Diğer tür reaktörler arasında bugüne kadar ticarileştirilmesi için yoğun çaba sarf edilen tasarımlardan bir tanesi hızlı üretken reaktörlerdir (FBR). FBR'ler daha henüz tam ticari reaktör statüsü kazanamamıştır.
FBR türü reaktörler kimi araştırma, kimi ticari prototip olmak üzere ABD, İngiltere, Fransa, eski Sovyetler Birliği, Rusya Federasyonu, Almanya, Hindistan ve Japonya’da kurulmuş ve işletilmiştir. Deneysel bir FBR Almanya’da inşa edilmiş, fakat hiçbir zaman işletmeye alınmamıştır. Çin’de 20 MW elektrik kapasiteli deneysel bir FBR 2011 yılında devreye alınmıştır.
Dünyanın ilk hızlı nötron düzeneği ABD’de 1946 yılında New Mexico eyaletinde hizmete alınmış Clementine adındaki reaktördür. Dünyanın ikinci FBR tipi reaktörü yine ABD’de 20 Aralık 1951 günü Idaho ulusal laboratuvarında EBR-I adı ile hizmete alınmıştır. Bu reaktör, insanlık tarihinde ilk kez 4 adet ampulü yakmaya yetecek kadar elektrik enerjisi üretmiştir. EBR-I bir sonraki gün bütün binanın elektriğini karşılayacak kadar elektrik üretmiştir. Bu reaktör sayesinde Idaho’nun Arco kasabası, elektriğini tümüyle nükleer enerjiden karşılayan ilk kasaba olmuştur.
FBR türü tasarımların en önemli özelliği, doğal uranyum ’da %99,3 oranında bulunan, fakat yakıt olarak kullanılamayan uranyum–238’i,aynen uranyum–235 gibi nükleer yakıt olarak kullanılabilen plütonyum-239’a dönüştürebilecek şekilde tasarlanmış olmasıdır. Bu da normalde daha az faydalı bir maddenin, değerli bir yakıt çekirdeğine dönüşmesi anlamı taşımaktadır. Hızlı reaktörler, enerji üretimi sırasında yakıt çekirdeği tüketiminden daha hızlı bir şekilde uranyum–238 izotopunu yakıt çekirdeği olan plütonyum-239’a dönüştürebilme kabiliyetine sahip reaktör düzenekleridir.FBR türü reaktörlerde termal reaktörlerin aksine, bölünme reaksiyonlarının çoğu hızlı nötronlarla sağlandığından, FBR’lere “hızlı reaktörler” adı da verilmektedir. Hızlı reaktörlerle daha fazla nötronu çekirdek dönüşümü için değerlendirmek mümkün olabilmektedir.
FBR’ler hızlı nötron reaktörleri olduğundan, reaktör kalbinden geçen soğutucunun nötronları yavaşlatmaması gerekmektedir. Bu gereksinim, soğutucu olarak kullanılabilecek malzemeler üzerine kısıt getirmektedir. Dünyada en yaygın olarak kullanılan soğutucu malzemesi olan “su”, bu amaç için uygun değildir, çünkü su çok etkili bir yavaşlatıcıdır. Yapılan çalışmalar mükemmel ısı aktarımı özellikleri nedeniyle “sıvı-metal” sodyumu neredeyse bu amaçla tek tercih edilen soğutucu malzemesi haline getirmiştir.
Şekil 1. Havuz ve Döngü Türü FBR Nükleer Santralları Basitleştirilmiş Şeması
Tasarım açısından önem taşıyan bir başka husus da, birinci soğutucu suyu döngüsü için havuz tipi veya döngü tipi tasarımlar arasında seçim yapmaktır. Havuz tipinde; reaktör kalbi, sodyum soğutucu pompası ve ısıyı ikinci döngüye aktaran ısı değiştiricisi büyük bir sodyum havuzunun içine yerleştirilmektedir. Döngü tipi tasarımda ise bütün bu bileşenler aynı PWR’larda olduğu gibi borularla birbirine bağlanmış durumdadır. Her iki tip tasarıma ait basitleştirilmiş şemalar Şekil 1’te gösterilmiştir.
FBR’lerde tipik olarak 4 ana döngü bulunmaktadır: Bunlar reaktör ve birinci sodyum döngüsü, ikinci sodyum döngüsü, su-buhar (besleme suyu) döngüsü ve yoğuşturucu için deniz, nehir suyu döngüsüdür. Radyoaktif olan birinci döngü soğutucusu ile türbin için kaynatılan suyun kazara temas edip patlayıcı bir reaksiyona girmesi arzu edilmediğinden, FBR’lerde bir ara “temiz” sodyum soğutma döngüsü daha ilave edilmiştir.
