Bilim adamları; uranyum–235 gibi bazı ağır çekirdeklerin üzerine nötron gönderildiğinde, Şekil 1’de gösterildiği gibi bölünme tepkimesine (fisyon) uğradıklarını ortaya çıkartmıştır. Bu buluş bugün bildiğimiz anlamda nükleer enerjinin doğmasına sebep olmuştur.Uranyum–235 çekirdeği, bir nötronu yutarak çok kararsız olan uranyum–236 haline dönüşür ve ikiye (veya üçe) bölünür. Ortaya yeni nötronlar ve enerji çıkar. İşte bu yolla ortaya çıkan enerjiye "nükleer enerji" adı verilmektedir. Bölünme tepkimesi sonucunda ortaya çıkan yeni nötronlar hareketleri sırasında önlerine çıkan başka uranyum–235 çekirdeklerine çarparak onların da bölünmesine sebep olabilmektedir. Bölünme tepkimesinin ürünlerinden biri olan nötronların yeni bir bölünme tepkimesine sebep olması ve bölünme tepkimelerinin bu şekilde sürekli bir şekilde devam etmesine “zincir tepkimesi” adı verilmektedir.Nükleer santraller tüm bunların gerçekleştiği ve bölünme tepkimesinden elektrik enerjisi elde etmek amacıyla tasarlanmış düzeneklerdir.Nükleer enerjinin bir diğer türü olan, hidrojen, helyum gibi hafif çekirdeklerin birleşmesi (füzyon) sonucunda ortaya çıkan enerjinin kullanılmasını amaçlayan teknolojiler halen geliştirme aşamasında olup henüz ticari uygulamaları bulunmamaktadır.
Nükleer santralları diğer enerji üretim tesislerinden farklı yapan en önemli husus, enerji üretimine yönelik ısı kaynağıdır. Bir kömür santralında ısı enerjisi kömürün yanması, bir doğal gaz santralında doğal gazın yanması sonucunda ortaya çıkarken, bir nükleer santralda nükleer yakıt bölgesinde meydana gelen kontrollü zincirleme bölünme tepkimesi sonucunda ortaya çıkmaktadır.
Şekil 1. Bölünme Reaksiyonu
Nükleer santrallar üretim blokları olarak inşa edilmektedir. Her bir üretim bloğuna “ünite” adı verilmektedir. Her ünite Şekil 2’de gösterildiği gibi “nükleer ada” ve “türbin adası” bölümlerinden oluş-maktadır. Türbin adasına “kon-vansiyonel ada” adı da veril-mektedir, çünkü türbin adası kömür ve doğal gaz santralları gibi birçok elektrik üretim sisteminde bulun-maktadır ve nükleere has tesisler değildir.
Nükleer adanın görevi ise suyu yüksek enerji ve kalitede buhara dönüştürmektir. En basit anlamda, nükleer adayı içine su giren ve yüksek kaliteli buhar çıkan bir kutu olarak düşünmek mümkündür. Bu buhar daha sonra elektrik üretiminde kullanılmak üzere türbin adasına gönderilmektedir.
Şekil 2. Nükleer Santral Üretim Bloğu
Türbin Adası
Nükleer santrallarda türbin adası, diğer konvansiyonel elektrik üretim tesislerinde olduğu gibi türbin ve jeneratör bileşenlerinden oluşmaktadır. Tipik bir konvansiyonel ada Şekil 3’te gösterilmiştir. Nükleer adadan türbin adasına gelen buhar, burada bulunan türbin-jeneratör sistemine girmektedir. Türbinin kanatlarına çarpan buhar, enerjisini kanatlara aktararak türbin milinin dönmesini sağlamaktadır. Türbin milinin ucunda bulunan jeneratör,rotorunda oluşan mekanik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürmektedir.
