...:::Nükleer Enerji:::...

Bir Nükleer Reaktör Nasıl Çalışır?

Temel Çalışma Teorisi Bir PWR Kalbi Nasıl Çalışır

Temel Çalışma Teorisi

Nükleer reaktörler, temel olarak, reaktör kalbi diye adlandırılan bir ortamda sürdürülen nükleer zincir reaksiyonla elde edilen ısının, soğutucu olarak adlandırılan gaz veya sıvı vasıtasıyla alınması prensibine bağlı olarak çalışırlar. Bu ısı elektrik üretmek üzere bir türbinin döndürülmesinde kullanılır. Bu iki şekilde yapılabilir. Birinci yol ısıtılmış soğutucunun doğrudan türbinin çevrilmesinde kullanılmasıdır. Bu yöntem soğutucu olarak kullanılan suyun kalpte ısıtılarak buhara dönüştürülmesi esasına göre çalışan kaynar sulu reaktörlerde ( BWR ) kullanılmaktadır. Türbini döndüren işte bu kalpten çıkan buhardır. İkinci yöntemde ise kalpten çıkan suyun ısısı buhar üreticisi yardımıyla ikinci bir sıvıya iletilir. Pratikte bu ikinci sıvı daima sudur ve buhur üreticisinden çıkan buhar türbini döndürmekte kullanılır. Bu yöntem kalpten geçen birinci sıvının da su olduğu basınçlı su reaktörlerinde (PWR) kullanılmaktadır. Bu reaktörlerde birinci devredeki su çok yüksek basınç altında tutularak kaynamaması, sıvı halde kalması sağlanır. Suyun buharlaştırıldığı ikinci devre birinciyle karışmadan ısıyı almaktadır. Fransız reaktörlerinin hepsi ( 58 adet ) PWR’dir..


Pressurizer : Basınçlandırıcı Steam Generator : Buhar üreteci Control rods drive mechanisms : Kontrol çubukları hareket mekanizmaları Primary pump : Birinci devre pompası Reactor core : Reaktör kalbi Pressure vessel : Basınç kabı Reactor coolant system : Reaktör soğutma sistemi ( 1. devre ) Secondary system : İkinci devre Steam : Buhar Water : Su Turbine : Türbin Generator : Jeneratör Feedwater pump : Besleme suyu pompası Preheater : Ön ısıtıcı Cooling water : Soğutucu suyu Condenser : Yoğuşturucu
		sayfa başına dön

Bir PWR Kalbi Nasıl Çalışır

YAKIT

IPWR kalbinde zincir reaksiyonunu elde etmek için kullanılan uranyum, ancak çok yüksek sıcaklıklarda (2800oC) eriyebilen, yüksek kararlılığa sahip oksit halindedir. Bu oksit yakıtlar küçük tabletler (pellet) halinde sızdırmaz metal bir tüp içine dizilir. Nükleer bölünme ürünlerinin çoğu yüksek seviyede radyoaktif olduğu için birinci devre suyuna sızmalarının önlenmesi gerekir. Bu yüzden yakıt zarfı olarak adlandırılan bu sızdırmaz tüplerde tutulurlar. Yaygın olarak yakıt çubukları diye bahsedilen bu tüplerin birkaç yüz tanesi bir yapı oluşturacak şekilde düzgün demetler halinde bir araya getirilerek yakıt elemanları oluşturulur. Bu yakıt çubuklarının içindeki uranyumun bölünmesiyle açığa çıkan enerji tüplerin arasındaki boşluklardan geçen birinci devre suyu tarafından alınır. PWR tipi bir reaktörde yakıt çubukları kare kesitlidir ve tamamı bir silindir şekil oluşturacak şekilde satranç tahtası düzeninde yan yana yerleştirilir. İşte bu reaktör kalbidir. .

NEDEN BİR YAVAŞLATICIYA İHTİYAÇ VAR

²³⁵U atomunun bölünmesi (termal - yavaş) diye adlandırılan düşük hızlı nötronlarla çok daha kolaydır. Bölünme sonucu ortaya çıkan nötronların hızları çok yüksek (20.000km/s) olduğundan zincir reaksiyonunu sürdürebilmek için bir şekilde yavaşlatılmaları gerekir. Bu, reaktörlerde kullanılan yavaşlatıcılarla sağlanır. Hızlı nötronlar hafif çekirdeklerden oluşan yavaşlatıcı atomlarına çarpa çarpa enerji kaybederler ve kademeli olarak bölünme yapabilecekleri hıza inerler (2 km/s). Şüphesiz bu hafif çekirdeklerin yavaşlatma işlemi sırasında çok fazla sayıda nötron yutmamaları gerekir. PWR tipi reaktörlerde kalp içinden geçirilen basınçlı birinci devre suyu hem soğutma, hem de yavaşlatma görevlerini yerine getirmektedir.

URANYUM NEDEN ZENGİNLEŞTİRİLMELİDİR

Yavaşlatıcı olarak normal su kullanıldığında yukarıdaki bahsedilen yöntem zincir reaksiyonlarını sürdürmek için yeterli olmaz. Su pek çok avantajları olmasına rağmen oldukça fazla sayıda nötron yutmaktadır. Ortamdan bu yutulmalar yoluyla sürekli olarak nötronların eksilmesi zincir reaksiyonun devam etmesini engellemektedir. Doğal olarak elde edilen uranyumun içinde ne yazık ki ılık nötronlarla bölünme ihtimali yüksek olan ²³⁵U izotopunun oranı yaklaşık % 0,7’dir. Bu sebeple PWR tipi reaktörlerde kalpteki zincir reaksiyonlarını devam ettirebilmesi için yakıt olarak kullanılacak uranyumun ²³⁵U oranının % 3 ile % 5’e kadar çıkartılması gerekmektedir. Bu işlem “izotop zenginleştirmesi” veya kısaca “zenginleştirme” diye bilinmektedir.