FBR türü reaktörlerde, ısı üretimi diğer reaktör türlerinde olduğu gibi reaktörün kalbinde meydana gelmektedir. Reaktör kalbi altıgen yakıt demetleri ile oluşturulmakta etrafında sağlam bir destek yapısı bulunmaktadır. Yakıt demetlerinin altında demetleri yerli yerinde tutacak ve her yakıt demetine doğru miktarda soğutucunun akmasını sağlayacak bir ızgara yapısı bulunmaktadır. Sodyum soğutucu reaktör kalbine, reaktör kabının altından pompalanmaktadır. Sodyum yakıt bölgesinden yukarıya doğru akarken sıcaklığı artmakta, reaktör kalbini yukarıdan terk etmektedir ve reaktör kalbinden aldığı ısı enerjisini “ara ısı değiştiricisi” olarak bilinen düzeneğe taşımaktadır. Bu ısı değiştiricisinde enerjisini ikinci bir sodyum döngüsüne aktarmakta ve tekrar reaktör kalbine bir pompa yardımıyla dönmektedir. Birinci döngü sodyum pompaları mekanik elektrikli pompalardır. Pompa iki adet motorla donatılmıştır. İlk motor normal işletme sırasında, daha küçük boyuttaki ikinci motor da reaktör kapalı haldeyken kullanılmaktadır.
İkinci döngüdeki sodyum da, ara ısı değiştiricisinden çıktıktan sonra, tipik olarak doğrudan buhar kızdırıcısına ve daha sonra buhar üretecine girmektedir. Kızdırıcıdan hafif soğumuş olarak çıkan sodyum buhar üretecine girmekte ve enerjisinin bir kısmını bırakarak buhar üretecini terk etmektedir. Buhar üretecini terk eden ikinci döngü sodyum soğutucusu, pompa yardımıyla tekrar ara ısı değiştiricisine dönmektedir. İkinci döngü sodyum pompası da aynen birinci döngü pompası gibi ana ve küçük motorlardan oluşmuştur ve ikinci döngüde soğutucunun en soğuk olduğu noktaya yerleştirilmiştir.
İkinci döngüde akan sodyumla ters yönde akmakta olan üçüncü döngü suyu, ikinci döngünün enerjisini alarak buharlaşmakta ve kızgın buhar haline gelmektedir. Türbine gidecek bu kızgın buharın oluşturulması FBR’lerde genellikle iki aşamada gerçekleşmektedir. İlk aşama buhar üreteci aşamasıdır. Buhar üretecinden çıkan buhar, kızdırıcıya girmekte ve kızgın buhar olarak çıkmaktadır. Kızdırıcıdan çıkan buhar türbin adasına gitmektedir. Türbinde enerjisini kaybeden buhar yoğuşturucuda tekrar su haline dönüştürüldükten sonra ön-ısıtıcıdan geçirilmekte ve tekrar buhar üreteci-kızdırıcı düzeneğine bir pompa yardımıyla gönderilmektedir.
Şekil 2. FBR Reaktör Kalbi
FBR’lerde yakıt plütonyum-239 ve uranyum-238 karışımdan oluşmuştur. Bu tür karışımlara karışık oksit yakıt (Mixed OXide, kısaca MOX) adı verilmektedir. Yakıt küçük peletler halinde hazırlanmıştır. Bu peletler paslanmaz çelikten imal edilmiş borulara doldurularak yakıt çubukları elde edilmektedir. Yakıt çubukları altıgen şekilli yakıt kaplarının içine yerleştirilerek yakıt demetleri oluşturulmaktadır. Yakıt çubuklarında sadece ortadaki belirli bir bölge yakıt peletleri içermektedir. Yakıt bölgesinin altında ve üstünde “eksenel battaniye” olarak adlandırılan bölgede sadece uranyum–238 içeren peletler bulunmaktadır. Battaniye bölgelerde, yakıt bölgesinden kaçan nötronların uranyum-238’i, yakıt çekirdeği plüyonyum-239’a dönüştürmesi sağlanmaktadır. Dış görünüşleri birbirinin aynı bile olsa, aslında FBR’lerde 3 farklı tür yakıt demeti bulunmaktadır. Bunlar; normal yakıt demetleri, radyal üretici demetler ve dış yansıtaç (reflektör) demetlerdir. Hepsi altıgen şekildedir. Şekil 2’da tipik bir FBR kalbinin üstten görünüşünü göstermektedir. Ortada kırmızı ile gösterilen bölge, yakıt olmayan uranyum–238 ile yakıt plütonyum–239’un karıştırılmasıyla elde edilen (karışık oksit) yakıt demetleridir. Sarı renkte olanlar, içerdiği plütonyum–239 miktarı kırmızılardan daha fazla olan yakıt demetleridir. Siyahlar, kontrol çubuklarının girdiği yerlerdir. Çevreleyen mavi yakıt demetlerinin olduğu bölgeye “radyal battaniye” adı verilmektedir. Bunlar sadece uranyum–238 içermektedir.