Günümüzde nükleer santrallerde kullanılan türbinler, genellikle yüksek, orta ve alçak basınç türbinlerinden oluşan seriler olarak imal edilmektedir. Örneğin bir türbin seti 1 yüksek basınç, 2 orta basınç ve 4 alçak basınç türbininden oluşabilmektedir. Bir nükleer santralda, nükleer adadan gelen yüksek enerjili buhar ilk önce yüksek basınç türbinine girmekte ve türbin kanatlarına çarparak enerjisinin bir kısmını kaybetmektedir. Bu buhar daha sonra borularla orta basınç türbinine aktarılmaktadır. Burada da enerjisinin bir kısmını bırakan buhar son olarak türbinin alçak basınç bölümüne girmektedir. Alçak basınç türbinini terk eden, enerjisini ve kalitesini tamamen kaybetmiş buhar, tekrar suya dönüştürülmek amacıyla alçak basınç türbini çıkış ağzından türbini terk ederek yoğuşturucu düzeneğine girmektedir.Günümüzde nükleer santrallarda kullanılan en güçlü buhar türbinleri yaklaşık 1550 MW elektrik üretebilmektedir.
Şekil 3. Konvansiyonel Ada
Yoğuşturucu, deniz ve nehirden alınan suyun aktığı borulardan oluşan bir düze-nektir. Türbinden çıkan enerjisini kaybetmiş buhar yoğuşturucu bölümüne gir-mekte ve boruların dış yüze-yine çarparak suya dönüş-mektedir. Yoğuşan su, yoğuşturucunun altında bu-lunan sıcak su havuzunda birikerek pompa yardımıyla ön-ısıtıcılardan geçirilerek tekrar buharlaşmak üzere reaktör adasına gönderil-mektedir. Besleme suyu adı da verilen bu suyu reaktör adasına basan pompalara “besleme suyu pompası” adı verilmektedir.
Santral nehir kenarına kurulmuş ise, bazı durumlarda nehrin kapasitesi yoğuşturucu soğutması açısından yeterli olmamaktadır. Bu gibi durumlarda “soğutma kulesi” adı verilen ek yapılara ihtiyaç duyulmaktadır. Deniz kıyısına kurulmuş nükleer santrallerde çoğu zaman soğutma kulesi bulunmamaktadır. Farklı soğutma kulesi tasarımları mevcut bulunmaktadır. Fakat en genel anlamda soğutma kuleleri yüksek bacalara benzeyen yapılardır.
Nükleer Ada
Nükleer santralleri diğer elektrik üretim tesislerinden farklı kılan “nükleer ada” bölümüdür. Farklı türde nükleer reaktörler geliştirilmiştir. Fakat bu farklı türlerin nükleer enerjinin üretildiği bölümleri aynı ana bileşenlerden oluşmuştur. Bu bileşenler; yakıt ve yakıt zarfı, soğutucu, yavaşlatıcı, kontrol çubukları ve diğer yardımcı sistemlerdir. Bu bileşenlerin her biri aşağıdaki bölümlerde kısaca açıklanmıştır:
Nükleer Yakıt ve Yakıt Zarfı
Nükleer yakıt; bölünme (fisyon) tepkimesi sonucundan ısı enerjisinin ortaya çıktığı malzemedir. Doğada önemli miktarlarda bulunan tek nükleer yakıt, çekirdeğinde 235 adet proton ve nötron bulunan uranyum izotopudur. Uranyum-235 olarak adlandırılan bu izotop hemen hemen bütün ticari nükleer santrallerde yakıt çekirdeği olarak kullanmaktadır. Diğer yandan madenden çıkartılan uranyum sadece %0,7 oranında uranyum–235 içermektedir. Geri kalanının çoğu çekirdeğinde 238 adet proton-nötron bulunan ve uranyum–238 diye adlandırılan uranyum izotopudur.
Birçok reaktör türünde, yakıt malzemesi elde etmek için doğal uranyumun içeriğindeki uranyum–235 oranının arttırılması gerekmektedir. Doğal uranyumun, uranyum-235 izotopu açısından zenginleştirilmesi işlemine “zenginleştirme”, bu işlemin gerçekleştirildiği tesislere de “zenginleştirme tesisi” adı verilmektedir. Günümüzde ticari nükleer santralların çoğunda uranyum–235’in oranının %2-%4 düzeylerine çıkartılması gerekmektedir. Dünyada doğal uranyumu yakıt olarak kullanan reaktör türleri de bulunmaktadır. Fakat zenginleştirilmiş uranyuma sahip sistemler daha az nötron ile zincirleme tepkimeyi koruyabildiklerinden, daha fazla tercih edilmektedir. Uranyumun zenginleştirilmesi süreci uranyum-238 ve uranyum-235 arasındaki çok küçük kütle farkının kullanarak gerçekleştirilen fiziksel ayrıştırma süreci içerdiğinden hem çok zor hem de çok maliyetlidir.
