daha küçük atomlara bölünmesi veya hafif  radyoaktif atomların birleşerek daha ağır atomları oluşturması sonucu çok büyük bir miktarda eneji açığa çıkar. Bu enerjiye nükleer enerji denir. Nükleer reaktörlerde fisyon reaksiyonu ile edilen enerji elektriğe çevrilir. Fisyon reaksiyonu yapabilen doğada mevcut tek element Uranyumun 235 atom ağırlıklı izotopudur. Bu izotop doğal uranyumda % 0.7 miktarında mevcuttur.

Atom Bir elementin kimyasal özelliklerini taşıyan en küçük parçasına atom denir. Evrende bilinen bütün maddeler pozitif yüklü bir çekirdek ve etrafında dönen negatif yüklü elektronlardan oluşur. Atomun çekirdeği ise nükleon olarak adlandırılan ve elektronlara göre yaklaşık 2000 kat daha ağır olan, artı yüklü proton ve yüksüz nötronlardan oluşmaktadır. Dolayısıyla bu üç parçacık, etrafımızdaki sonsuz çeşitlilikteki maddenin temel yapı taşlarıdır.

Molekül Doğada atomlar genellikle daha kararlı enerji seviyelerinde bulunmak amacıyla yörüngelerinde bulunan elektronları başka atomlarla paylaşırlar. Atomların biraraya gelmesi ile moleküller oluşur. Bir elementte aynı cins atomlar tek olarak veya moleküller halinde bir aradadır. Kimyasal Tepkime: İki veya daha fazla sayıda madde bir araya geldiğinde, moleküllerdeki atomların aralarında yeniden düzenlenmesine kimyasal tepkime denir. Bu sırada elektronların paylaşılması değişir. Ancak ilgili atomların çekirdeklerinde bulunan parçacık sayısı değişmez. Çekirdek Tepkimesi: Kimyasal reaksiyonların aksine atomların çekirdeklerinde bulunan parçacıkların kendi aralarında veya dışarıdan gelen bir etki sonucunda değişimleri sonucunda oluşur. Çekirdek tepkimesi sonucunda eğer proton sayısı değişiyor ise farklı bir elemente ait bir atom oluşmuş olur. 

Fisyon (Çekirdek Parçalanması) Fisyon bir nötronun, uranyum gibi ağır bir element atomunun çekirdeğine çarparak yutulması, bunun sonucunda bu atomun kararsız hale gelerek daha küçük iki veya daha fazla farklı çekirdeğe bölünmesi reaksiyonudur. Dolayısıyla Fisyon, bir çekirdek tepkimesidir. Parçalanma sonucunda ortaya çıkan atomlara fisyon ürünleri denir. Bunların bazıları radyoaktiftir. Bir nötron yutulması ile başlayan fisyon tepkimesi sonucunda, büyük miktarda enerji ile birlikte, birden fazla nötron ortaya çıkar. Çekirdek tepkimeleri sonucunda açığa çıkan enerji, kimyasal tepkimelere göre yaklaşık bir milyon kat düzeyinde daha fazladır.

Füzyon (Çekirdek Birleşmesi) Hafif radyoaktif atom çekirdeklerinin birleşerek daha ağır atom çekirdeklerini meydana getirmesi olayıdır. Füzyon tepkimesinde ortaya çıkan sıcaklık fisyondakinden çok daha büyüktür. Bu yüzden bu sıcaklığı kontrol edebilecek bir füzyon reaktörü henüz kurulamamıştır. Güneşteki tepkimeler bu gruba girer.

