Elektrik Enerjisi Üretimi Dersi 3. Ünite Özet

Nükleer Enerjinin Kaynağı

Nükleer santrallerde, nükleer yakıtlar kullanarak öncelikle ısıl enerji üretilir ve ardından bu enerji elektrik enerjisine dönüştürülür. Nükleer santraller, enerji üretiminin nükleer reaksiyon sonucunda olması ve radyoaktif maddelerin üremesi nedeniyle diğer termal güç santrallerinden ayrılır.

Nükleer (çekirdek) tepkimeler kimyasal tepkimelerden farklı olarak atomun çekirdeğinin yapısında değişiklikler meydana getirir. İki farklı türdeki çekirdek reaksiyonları olan fisyon (parçalanma) ve füzyon (birleşme) nedeniyle enerji açığa çıkar. Nükleer enerjinin kaynağı nükleer çekirdeği meydana getiren parçacıkların bir arada tutunmasını sağlayan bağ enerjisidir. Çekirdek parçalandığında ya da hafif çekirdekler birleştiğinde, ortaya çıkan yeni çekirdeklerin daha az enerjiyle bağlanmaları gerektiği için aradaki enerji farkı açığa çıkmış olur. Nükleer reaksiyonlar bir ısı kaynağı oluşturur, nükleer reaktörler de bu ısı kaynağından yararlanarak elektrik üretilen santrallerdir.

Bağ Enerjisi

Bir izotopun çekirdeği için, proton ve nötron sayısını kullanarak hesapladığımız kütle ile ölçülen kütlesi arasında bir fark vardır. Kayıp kütleyi ışık hızının karesiyle çarptığımızda bağ enerjisinin sayısal değerini elde etmiş oluruz. Bir termal fisyonda yaklaşık 200 MeV enerji açığa çıkar. Fisyondan çıkan ürünlerin doğdukları yerden enerjilerinin ısıya dönüştüğü yere kadar gittikleri mesafeye menzil denir.

Nükleer Reaktörlerin Yapısal Elemanları ve Sınıflandırılması

Nükleer reaktörler genel olarak sivil, askeri ve araştırma amaçlı reaktörler olarak farklı amaçlarla hizmet verir.

Sivil nükleer reaktörler reaksiyonun tipine göre; fisyon reaktörleri, füzyon reaktörleri ve karma reaktörler olmak üzere üç tiptedir.

Yakıt : Fisyon reaktörlerinin kuşkusuz en önemli elemanı yakıtıdır. Yakıt bütün uranyum, plütonyum ve toryum izotoplarıdır.

Yakıt malzemesi : Yakıtın reaktör kalbine yerleştirilmesi ve fisyon reaksiyonu sonunda ortaya çıkan hem çok değişik hem de yüksek radyoaktivite de ürünlerin bir arada tutulması için zarf adı verilen bir kılıf kullanılır. 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.

Fisyon nötronları : Fisyonda yalnızca çekirdeğin bölünmesi yetmez. Reaksiyonun, bir kez başladıktan sonra kendiliğinden sürüp gitmesi yani zincir reaksiyonunun oluşması gerekir. Bunun için fisyonda iki ve daha fazla nötronun da çıkması beklenir. Yeni doğan fisyon nötronlarının büyük bir kısmının kinetik enerjisi 17 MeV dolayındadır.

Nötronlar enerjilerine göre hızlı, orta ve yavaş nötronlar olmak üzere üç tipe ayrılır. Yavaş nötronların içinde termal nötronlar özel bir sınıftır. Termal enerjiden daha yüksek enerjilerdeki nötronlara epitermal nötron denir.

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

Zarf : 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 sonucunda ortaya çıkan yüksek radyoaktif seviyedeki ürünlerin dağılmadan tutulmasını sağlar. Zarf malzemesi olarak paslanmaz çelik veya alüminyum, magnezyum veya zirkonyum alaşımlar kullanılır.

