Nükleer Enerji Santrali Nedir?

Nükleer Enerji Santrali Nedir?

Nükleer enerji santralları, kömürle çalışan termik santrallardan pek farklı değildir Ter­mik santrallarda kömür yakılarak su kaynatı­lır, böylece elde edilen buhar gücüyle bir türbin döndürülür ve türbin elektrik üretir Nükleer enerji santrallarında ise, gerekli ısı atomların bir reaktörde bölünmesiyle üretilir
Reaktör Tipleri Kullanılabilir miktarda enerji üreten ilk reaktörler 1950'lerde İngilte­re'deki Calder Hall'da kuruldu Bu reaktörler aslında askeri amaçla plütonyum üretmek ve nükleer enerji konusunda deneyim kazanmak için kurulmuştu; bunlarda elektrik üretimine 1956'da başlandı Bu reaktörlerin yavaşlatıcı­ları, Fermi'nin reaktöründe olduğu gibi grafit­ti; yakıt olarak, magnezyum alaşımından bir kap içine yerleştirilmiş doğal uranyum metali kullanılıyor ve sistem basınçlı karbon dioksitle soğutuluyordu Tepkime sırasında oluşan ısıyı emen karbon dioksit bunu ısı değiştirici­lerine taşıyor ve ısı burada, elektrik üretmeye yarayan türbo-alternatörleri çalıştıracak bu­harı elde etmek için kullanılıyordu Bu reak­törlere "magnox" tipi reaktör denirdi; daha sonra bunların benzeri başka reaktörler yapıl­dı ve Geliştirilmiş Gaz Soğutmalı Reaktör (AGR) tipi ortaya çıktı



1950'lerin başlarında ABD'li bilimciler, denizaltılarda güç kaynağı olarak kullanılmak üzere küçük reaktörler geliştirme çabasına giriştiler ABD'li yetkililerin elinde çok mik­tarda zenginleştirilmiş uranyum (U-235 oranı artırılmış uranyum) vardı; yavaşlatıcı olarak da grafit yerine su kullanmayı düşündüler Aslında su nötronları soğurur, yani içinde tutar ve zincirleme tepkimeyi sürdürmeye yarayan nötronların sayıca azalmasına neden olur; ama nötronları yavaşlatmakta grafitten daha etkilidir Denizaltılar için küçük reak­törler yapmayı başaran ABD'li bilimciler daha sonra, ucuz elektrik üretebilecek bir reaktör geliştirmenin yollarını aramaya başla­dılar Bu çalışmaların sonucunda iki ana reaktör tipi tasarımı geliştirildi: Basınçlı Su Soğutmalı Reaktör (PWR) ve Kaynar Sulu Reaktör (BWR)
PWR tipi reaktörlerde yakıt olarak, yakla­şık yüzde 3 oranında U-235 içerecek biçimde zenginleştirilmiş ve özel alaşımdan yapılmış bir kutu içine yerleştirilmiş uranyum dioksit kullanılır Yavaşlatıcı ve soğutucu olarak da sudan yararlanılır Pompalanan su önce reak­törde dolaştırılır, sonra ısı değiştiricisine akta­rılır; reaktörde ısınan su, ısı değiştiricisindeki ikinci bir su devresinde buhara dönüştürülür ve bu buhar elektrik üreten türbinleri çalıştı­rır BWR tipi reaktörde, reaktörün "kalp" bölümü, yani zincirleme tepkimenin oluştuğu bölüm PWR'ninkiyle aynıdır; ama bunlarda ikinci bir su sistemi yoktur ve reaktörün soğutma devresinden çıkan buhar doğrudan türbinlere beslenir Nükleer enerji üretmekte olan ülkelerin pek çoğunda PWR ya da BWR tipi reaktörler kullanılır
Reaktörün İçi Modern nükleer reaktörler­de, yakıt elemanları olan uranyum çubukları reaktörün içine demetler halinde yerleştirilir Çubuklar kafes biçiminde düzenlenir; böylece soğutma sıvısı ya da gazının bunların arasın­dan akarak ısıyı emmesi ve taşıması sağlanır Yakıt elemanlarının arasındaki kanallara, ko­layca nötron soğurabilen ve böylece zincirle­me tepkimeleri durdurabilen bir maddeden (örneğin bordan) yapılmış "denetim" çubuk­ları yerleştirilir Bu çubuklar bulundukları kanallarda yükseltilip alçaltılarak enerji üre­tim miktarı denetim altında tutulabilir Bütün yakıt elemanları ve denetim çubukları yavaş­latıcı olarak kullanılan malzemeye gömülmüş durumdadır Yavaşlatıcı olarak grafit, su ya da ağır su (bir hidrojen izotopu olan döter-yum bakımından zengin su) kullanılabilir Reaktörün bu kalp bölümü, çekirdek bölün­mesi sırasında ortaya çıkan ışınımın (radyas­yonun) dışarı sızmasını engellemek amacıyla çok kalın bir beton ya da çelik kalkanla çevrilidir