Nötron bombadırmanına tutulan U-235 atomunun çekirdeği bölünür Nötron bombadırmanına tutulan U-235 atomunun çekirdeği bölünür. Bu bölünme sonunda iki veya üç nötron, fisyon ürünleri ve nükleer enerji meydana gelir. Şekil 1. Nükleer Fisyon Reaksiyonu

Zincirleme Reaksiyon Fisyon sonucunda ortaya çıkan nötronların, ortamda bulunan diğer fisyon yapabilen atom çekirdekleri tarafından yutularak, onları da aynı reaksiyona sokması ve bunun ardışık olarak tekrarlanmasıdır. Çıkan nötronlar diğer U-235 atom çekirdeklerini fisyona uğratarak şekilde görülen zincirleme reaksiyonu meydana getirirler. Bu zincirleme reaksiyon neticesinde büyük bir enerji açığa çıkar. Şekil 2. Zincirleme Fisyon Reaksiyonu

Doğada bulunmayan fakat nükleer reaksiyonlar sonucunda elde edilebilen U-233 ve Pu-239 izotopları da yavaş nöronlarla fisyon reaksiyonu yapabilir. Kontrolsüz bir zincirleme reaksiyon, anlık bir süre içinde çok büyük bir enerjinin ortaya çıkmasına neden olur. Atom bombasının patlaması bu şekildedir. Nükleer reaktörlerde zincirleme reaksiyonlarla açığa çıkan enerji kontrollü bir şekilde alınarak nükleer santrallerin türbinlerinde elektrik enerjisine dönüştürülür. Bu kontrolün kaybedilerek nükleer yakıtın bir bomba haline dönüşmesi fiziksel olarak olanaksızdır.

İLK NÜKLEER TEPKİMEYi KİM BULDU? 1905 yılında Einstein, E=mc2 formülü ile fisyon sonucu açığa çıkabilecek enerji konusunda öngörüde bulunmuştu. 1930 yılında bu öngörü deneysel olarak Otto Hahn, Lise Meitner ve diğerleri tarafından doğrulandı. 1942 yılında Dünyadaki insan yapısı ilk nükleer reaktör Enrico Fermi’nin yürüttüğü bir proje sonucunda ABD'nin Chicago, Illinois kentinde kuruldu. 1951 yılında Fisyon kullanılarak üretilen ilk elektrik ise, Arco, Idaho’daki Deneysel Üretken Reaktöründe elde edilmiştir. 1957 yılında elektrik üreten ilk ticari nükleer güç santralı Shippingport, Pennsylvania'da (ABD) kurulmuş ve işletmeye girmiştir.

Nükleer enerji, ekonomikliği kanıtlanmış ve birçok ülkede elektrik enerjisi üretim sistemlerinin önemli bir bileşeni haline gelmiştir. (31 Ülkede 441 Nükleer Güç Santralı) 284 Araştırma reaktörü 56 ülke tarafından kullanılmakta ve yaklaşık 220 reaktör de uçak gemileri ve denizaltılarda kullanılmakta. Nükleer santrallerin toplam elektrik enerjisi üretimi içindeki payı % 17 lerdedir. Fransa Uluslararası Atom Enerjisi Ajansı verilerine göre elektrik enerjisinin %75′ini nükleer enerjiden sağlamaktadır.

NÜKLEER GÜÇ SANTRALi NEDİR? Nükleer santral, bir veya daha fazla sayıda nükleer reaktörün yakıt olarak radyoaktif maddeleri kullanarak elektrik enerjisinin üretildiği tesistir.

Bir nükleer santraldeki sistemler konvansiyonel güç santralleri ile aynı mantıkla çalışırlar. Isı enerjisinin üretildiği kısımda elde edilen buharın türbin-jeneratörü döndürerek elektrik üretilmesi felsefesi, temel olarak nükleer santrallerde de aynıdır.

Birincil (Soğutma) Sistemi: Nükleer santraller ısı üretmek için nükleer reaksiyonu kullandıkları ve bunun sonucunda çevreye salınmaması gereken radyoaktif maddeler ürettikleri için, bazı ek sistemler kullanırlar. Örneğin, bir çok nükleer santralde nükleer yakıtı barındıran yakıt tüpleri arasından ısınarak geçen su, doğrudan türbine gönderilmeyip, türbin için buhar üretilen ikinci bir çevrimi ısıtmak için kullanılır. İkincil Soğutma Sistemi: Birincil soğutma sistemindeki ısıyı alarak türbini döndürmek için gerekli olan buharın üretilmesi için kullanılan sistemdir. Her iki sistem de kapalı birer döngü oluşturmuşlardır.