Yavaşlatıcı : 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. Bu durum hidrojen(H), döteryum(D), grafit(C) ve berilyum (Be) elementlerini hemen akla getirmektedir. Örneğin, ağır su mükemmel bir yavaşlatıcı olarak ayırt edilmektedir.

Yavaşlatıcıya göre termal reaktör tipleri hafif su reaktörleri, ağır su reaktörleri ve grafit reaktörleri şeklinde sınıflandırılır.

Soğutucu : Yüksek sıcaklığın bir soğutucu aracılığı ile düşürülmesi ve ısının reaktör kalbinden çekilmesi gerekir. Bu iş bir soğutucu akışkan vasıtasıyla yapılır.

Hafif su reaktörleri : Basınçlı su reaktörü, Kaynar su reaktörü

Ağır su reaktörleri : Doğal uranyum ağır su reaktörü, Zengin uranyum hafif su ağır su reaktörü

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 yavaşlatılmasından yapacakları şekilde tasarlanmış nükleer reaktörler de Hızlı Üretken Reaktör adını alır.

Kontrol çubukları : 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.

Yansıtıcılar : Reaktör kalpleri çoğunlukla yansıtıcılarla çevrilidir. Reaktör kalbinden dışarı kaçan nötronların yeniden kazanılması için kullanılırlar. Yutuculuğu düşük iyi saçan malzemeler yani döteryum oksit (D ₂ O),karbon(C), berilyum (Be), berilyum oksit (BeO) ve az da olsa su (H ₂ O) termal reaktörlere uygun reflektörlerdir.

Reaktör tankı ( Basınç kabı ): 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.

Biyolojik zırh : Biyolojik zırh radyasyon koruması için yapılmıştır ve içine asla girilmez.

Güvenlik kabuğu : Güvenlik binası birinci soğutma devresini oluşturan elemanların tümünü içine alan bir binadır.

Nükleer Reaktör Tipleri

Basınçlı Su Reaktörü

Yüksek güç yoğunluğuna sahiptir, yani birim hacminden elde edilebilecek gücü yüksek bir reaktör tipidir. Bugün en yaygın kullanılan reaktör tipi olmasının öncelikli sebebi güç yoğunluğudur.

Kalpte yüksek sıcaklıklara çıkılması için su 160-180 Atm basınç altında tutulur. Bu durum, basınç kabının tasarımını çok önemli hale gelmesine sebep olur.

Basınçlı su reaktöründe üç soğutma devresi bulunur. Birinci devre kalp, buhar üreteci, pompa ve borulardan oluşur. Kalpten ısı çeken soğutucu su yaklaşık 320 °C’ye kadar ısındıktan sonra, bir buhar üretecinde buhar elde edilmek için kullanılır.

İkinci devre buhar üreteci, buhar türbini, yoğuşturucu, pompa ve bunları bağlayan borulardan oluşan bir tesisattır. Elde edilen buhar, ikincil devrede bulunan buhar türbinine giderek jeneratör yardımıyla enerji üretimini sağlar. İkinci devrede basınç 60 Atm dolayındadır. Birinci ve ikinci devrede dolaşan suyun debisi saatte 25.000 m3 e kadar çıkar. Üçüncü akışkan reaktörün kurulduğu yere göre ya bir ırmaktan, denizden ya da gölden çekilen su olabilir ya da hava olabilir. Su için yoğuşturucu bir ısı değiştiricidir. Hava kullanıldığında yoğuşma için soğutma kuleleri kullanılır. Bu kısım üçüncü devre olup reaktörün çevreye açıldığı kısmı oluşturur.

Kaynar Su Reaktörü

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, 300 °C sıcaklık yeterlidir.

Kaynar su reaktöründe yalnızca tek bir kapalı soğutma devresi kalmaktadır. Bu avantajlı durumun yanında en önemli sakınca da yakıt ve soğutucunun doğrudan temasıyla oluşabilecek radyoaktif bulaşıklığın buhar türbini, yoğuşturucu ve pompa gibi teçhizata da taşınmasıdır.