Şekil 4. Nükleer Yakıt
Bugüne kadar farklı tür malzemeler yakıt olarak denenmiştir. Bunlar arasında seramik uranyum dioksit (UO2) günümüzdeki nükleer santrallarda en yaygın olarak kullanılan yakıt türüdür. Uranyum dioksit yakıtları mükemmel bir korozyon direnci ve geometrik kararlılığa sahip bulunmaktadır. Ayrıca seramik olması nedeniyle çok yüksek sıcaklıklarda hizmet görebilmektedir.
Nükleer yakıt, Şekil 4’te gösterildiği gibi genellikle sigara izmariti büyüklüğünde yakıt peletleri olarak imal edilmektedir. Bu peletler yakıt zarfının içine doldurularak yakıt çubukları haline getirilmektedir. Yakıt zarfının görevi bölünme tepkimesi sonucunda ortaya çıkan ve çoğu radyoaktif olan çekirdekleri santral çalışanlarına ve çevre halka risk teşkil etmemesi amacıyla hapsetmektir. Nükleer enerjinin kullanılmaya başlandığı ilk yıllardan bu yana alüminyum ve magnezyum alaşımları, paslanmaz çelik gibi zarf malzemeleri kullanılagelmiş olsa da, zirkonyum, kalay, krom, demir, nikel ve niyobyumdan imal edilen ve zirkaloy adı verilen zirkonyum alaşımı, dünyada en yaygın olarak kullanılan zarf malzemesi durumundadır.
Yakıt çubukları reaktörün türüne bağlı olarak, kare, altıgen veya daire demetler haline getirilmektedir. Yakıt demetleri reaktör kabının içinde yan yana dizilerek silindire yakın şekle sahip ve reaktör kalbi adı verilen bir yakıt bölgesi elde edilmektedir.
Yakıt olarak kullanılabilecek diğer olası çekirdekler arasında plütonyum–239 ve uranyum–233 bulunmaktadır. Plütonyum–239; uranyum–238 izotopunun nötronlarla bombardıman edilmesi sonucunda oluşmaktadır. Uranyum–233 ise toryum-232’nin nötronlarla bombardımanı sonucunda ortaya çıkmaktadır. Dünyada uranyum-233 yakıt çevrimi kullanan ticari nükleer santrallar henüz bulunmamaktadır. Dolayısıyla Türkiye’de sık sık gündeme getirilen toryum yakıt çevriminin dünya üzerinde henüz bir ticari uygulaması bulunmamaktadır. Plütonyum-239’un uranyum ile karıştırılmasıyla oluşturulan ve MOX adı verilen karışık oksit nükleer yakıtların kullanılması çalışmaları da sürdürülmektedir.
Soğutucu
Nükleer reaktörlerde bölünme sonucunda oluşan ısı enerjisini yakıt bölgesinden uzaklaştırmak için kullanılan maddeye soğutucu adı verilmektedir. Soğutucu, yakıtta üretilen ısı enerjisini elektrik üretimi işlemlerinde kullanılmak üzere nükleer santralin başka bölgelerine taşımaktadır (reaktörün tasarımına göre türbine, buhar üretecine veya ısı dönüştürücüsüne). Soğutucu ayrıca yakıtın sıcaklığının çok yüksek derecelere çıkmasını da engelleyerek, nükleer güvenlik açısından önemli bir işleve sahiptir.
Soğutucu adayları arasında en çok kullanılan malzeme günlük hayatta sıkça kullandığımız sudur. Su çok ucuz ve iyi ısı aktarımı özelliklerine sahip bir malzemedir. Yakıt zarfı olarak zirkonyum alaşımlarının kullanılması durumunda, yakıt zarfı ve diğer yapısal malzemelerlede uyum içinde görev yapabilmektedir. Suyun en önemli dezavantajlarından bir tanesi işletme sıcaklıklarında sıvı halde tutulabilmesi için yüksek basınç uygulanmasının gerekmesidir. Diğer yandan su tek fazlı soğutucu olarak kullanılabileceği gibi, reaktör kalbinde kaynamasına izin verilecek şekilde iki fazlı soğutucu olarak da kullanılabilmektedir.
Ticari nükleer santralarda soğutucu olarak kullanılmakta olan veya kullanılagelmiş diğer malzemeler arasında karbondioksit, helyum, ağır su ve sıvı sodyum bulunmaktadır.