7. Reaktör korunak binası (containment) 8. Türbin (turbine) 9. Jeneratör - Elektrik üreteci (generator) 10. Yoğunlaştırıcı (condenser) 11. Besleme suyu pompası (feedwater pump) 12. Besleme suyu ısıtıcısı (feedwater heater) 1. Reaktör kalbi (reactor core) 2. Kontrol çubuğu (control rod) 3. Reaktör basınç kabı (pressure vessel) 4. Basınçlandırıcı (pressurizer) 5. Buhar üreteci (steam generator) 6. Birincil soğutma su pompası (primary coolant pump)

Elektrik üretimi Oluşan ısı, suyu buhar haline dönüştürmek için kullanırlar. Buhar ise jeneratöre bağlı olan türbine verilir. Su buharı, türbin şaftı üzerinde bulunan binlerce kanatçık üzerinden geçerken, türbin şaftını döndürür. İşte bu dönme, jeneratörün elektrik üretmek için gereksinim duyduğu mekanik harekettir. Jeneratörde oluşan elektrik ise iletim hatları denilen iletken teller ile kullanılacağı yere gönderilir.

Kontrol odası

Nükleer Reaktör Çeşitleri Nükleer santraller, birincil sistemlerindeki farklılıklara göre değişik şekillerde adlandırılırlar. Dünyadaki 400 den fazla sayıda nükleer santralın yaklaşık olarak yarısı “basınçlı su reaktörü”dür. Buna ek olarak "kaynar sulu", “basınçlı ağır sulu” reaktörler de en çok kullanılan nükleer santral tipleridir. Ticari olarak halen mevcut nükleer santraller, reaktörlerinin tiplerine göre aşağıdaki şekilde sınıflandırılmıştır: PWR (Basınçlı Su Reaktörü) BWR (Kaynar Su Reaktörü) PHWR (Basınçlı Ağırsu Reaktörleri) CANDU(Kanada Basınçlı, Ağır Sulu, Doğal Uranyum Reaktörü) HTGR (Yüksek Sıcaklıklı Gaz Grafit Reaktörü) WWER (Rus tipi PWR reaktörü)

PWR (Basınçlı Su Reaktörü) Dünyada en yaygın olarak kullanılan tiptir. İlk olarak ABD’de nükleer denizaltılarda kullanılmak üzere geliştirilmiştir. Uranyum %2-3 zenginleştirilmiş yakıtları kullanmaktadır. Uranyum oksit yakıt, boş tüp şeklindeki zarflar içerisinde tabletler halinde bulunur. Buna yakıt çubuğu denir. Tek bir yakıt elemanı yapabilmek için kare bir örgü üzerine uzunlukları 3-5m olan 200 kadar yakıt çubuğu yerleştirilir ve tipik bir reaktör korunda bu elemanlardan yaklaşık 200 tane bulunur. Hafif diye adlandırılan normal su hem soğutucu hem de yavaşlatıcı olarak kullanılır. Suyun kaynamadan yüksek sıcaklıklara (yaklaşık 315°C’e) çıkabilmesi için birinci devre suyu yüksek basınç (yaklaşık 160 atmosfer) altında tutulur.

PWR (Basınçlı Su Reaktörü) Oldukça küçük olan reaktör kalbi, kapağı açılabilen masif çelik bir basınç kabı içerisindedir. Yakıt değişimi 12-18 ayda bir, reaktör durdurulup bu kapak açılarak yapılır. Soğutucu, pompa ve buhar üreticisini de içine alan birinci devre denilen sistem içinde dolanır. Birinci devrede yüksek basınçlı suya aktarılan ısı bir ısı değiştiricisi yardımıyla daha düşük basınçtaki (yaklaşık 60 atmosfer) ikinci devre suyuna aktarılarak buhar elde edilir. İki devre arasındaki basınç farkı sistemlerin verimli çalışmasını sağlamak için düşünülmüştür. Üretilen buhar yardımıyla yine yukarıda anlatılan yöntemler kullanarak elektrik enerjisi elde edilir.