"Hızlı" Reaktörler Her uranyum çekirdek

bölünmesi tepkimesinde iki ya da üç nötron serbest kalır Oysa zincirleme çekirdek bölün­mesi tepkimesini sürdürebilmek için bunlar­dan yalnızca birine gerek vardır ve sonuçta çok sayıda nötron "yedek" olarak kalır Ye­deklerden bazıları kaçar; ama bunlar reaktör kalkanı, yavaşlatıcı ve çekirdeği bölünemeyen U-238 tarafından tutulur Geriye kalanlar da denetim çubuklarıyla "temizlenir"
Daha önce açıklandığı gibi, U-238'de tutu­lan nötronlar bu uranyum izotopunun çekir­deği bölünebilir plütonyuma dönüşmesine ne­den olur Plütonyum bir atık değil, potansiyel değeri U-235'inkinden daha büyük olan bir yakıttır Oluşan plütonyumun bir bölümü, ısıl (yani ısı üreten, termik) reaktörlerde çekir­dek bölünmesine uğrar; ama kalanı, kullanıl­mış yakıtın yeniden işlenmesi sırasında ayrılıp geri kazanılabilir Ayrılan bu plütonyum taze yakıt çubukları haline getirilebilir ve "hızlı" reaktörlerde kullanılabilir Bu tür reaktörle­rin yavaşlatıcıları olmadığı için, bunlarda nöt­ronların yavaşlatılması söz konusu değildir Ama plütonyum çok tehlikeli bir maddedir ve taşınırken büyük özen gösterilmesi gerekir
Hızlı reaktörlerde aynı miktar uranyumla, "konvansiyonel" ısıl reaktörlerdekine oranla 50-60 kat daha fazla enerji üretilebilir Hızlı reaktörlerde, ısıl nükleer reaktörlerden bir yan ürün olarak çıkan plütonyum yakılabildi-ği gibi, çekirdeği bölünebilir olmayan ve ısıl reaktörlerce "yakılamayan" U-238 de plüton­yuma dönüştürülebilir; bu nedenle bu tip reaktöre hızlı üretken reaktör de denir
İlk ticari amaçlı hızlı reaktör Fransa'nın güneybatısındaki Creys-Malville'de kuruldu; Super Phénix (Süper Anka) adı verilen bu reaktörde soğutucu olarak sıvı sodyum kulla­nılmaktadır SSCB ve İngiltere'de de elektrik enerjisi üreten hızlı üretken reaktörler vardır