Yavaşlatıcı
Bölünme tepkimesi sonucunda oluşmuş yeni nötronların ortalama enerjileri ve hızları çok yüksek bulunmakta, böyle yüksek hızlı nötronlara nükleer enerji terminolojisinde “hızlı nötronlar”adı verilmektedir. Hâlbuki araştırmalar göstermiştir ki, yavaş nötronlar çok daha yüksek olasılıkla bölünme tepkimesine girmektedir. Bulundukları ortamla termal denge halinde bulunan nötronlar, zincirleme bölünme tepkimesini daha verimli bir şekilde sürdürebilmektedir. Bu nedenden dolayı, nükleer reaktörlerde hızlı nötronların, termal (yavaş) nötronlara dönüştürülmesi arzulanmaktadır. Nötronları yavaşlatma işlemi reaktörlerde moderatör adı verilen malzemeler yardımıyla sağlanmaktadır. Moderatör genellikle yakıt elemanlarının çevresini saran ortama yerleştirilmektedir. Yakıt bölgesinde bölünme reaksiyonu sonucunda oluşan nötronların Şekil 5’te gösterildiği gibi moderatör atomları ile peş-peşe yaptıkları çarpışmalar sonucunda yavaşlatılması sağlanmaktadır.
Şekil 5. Nötronların Yavaşlatılması
Nötronlar için çok etkin bir yavaşlatıcı olan hidrojen atomları içerdiğinden, aynen soğutucu malzemesinde olduğu gibi, moderatör malzemesi için de en iyi adaylardan bir tanesi sudur. Suda bulunan hidrojen çekir-deklerinin boyutu, nötronun boyutu ile hemen hemen aynı olduğundan, çok etkin yavaşlama sağlayabilmektedir. Ayrıca su bol ve ucuz bulunan bir malzemedir.
Ticari nükleer santralların bazılarında grafit ve ağır su da moderatör malzemesi olarak kullanılmaktadır. Günümüzdeki reaktör tasarımlarının çoğunda soğutucu olarak kullanılan su, aynı zamanda moderatör görevi de görecek şekilde reaktör tasarımı gerçekleştirilmektedir.
Kontrol Çubukları
Kontrol çubukları nükleer enerji üretimi hızını ayarlamak ve gerektiğinde enerji üretimini tamamen durdurmak amacıyla kullanılmaktadır. Kontrol çubukları gümüş, indiyum, kadmiyum, bor, hafniyum, kobalt, gadolinyum ve evropiyum gibi nötronları yutabilen malzemelerden imal edilmekte, bu malzemelere nükleer terminolojide “nötron zehri” adı verilmektedir. Nükleer reaktörlerde, nötron zehri malzemelerden imal edilmiş bu çubuklar yakıt demetleri içine veya arasına yerleştirilmiş boşluklardan aşağı-yukarı hareket ettirilmektedir. Reaktörde üretilen gücü arttırmak için, kontrol çubukları yavaşça reaktör kalbinin dışına çekilmekte, böylece kontrol çubukları tarafından daha az sayıda nötron yutulmakta, daha fazla nötron bölünme tepkimesine girmekte, daha fazla enerji açığa çıkmakta ve reaktörün gücü artmaktadır. Reaktörün gücünü azaltmak içinde tam tersi yapılmaktadır.
Nükleer reaktörlerde nötron yutan malzemelerin kullanımını içeren başka kontrol mekanizmaları da bulunmaktadır. Bunlara en güzel örnek arasında “çözünür zehir” adı verilen reaktör soğutucusuna eklenen nötron yutan malzemelerdir. Çözünür zehir olarak en sık kullanılan malzeme borik asittir. Soğutucunun içerdiği borik asit miktarını değiştirmek suretiyle, reaktör kalbinde üretilen güç yoğunluğu ayarlanabilmektedir.
Nükleer santrallarda enerji üretimini kontrol etmek için kullanılan bir başka mekanizma da yakıt peletlerine eklenen zehir malzemeleridir. Bunlara da “sabit zehir” adı verilmektedir. Sabit zehir malzemeleri de aynen uranyum yakıt gibi nötron yutarak yavaş yavaş tükenmekte ve reaktörün uzun vadede reaktör güç dağılımının düzenine yardımcı olmaktadır.