PWR (Basınçlı Su Reaktörü)

PWR tipi bir nükleer santralin şeması

BWR (Kaynar Su Reaktörü) Bu tip reaktörlerin ilk ticari örneği 1960 yılında Şikago yakınlarında işletmeye açılan 180 MWe gücündeki Dresden-1 nükleer santralı olmuştur. Dünyada işletilmekte olan BWR tipi nükleer santrallerin yapımcı firmaları; GE (ABD) ve Hitachi (Japonya)’dir. Ticari olarak elektrik üreten BWR santrallerinin başlıcaları Finlandiya, Almanya, Hindistan, Japonya, Meksika, Hollanda, İspanya, İsveç, İsviçre ve Tayvan’da bulunmaktadır. BWR’ler hafif sulu reaktör ailesinin ikinci modelidir. Bugün dünyada kurulu nükleer santral gücünün beşte birini bu reaktörler oluşturur.

BWR (Kaynar Su Reaktörü) En tipik özellikleri, türbinler için gerekli olan buharın tümünün reaktör içinde üretilmesidir. Dolayısıyla buharlaşan ve türbine gidip iş yapan akışkan, reaktör soğutma suyudur. Böylece birinci devre suyu PWR’lerde ikinci devre suyunun da yaptığı işi yapmaktadır. Ayrı bir buhar üreticisine, ikinci devre pompasına ve boru donanımına gerek yoktur. Birinci devre su basıncı PWR’lerde 160 atmosfer, BWR’lerde ise 70-75 atmosferdir. Soğutucu suyu sıcaklıkları ise PWR’lerde 315°C, BWR’lerde ise 285°C’dir. Basıncın düşük olması sebebiyle BWR’lerin basınç kabı kalınlıkları PWR’dekinden daha azdır.

BWR (Kaynar Su Reaktörü) BWR’deki güç yoğunluğu (watt/cm3), PWR’dekinden daha azdır. Bu özellik, aynı güçteki BWR basınç kabı hacminin PWR’den 1,5-2 misli daha büyük olmasına sebep olur. BWR’lerde reaktör kabının üst kısmı buhar ayırıcıları ve kurutucularla donatılmış olduğu için, kontrol çubukları ve kontrol mekanizmaları reaktörün alt kısmındadır. BWR ve PWR’lerin yakıtları ve kalp yapıları birbirine benzer. Ancak BWR’lerdeki yakıt zenginliği biraz daha fazla olup %3-5 dolayındadır. Kullanılan yakıtlar, PWR’lerde olduğu gibi %3 civarında zenginleştirilmiş UO2 (uranyum dioksit) tabletlerden oluşmaktadır. Yakıt değişimi PWR’lerde olduğu gibi 12-18 ayda bir, reaktör durdurulup basınç kabının kapağı açılarak ve buhar kurutucuları çıkarılarak yapılır.

BWR (Kaynar Su Reaktörü)

BWR (Kaynar Su Reaktörü)

PHWR (Basınçlı Ağır Su Reaktörü ) CANDU reaktörü, basınç tüpü tasarımına sahip bir PHWR‘ dir. Reaktör kazanı kalandria adı verilen büyük silindir seklinde bir tanktır. Bu tankın içinden yakıt kanalları adi verilen birkaç yüz tüp geçer. Yakıt kanallarına yakıt demetleri yerleştirilir. Bunlar kaynamanın engellenmesi için atmosfer basıncının 100 kati basınç altında tutulan ağır su soğutucu ile soğutulur. Soğutucu, önce yakıt kanallarına, buradan buhar üreteçlerine pompalanır. Buhar üretecinde enerjisini bırakarak çıkan soğutucu başka bir kanaldan ve ters yönden yeniden reaktör kalbine gönderilir ve buradan çıktıktan sonra diğer buhar üretecine gider.