Teknik Güvenlik

Çekirdek bölünmesi olduğu zaman bir dizi radyoaktif parçacık ortaya çıkar Bu parçacık­lar bozunur (parçalanır) ve ışınım (radyas­yon) yayarlar Yayılan ışınım kansere ve gelecek kuşaklarda gen bozukluklarına yol açabilir; vücuttaki dokuları tahrip ederek ölümlere neden olabilir Nükleer reaktörler hem tesiste çalı­şanların ışınıma uğrama tehlikesini hem de atmosfere ışınım sızmasını olabildiğince azal­tacak biçimde tasarımlanır ve yapılır Ama gene de ışınım sızıntıları olmuştur Örneğin, İngiltere'nin kuzeyindeki Cumbria'da kurulu olan Sellafield santralındaki sızıntılar, İrlanda Denizi'nde 1950'lerden bu yana ciddi radyo­aktif kirlenmeye yol açmıştır
Yakın zamanlarda ABD ve SSCB'de son derece ciddi nükleer santral kazaları oldu 1979'da ABD'nin Pennsylvania eyaletindeki Harrisburg'ta kurulu olan Three Mile Island reaktöründe, aşın ısınmadan kaynaklanan kısmi bir kalp erimesi oldu ve radyoaktif gazlar atmosfere kaçtı Bundan daha da kötüsü, Nisan 1986'da SSCB'de Kiev yakınla­rındaki Çernobil reaktöründe ortaya çıkan patlamadır Hasar gören reaktörden kaçan radyoaktif parçacıkların oluşturduğu dev bir bulut Avrupa'nın içlerine, 2000 kilometrelik bir uzaklığa yayıldı SSCB'de 31 kişinin öldü­ğü, 200 bin kadar kişinin de evlerini terk etmek zorunda kaldığı bildirildi Önümüzdeki yıllarda daha da çok kişinin ışınımın yol açtığı hastalıkların kurbanı olacağından korkulmak­tadır Çernobil kazasında anında ortaya çıkan bir başka etki de, atmosferden yer yüzeyine inen radyoaktif parçacıkların SSCB'de ve çevre ülkelerde toprağın ve suyun kirlenmesi­ne neden olmasıydı
Nükleer Atıklar Birkaç yıl geçtikten sonra reaktördeki kullanılmış yakıtın yenisiyle de­ğiştirilmesi gerekir Nükleer bir reaktörde kullanılmış yakıt çubukları yaklaşık olarak yüzde 97 oranında yanmamış uranyum, yüzde 2 oranında atık ürünler ve yüzde 1 oranında da plütonyumdan oluşur Bazı çekirdek bö­lünmesi ürünlerinin zamanla bozunabilmesi için, bu çubuklar birkaç yıl suyun altında tutulur Sonra da, yüksek düzeydeki radyoak­tifliklerini hâlâ korur durumdayken yeniden işlenir; uranyum geri kazanılır, plütonyum ayrılır, geriye atık ürünler kalır
Radyoaktif atıkların pek çoğu duvarları çok katlı tanklarda depolanır Atıklar bir tür camsı madde içine "yerleştirilerek" yeraltına da gömülebilir Birçok atık ürün son derece yavaş bozunduğundan, bunların radyoaktifli­ği binlerce yıl boyunca sürer; bu da uzun süreli bir tehlike oluşturur