Diğer Sistemler
Nükleer enerjinin üretildiği reaktör sistemlerinde yukarıda anlatılanların yanı sıra diğer bazı destek sistemleri de bulunmaktadır. Örneğin, reaktör kalbinde mesnet kolonları ve plakaları yakıtın yerli yerinde durmasını sağlamaktadır. Ayrıca kontrol çubuklarının kolaylıkla hareket etmesi için reaktör kalbinin içinden geçen kılavuz tüpleri bulunmaktadır. Reaktör kalbinin içine bu tüpler yardımıyla çok sayıda ölçü-kontrol aygıtları yerleştirilmiştir. Bu aygıtlar sıcaklık, basınç, ışınım seviyesi ve güç seviyesi gibi değerleri ölçmektedir.
Yakıt bölgesinin çevresi, yansıtaç (reflektör) olarak işlev görmesi amacıyla soğutucu/yavaşlatıcı ile çevrelenmiştir. Reaktör dışına kaçmaya çalışan nötronların bir bölümü, bu bölgedeki atomlara çarparak reaktör içine geri yansımaktadır. Reaktör kabında, soğutucu akışını yönlendirmek amacıyla plakalar yerleştirilmiştir. Ayrıca, yakıt bölgesi radyasyon ve sıcaklık zırhları ile çevrelenmiştir.
Dünyada Kullanılan Ticari Nükleer Santral Türleri
Ticari nükleer santraller nükleer enerjiden “ticari” elektrik enerjisi üretmek amacıyla geliştirilmiş tesislerdir. Nükleer santrallerin ticari hale gelebilmesi için belirli bir ticarileştirme sürecinden geçmeleri gerekmektedir. Bu süreç oldukça uzun, zor ve maliyetlidir. Dünyada nükleer reaktörler genellikle soğutucu olarak kullanılan malzemeye göre sınıflandırılmaktadır. Ocak-2017 itibarıyla kullanılan ticari reaktörlerin yaklaşık %85'i soğutucu olarak “su” kullanmaktadır. Bu tip reaktörlere "hafif-su reaktörleri" adı verilmektedir. Hafif-su reaktörleri de kendi içinde iki farklı türe ayrılmıştır. Bunlar basınçlı-su reaktörleri (PWR) ve kaynar-su reaktörleridir (BWR). Sovyetler Birliği de 1990 öncesi kendilerine has reaktörler geliştirmiştir. Bugün Rusya Federasyonu’nun devam ettirdiği bu modellere VVER ve RBMK adları verilmiştir.
Dünyadaki ticari reaktörlerin geride kalan %15'i, soğutucu olarak ya gaz ya da ağır-su kullanmaktadır. Bir de bazı ülkeler tarafından ticarileştirmeye çalışılan, soğutucu olarak sıvı-metal (sodyum) kullanan reaktörler bulunmaktadır.
Şekil 6. Ticari Nükleer Reaktörlerin Dağılımı (Ocak-2017)
Şekil 6’daki dağılımdan da görüldüğü gibi Ocak-2017 tarihi itibarıyla dünyada en yaygın olarak kullanılan tür, basınçlı su reaktörleridir (PWR). Dünyadaki ticari reaktörlerin yarıdan fazlası batı tasarımı PWR'lardan oluşmaktadır. Bunu %17'lik bir payla yine Batı tasarımı kaynar su reaktörleri (BWR) izlemektedir.
Nükleer reaktörleri sınıflandırma yöntemlerinden bir tanesi de bölünme tepkimesine neden olan nötronların enerjisidir. Eğer bir reaktörde termal nötronlar bölünme tepkimelerinin çoğuna neden oluyorsa, bu tür reaktörlere “termal reaktör”, hızlı nötronlar bölünme tepkimelerinin çoğuna neden oluyorsa, bu tür reaktörlere de “hızlı reaktör” adı verilmektedir. Dünyada ticari reaktörlerin %99’dan fazlası termal reaktör sınıfına girmektedir (PWR, BWR, PHWR, VVER, RBMK, GCR/AGR). Sadece FBR türü reaktörler hızlı reaktör sınıfına girmektedir.
Bugüne kadar geliştirilmeye çalışılmış reaktör modellerinden “ticari” olmayı başarabilmiş olanları, aşağıdaki bölümlerde kısaca açıklanmaktadır.
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!