PHWR (Basınçlı Ağır Su Reaktörü ) Elektrik üretimi sistemin ikincil bölümünde PWR reaktörüne benzer şekilde gerçekleşir. Önemli sistem bileşenleri arasında basınçlayıcı, yakıt değiştirme makinesi, 2 farklı kapatma sistemi ve acil durum kalp soğutma sistemi sayılabilir. Sistem doğal uranyum kullanacak şekilde tasarlanmıştır ve yakıt değiştirme makinesi vasıtasıyla reaktör çalışırken yakıt değiştirilebilmektedir.

PHWR (Basınçlı Ağır Su Reaktörü )

CANDU (Kanada Basınçlı, Ağır Sulu, Doğal Uranyum Reaktörü) Bu reaktörlerin temeli, Kanada’nın plutonyum üretimi için, II. Dünya savaşı sırasında ağır su yavaşlatıcılı reaktör sistemini geliştirme programı kapsamında tasarlanan reaktörlere dayanır. CANDU adı, “Canada Deuterium Uranium”dan gelmektedir. Bugün dünyada 7 ülke elektrik enerjisi elde etmek için bu santrallerden 29 tanesini kullanmaktadır. Kanada’daki elektrik enerjisinin %13’ü CANDU tipi nükleer santrallerden sağlanmaktadır. Ağır su, nötronları yutma oranı çok düşük olduğu için yavaşlatıcı olarak hafif sudan daha avantajlıdır. Doğal uranyumla kritikliği sağlayabilen, su yavaşlatıcı yegane sistemdir. Bu da Kanada’nın kendi uranyum kaynaklarını kullanmasına olanak sağlamıştır.

CANDU (Kanada Basınçlı, Ağır Sulu, Doğal Uranyum Reaktörü)

HTGR (Yüksek Sıcaklıklı Gaz Grafit Reaktörü) HTGR’larda nötron yavaşlatıcısı olarak grafit ve soğutucu olarak helyum gazı kullanılmakta olup her iki tipte de helyum gazı 850-900 derece sıcaklıklarda reaktörden çıkıp gaz türübününe giderek onu döndürmekte ve bu suretle elektrik enerjisi elde edilmektedir. Bu santraller pasif güvenlik sistemleri kullanacak olup tasarımda koruma kabı olması öngörülmemiştir. Bu değerler santraller çalışmaya başladığı zaman da elde edilirse nükleer santrallere fosil yakıtlı santrallere nazaran büyük bir ekonomik avantaj sağlayacaktır.

HTGR (Yüksek Sıcaklıklı Gaz Grafit Reaktörü)

WWER (Rus tipi PWR reaktörü) WWER nükleer santralleri 440 ve 1000 MWe lik güçlerde olup normal su soğutmalı ve yavaşlatıcılıdır ve esasta eski tip bir PWR reaktörü kullanır. Silindirik reaktör merkezi hegzagonal yapıdaki 349 tane yakıt elemanından oluşmuştur. WWER-440’lar her zaman iki üniteli bir modül halinde inşa edilmekte olup, tek bir reaktör binasının içinde bulunmaktadırlar. WWER-1000 modelinde reaktör koruma kabı bulunmakta birlikte, WWER-440 modelinde koruma kabı yoktur. WWER–440 modelinde acil durum kalp soğutma sistemi yoktur. Bu görevi, soğutucu yenileme pompaları bir yere kadar yerine getirmekle birlikte, bu önemli bir eksikliktir. WWER’ların önemli sorunlarından birisi de, düşük düzeyde otomasyona sahip olmalarıdır. Bu durum, operatörlerin önemli miktarlarda elle müdahalesini gerektirmektedir.

Dünyada halen işletilmekte olan nükleer santrallerin reaktör tiplerine göre dağılımı görülmektedir.

Fransa St-Laurent nükleer santrali

Almanya, Philipsburg nükleer santrali

Kanada,Gentilly2 nükleer santrali

Almanya,Obrigheim nükleer santrali

Japonya,Kashiwazaki nükleer santrali

Kore,Wolsong nükleer santrali

İsviçre,Beznau nükleer santrali