FBR’lerde farklı kontrol çubukları bulunmaktadır. Bunlardan bir kısmı ince ayar kontrol çubukları, önemli bir kısmı da kaba ayar kontrol çubuklarıdır. İnce ve kaba ayar kontrol çubukları reaktörü kontrol etmek ve güç dağılımının düzenini sağlamak amacıyla sürekli kullanılmaktadır. Kontrol çubuklarının bir kısmı da yedek kontrol çubuklarıdır. Yedek kontrol çubukları sadece reaktörü ilk çalıştırmaya başlarken veya reaktörü kapatmak gerektiğinde kullanılmakta, normal zamanda reaktör kalbinin dışında durmaktadır. Kontrol çubukları elektro mıknatıslar yardımıyla hareket ettirilmektedir. Elektrik kaynağında bir problem oluştuğunda, kontrol çubukları yerçekimi yardımıyla otomatik olarak düşerek reaktörü kapatmaktadır.
Hızlı reaktörlerin dünya uranyum rezervleri 25 kat daha fazla değerlendirilebilir bir hale getirebileceği düşünülmektedir. Ne yazık ki, FBR teknolojisi, bu kadar çabanın ardından halen başarıyla tam olarak ticarileştirebilmiş bir reaktör teknolojisi değildir.
Küçük Modüler Reaktörler (SMR), geleneksel büyük ölçekli reaktörlerden daha küçük, daha çok yönlü ve daha kolay konuşlandırılabilir olacak şekilde tasarlanmış yeni nesil nükleer reaktörlerdir. Yaklaşık 10 ila 300 megavat (MW) arasında değişen boyutlardaki bu reaktörler, nispeten kolay bir şekilde monte edilebilen ve taşınabilen modüler bileşenler kullanılarak inşa edilir. Bu modüler tasarım, daha akıcı bir inşaat süreci, daha hızlı konuşlandırma ve seri üretim potansiyeli sağlar. SMR'ler ayrıca, aktif mekanik sistemler yerine yerçekimi ve konveksiyon gibi doğal olaylara dayanan pasif güvenlik özellikleri sayesinde, daha büyük muadillerinden doğal olarak daha güvenli olacak şekilde tasarlanmıştır.
Nesil IV (Gen IV) reaktörler, nesil III reaktörlerin halefleri olarak öngörülen nükleer reaktör tasarım teknolojileridir. Nesil IV reaktörlerin gelişimini koordine eden uluslararası bir organizasyon olan Nesil IV Uluslararası Forumu (GIF), özellikle altı reaktör teknolojisini nesil IV reaktörler için aday olarak seçmiştir. Tasarımlar, iyileştirilmiş güvenlik, sürdürülebilirlik, verimlilik ve maliyeti hedeflemektedir. Dünya Nükleer Birliği, 2015 yılında bazılarının 2030'dan önce ticari faaliyete geçebileceğini öne sürmüştür.
Nükleer endüstri, tesis operasyonlarını geliştirmek için dijital araçları benimsiyor. 3B modelleme, Endüstriyel Nesnelerin İnterneti (IIoT) sensörleri ve AI destekli tanılama gibi teknolojiler, ekipman sağlığını izlemek, bakım ihtiyaçlarını tahmin etmek ve performansı optimize etmek için uygulanıyor. Örneğin, Çin'deki Tianwan Enerji Santrali, performans parametrelerini gerçek zamanlı olarak analiz etmek için veri yönetimi yazılımı kullanıyor, böylece riskleri azaltıyor ve ekipman ömrünü uzatıyor.
Bizimle İletişime Geçin
Herhangi bir sorunuz, öneriniz veya iş birliği teklifiniz için benimle iletişime geçmekten çekinmeyin. Yalnızca birkaç adımda ulaşabileceğiniz bu sayfadan size en hızlı şekilde geri dönüş yapacağım. Beni e-posta veya iletişim formu aracılığıyla rahatlıkla bulabilirsiniz. Yardımcı olmaktan memnuniyet duyarım!