Çekirdek Kaynaşması

Günümüzde kullanılan reaktörlerde, ağır atomların parçalanmasıyla açığa çıkan çekir­dek bölünmesi enerjisinden yararlanılmakta­dır Ama çekirdek kaynaşması, yani hafif atomların çekirdeklerini bir araya getirip kay­naştırarak da nükleer enerji elde edilebilir Güneş ve başka yıldızların enerjisi bu tür bir tepkimeden kaynaklanır; çekirdek kaynaşma­sı hidrojen bombasının da temelini oluşturur Çekirdek kaynaşmasına dayalı enerji santral-larında, tepkimenin güvenilebilir ve denetle­nebilir koşullar altında gerçekleştirilmesi ge­rekir
En iyi sonuç veren kaynaşma, iki hidrojen izotopu (döteryum ve trityum) arasında gerçekleşenidir Döteryum ve trit­yum çekirdekleri kaynaşarak, bir helyum çe­kirdeği ile birlikte bir nötron oluştururlar ve bu sırada devasa miktarda enerji açığa çıkar Deniz suyu sınırsız bir döteryum kaynağıdır; trityum da, gene bol bulunan ve hafif bir ele­ment olan lityumdan elde edilebilir
Ne var ki, çekirdek kaynaşmasını gerçek­leştirmek çekirdek bölünmesini gerçekleştir­mekten daha zordur Bu güçlük, içerdikleri protonlar nedeniyle artı elektrik yüklü iki çe­kirdeğin birbirini kuvvetle itmesi ve bir araya çok güç getirilebilmelerinden kaynaklanır Bu doğal engeli aşmak için iki çekirdeğin hızla birbirine yaklaştırılması gerekir Bunu ger­çekleştirmenin bir yolu, gaz halindeki yakıtı ısıtmaktır Eğer bir gaz yeterince yüksek bir sıcaklığa kadar ısıtılırsa (burada söz konusu olan milyonlarca derece santigratlık bir sıcak­lık düzeyidir), atomlarındaki elektronlar çe­kirdeğin çekim etkisinden kurtulabilecekleri bir hıza ("kurtulma hızı"na) ulaşır ve serbest kalırlar Böylece, elektriksel olarak nötr du­rumda bulunan gaz, hızla hareket eden yüklü parçacıklardan oluşan ve plazma denen bir yapıya dönüşür (bak Madde) Plazma ne denli sıcaksa, çekirdekler de o ölçüde hızlı ha­reket eder
Normal hava yoğunluğunun yüz binde bi­rinden daha az bir yoğunluğu olan plazmanın içerdiği madde miktarı da doğal olarak çok azdır Eğer bu sıcaklık ve yoğunluktaki plaz­ma bulunduğu kapla temas ederse kabın du­varları erir, plazma soğur ve tepkime dururSorun, sıcak plazmayı bulunduğu kabın du­varlarından uzak tutmaktırBu, magnetik alanlardan yararlanılarak ba­şarılabilir Plazma elektrikle yüklü parçacık­lardan oluştuğu için hem elektriksel, hem de magnetik kuvvetlerden etkilenir Böylece plazma, magnetik alan yardımıyla, sınırlı bir bölgede tutulabilir Bunu gerçekleştirmek için gaz, "halka" (torus) denen, otomobil las­tiği biçiminde ve bir dizi magnetik bobinle ku­şatılmış bir vakum kabına konur İçinden ge­çirilen elektrik akımı gazı ısıtır ve aynı zaman­da da bir magnetik alan yaratır Dışta bulu­nan mıknatıslarla birlikte bu alan, tepkimeye giren karışımı halkanın iç duvarlarından uzak­ta tutar Plazma, uğraşılması oldukça güç bir mad­dedir; bu nedenle bilim adamları bir başka çe­kirdek kaynaşması yöntemi araştırmaya giriş­mişlerdir Üzerinde çalışılan yöntemlerden biri laser füzyonu'dur; bu yöntemde çekirdek­leri kaynaştırılacak maddeler (döteryum ya da trityum) güçlü bir laser bombardımanına tutulur 1989'da gerçekleştirildiği ileri sürülen bir başka yöntem de soğuk füzyon'dur Bazı bilim adamları hiç ısı kullanmadan, laboratu-varda bir kap içinde döteryum-döteryum kay­naşması sağladıklarını açıklamışlardır Ama bu yöntemin geçerliliği hâlâ tartışmalıdır
Çekirdek kaynaşması araştırmaları 1950' lerden beri sürmektedir En gelişkin deney projelerinden biri Avrupa'da, Avrupa Atom Enerjisi Topluluğu'nun (Euratom) deneti­minde yürütülmektedir Bu projenin merkezi İngiltere'de Oxfordshire'daki Culham'da ku­rulu olan JET reaktörüdür Buna benzer re­aktörler ABD, SSCB ve Japonya'da da kurul­maktadır
Çekirdek kaynaşması tepkimesiyle üretile­bilecek enerji miktarı, çekirdek bölünmesiyle elde edilenden çok daha büyüktür Eğer füzyon güvenli bir biçimde gerçekleştirilebilirse, geleceğin füzyon reaktörleri çok az nükleer yakıta gereksinim gösterecek ve o ölçüde de az atık üretecektir