ZİNCİR REAKSİYON NEDEN KONTROL EDİLMELİDİR? KRİTİKLİK

Zincir reaksiyonlarının sürekliliği ancak bölünme sonucu ortaya çıkan nötronlarla, ortamda yutularak ve kalp dışına kaçarak yok olan nötronların sayısını her zaman tam olarak eşit yaparak mümkündür. Bu iki nötron sayısı arasındaki orana ( üreyen / yok olan ) çoğaltma faktörü, k, diyoruz ve k’nın daima 1 olması gerekiyor. Eğer k’nın değeri 1’den düşükse, bunun anlamı nötronların çok çabuk yok olduğu ve böylece zincir reaksiyonlarının sona ererek reaktörün durduğudur. Bu tür kalplere alt kritik diyoruz. Eğer bunun aksine, k’nın değeri 1’den büyükse, bu defa ortamdaki nötron sayısı büyük bir hızla artar, bölünme sayısı dolayısıyla kalpte salınan enerji de hızla artar ve zincir reaksiyonu hızlanır. Bu tür kalplere de süper kritik diyoruz. Bu sebeple, zincir reaksiyonlarının sürekli olarak kontrol edilebilmesi için bir yolun bulunması gerekir ki reaktör devamlı olarak kritik ( yani k = 1 ) kalabilsin. Bu, nötron yutan atomlardan oluşan elemanların, gereğine göre, kalp içine sokulmasıyla veya kalp içinden çıkarılmasıyla gerçekleştirilir. Yaygın olarak kullanılan iki çeşit yutucu vardır : Reaktör kalbinin içinde istenilen değişik seviyelerde tutulabilen kontrol çubukları veya kontrol çubuk demet elemanları diye adlandırılan hareketli çubuklar. PWR tipi reaktörlerde kullanılan su içinde çözülebilen ve konsantrasyonu zaman içinde değiştirilebilen nötron yutucu bir madde. Bu madde borik asit halinde bordur.

ZAMANLA YAKITTAKİ DEĞİŞİMLER- YENİDEN YAKIT YÜKLEME

Kalp içinde bölünme reaksiyonları devam ettiği sürece, ortamdaki bölünebilir çekirdek sayısı gittikçe azalır (4) ve böylece yakıtların zincir reaksiyonunu devam ettirme yetenekleri zamanla azalır. Ayrıca ortaya çıkan bölünme ürünleri zamanla artarak ortamdaki nötronların büyük bir kısmını yutarlar. Bölünme ürünlerinden bazılarının nötron yutma yetenekleri çok fazladır. Kısacası, yanan ve azalan yakıtın zincir reaksiyonunu devam ettirme kabiliyeti gittikçe azalır. Yakıt içinde oluşan bu değişiklikleri karşılamak üzere, kalpteki yakıtlar taze iken içerde tutulan nötron yutucu malzemeler zamanla yavaş yavaş dışarıya alınarak zincir reaksiyonun dengesi devam ettirilir. Reaktör kalbi belli bir süre (genellikle 4 yıl) çalıştırıldıktan sonra, yakıtlar sadece yukarıda bahsedilen nötronik açıdan değil, aynı zamanda yüksek sıcaklık ve radyasyon sebebiyle de yıpranarak (özellikle zarf malzemesi) mekanik özellikler bakımından da yetersiz hale gelirler. Bu noktada, kullanılmış yakıtların tazeleriyle değiştirilmesi gerekir. Bu işleme yeniden yakıt yükleme denir ve genellikle kısmi olarak yapılır, yani her yüklemede kalpteki yakıtların 1/3’ü veya 1/4’ü değiştirilir.

KALPTE BÖLÜNEBİLİR MALZEME (FİSİL) ÜRETİMİ

Daha önce bahsedildiği gibi ²³⁸U nötronlarla kolayca bölünebilen bir izotop değildir, fakat kalp içinde bol miktarda bulunur (Yakıtların 235U zenginliği %3 ile %5 olduğuna göre geri kalan miktar %95 ile %97 ²³⁸U izotopudur). Bu ²³⁸U izotopunun hiçbir amaca hizmet etmediğini söylemek yanlış olur. Reaktör kalbi içinde bol miktarda bulunan bu izotop, etrafında dolaşan çok sayıdaki nötronu özellikle enerji kaybederlerken yutar. Bu nötron yutma sonucu yeni bir element, “plütonyum” meydana gelir. Meydana gelen plütonyumun bazı izotopları ²³⁵U gibi nötronlarla kolayca bölünebilir özelliktedir. Bu sebeple, reaktör kalbinde zincir reaksiyonlarını devam ettirecek bölünebilir çekirdek sayısı zamanla azalırken, bir yandan da yeni bölünebilir çekirdekler oluşmaktadır. Bir yandan yakıt tüketirken bir yandan da yeni yakıt üretmesi nükleer enerjinin diğer türlerde olmayan yegâne ve en belirgin özelliğidir (Kullanırken bir yandan da benzin üreten bir araba düşünün). Hattâ, tükettiğinden daha fazla bölünebilir çekirdek üretebilen reaktörler tasarımlamak mümkündür. Bunlara hızlı üretken reaktörler diyoruz.
		sayfa başına dön

Bursa Polis Koleji