Ağır Su Reaktörü

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(D ₂ O). Ağır suyun eldesi pahalı bir işlemdir. Ağır su adeta hiç nötron yutmaması ve çok iyi yavaşlatıcı olması nedeniyle, yakıt zenginleştirme gibi çok pahalı bir işleme gerek olmadan doğal uranyum yakıtla kullanılabilir.

Gaz Grafit Reaktörü

Saf karbon olan grafit, nötron yutuculuğu ve yavaşlatma özellikleriyle doğal uranyumun yakıt olarak kullanılabileceği bir reaktör olanağı ortaya koyar.

Hızlı-Üretken ve Yeni Nesil Nükleer 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.

Fisyon Enerjisinin Aktarılması

Fisyon reaksiyonu yapabilen yakıtın reaksiyonuyla ortaya çıkan bağ enerjisi, fisyon ürünlerinin kinetik enerjileri olarak algılanır. PWR yakıtları 1800 °C gibi yüksek sıcaklığa dayanabilecek şekilde seramik uranyum dioksit (UO2) lokmaları şeklinde imal edilirler. Gaz fisyon ürünleri için içerde bir hacim bırakacak şekilde yerleştirilir. Yakıt çubukları, örneğin 15×15 gibi bir düzende demet hale getirilir. Bu yakıt çubuğu demetleri yakıt elemanı adını alır. Yakıtın yüksek ısı üretimi bu soğutma kanallarından geçirilen soğutucu ile kalpten uzaklaşırılır. Bildiğimiz gibi reaktörün tipine bağlı olarak bu soğutucu, birinci devrede tekrar kalbe geri gelecek şekilde soğutulur. 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 üreticine gider. Buhar üretecinde ısı taşınım mekanizması ile ikinci akışkana ısı aktarılır ve soğutucu reaktör kalbine geri döner. Reaktör kalp tasarımı, yakıt merkezinden başlayarak soğutucunun reaktörü terk etmesi, ardından buhar üretimi ve son devreye kadar olan ısı geçişi dikkate alınarak bütünleşik olarak yapılır.

SOĞUTMA-GÜÇ DEVRESİ ELEMANLARI

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

Basınçlı su reaktörü güç devresi elemanları, reaktör kalbini içinde barındıran reaktör kabı ya da reaktör basınç kabından başlar. Nükleer reaktörün yüksek soğutma ihtiyacı, bakım onarım için yedek soğutma devresinin olması gereği ve güvenlik nedeniyle iki ya da dört tane birinci soğutma devresi vardır. Buna karşılık tek bir basınç ayarlayıcı vardır. Reaktörden çıkan yüksek basınç ve sıcaklıktaki soğutucu su, buhar üretilmesi için buhar üreteçlerine gönderilir. Buhar üretecinde reaktörden gelen sıcak su, kendisini soğutan suyu buharlaştırır. Reaktörün gücüne göre birinci soğutma devresi sayısı kadar ( 2 ile 4 arası ) buhar üreteçleri vardır.

GÜÇ ÇEVRİMİ

Güç üretimi açısından baktığımızda nükleer reaktörlerdeki fisyon reaksiyonları ve bu reaksiyonun gerçekleştiği kalp ve tüm donanımlar yalnızca yüksek sıcaklık kaynağının farkını gösterir. Hafif su, ağır su reaktörlerindeki buhar üretiminden sonra çalışan çevrim Rankin'e çevrimidir. Gaz soğutucularda da doğrudan gaz türbini kullanmak yerine yüksek sıcaklıkta gaz grafit reaktörlerdeki gibi bir soğutma suyu kullanılarak yine buhar çevrimine geçilmektedir.

Termodinamik bir çevrim olan Rankine çevrimi buhar kullanılan enerji santralleri için ideal bir çevrimdir. Rankine çevriminin adımları dört aşamada gösterilir ve her adımda çalışan akışkanın hal değişimleri ifade edilir.