Nükleer güç
nükleer güç
Nükleer güç insanoğlunun sim diye kadar bulduğu en yoğun enerji kaynağı olan atom çekirdeği enerjisinin, denetim altında açığa çıkarılmasıdır. Ağır bir atomun çekirdeği fizyon diye bilinen bir süreçle ikiye bölündüğü zaman, çok büyük tutarlarda enerjiyi açığa çıkarır. Bu enerji, bir atom bombasından birden bire, elde edilen buharı türbinlerden geçirerek elektrik üreten bir nükleer reaktörde ise yavaş ve denetlenebilecek biçimde çıkarılır.
Kendiliğinden fizyona uğrayabi-len tek doğal element, uranyumdur. Doğada bulunduğu biçimiyle uranyum filizi, iki izotopun karışımıdır: uranyum 235 ve uranyum 233. Bunlardan yalnızca uranyum 235 kendiliğinden fizyona uğrar. (İzotoplar bir elementin değişik kütle ve fiziksel özelliklerde olmakla birlikte aynı kimyasal özelliklere sahip iki biçimidir.) U-235, filizde varolan uranyumun ancak yüzde 0,7’sini oluşturur. Bu tutar, «zenginleştirme» olarak bilinen bir işlemle, yüzde 90 kadarı U-235 olan bir izotop karışımı üretilinceye kadar artırılır.
Yakıt, kendisinin ve fizyon sürecinin zehirli ürünlerinin zararlarından korunmak için kalem biçiminde kaplarda (5) saklanır Ya-
kıt elementleri, dikey olarak yerleştirilir. Böylece, fizyon sonucu ortaya çıkan ısı, aralarından geçirilecek gaz yada su ile alınabilir. Sıcak su yada gaz yakıt elementlerinin arasından geçip onların ısısını aldıktan sonra, soğutucu türbin jeneratörlerinde elektrik üretimi için buhar sağlamada kullanılır.
Denetimli Zincir Tepkimeler
Ancak, reaktörlerin çoğu için yalnızca yakıt ve soğutucu yeterli değildir. U-235 çekirdeğinin fizyonu bir nötron tarafından başlatılır. Nötron, çekirdeğe çarparak onun ikiye ayrılmasına neden olacak derecede sarsılmasına yolaçar. Çekirdeğin ayrılma süreci sırasında iki yada üç nötron daha oluşur. Bu nötronlar fırlayıp başka U-235 çekirdeklerine çarparak bir zincir tepkime ortaya çıkarırlar.
Bir nükleer reaktör (1), her fizyon sonucu üretilen nötronlardan yalnızca birtekinin ikinci bir fizyona neden olacağı biçimde düzenlenmelidir. Ancak o zaman reaktör, değişmez bir hızla duraksamadan çalışabilir. Eğer her fizyon-dan oluşan nötronların ortalama birden fazlası yeni bir fizyona yol-açarsa. reaktör hızlanır ve bomba-
ya dönüşür; eğer fizyon sayısı birden az olursa, reaktör giderek gücünü yitirir ve sonunda durur.
Fizyon sonucu oluşan nötronlar son derece hızla yolalarak (saniyede 16000 km kadar) ek bir fizyona neden olmadan reaktörden ayrılma eğilimindedirler. Reaktörün çalışabilmesi için başka bir U-235 çekirdeğiyle çarpışarak yeni bir fizyona neden olacak biçimde yavaşlatılmaları amacıyla yatıştırıcı adı verilen bir madde kullanılır.
Yatıştırıcılar bir dizi çarpışmayla nötronları yavaşlatan hafif atomlardır. Ticari işletmelerde üç tip yatıştırıcı kullanılmıştır: su, grafit ve hidrojen atomlarının ağır hidrojen yada döteryum atomlarıyla değiştirildiği normal su.
Güvenlik ve Yakıt İkmali
Reaktör, istendiği gibi çekirdek içine yada dışına doğru hareket et-tirilebilen nötron emici çubuklar tarafından kontrol edilir. Kontrol çubukları çekildiği zaman emilen nötronlar azalır ve fizyona yol açabileceklerin sayısı arttığı için tepkime hızlanır (2). Reaktörü acele durdurmak için kontrol çubukları çekirdeğin içine olabildiğince çabuk
©0® ®
©i©:©:©!©:©:©:©:©
1) Nükleer reaktörler
uranyum yada benzeri elementlerin atomlarının denetim altında fizyona (bölünme) uğratılmasından çıkan ısıyı kullanarak elektrik üretirler. Buradaki ısı kullanımı türbin jeneratörlerini isletmek için yüksek basınçlı buhar elde etme
amacıyla kömür yada petrol yakan güç merkezlerinde olduğu gibidir. Değişen yalnızca ısının kaynağıdır. Büyük hacimlerde soğutma suvu gereklidir. Isıyı reaktörden ısı dönüştürücüsüne taşımak için çeşitli sıvılar kullanılabilir. Bunların içinde, sıvı sodyum made-
ni yada Güney Kore’de Pusan yakınındaki bu Ko-Ri güç merkezinde olduğu gibi, yüksek basınç altındaki su da vardır. Basınçlı su reaktörleri bugün dünyada en yaygın olanlarıdır. Bu karmaşık tesisin çeşitli kısımları şunlardır:
111 basınçlı su boru-
ları, 121 reaktör binası, |31 türbin binası, [41 yüksek basınç türbini, 151 alçak basınç türbini. (61 jeneratör,
[71 yangın duvarı, [81 dönüştürücüler, [91 ana dönüştürücü, [10| devre dislisi [111 soğutma suyu çıkısı. [12] voöunlaç. [131 soğutma suvu airişi. [141
denetim odası. [151 kullanılmış yakıt köo-rüsü. fi61 veni yakıt asansörü i 171 kullanılmış yakıt deposu. [181 kullnnılmifi vakit sil’ndiri. 1191 silindir vükleme [201 reaktör kabı, [211 zararlı maddeleri ayırma kazonı, [221 yeni yakıt deposu. [23] yakıt yükle-
me bölümü. [24] yakıt isleme girişi. [25] kullanılmış yakıt silindiri. [26] yakıt vinci.
[27] reaktör soğutma pompası. [28] yakıt doldurma köprüsü [29] basınç aracı. [30] buhar jeneratörü. [31] silindir deposu. [32] kullanılmış silindir vükleme alanı. [33]
soğutma suyu boşaltı mı, [34] yardımcı havalandırma, [35] türbinlerden gelen soğu ma suyu. [36] deniz suyu (soğutycu) pom palama yeri. [37] tür binlere giden soğutm suyu. [38] soğutma suyu pompalama yer ve [39] deniz suyu gı ris kanalı
Nükleer güç
Nükleer güç insanoğlunun sim diye kadar bulduğu en yoğun enerji kaynağı olan atom çekirdeği enerjisinin, denetim altında açığa çıkarılmasıdır. Ağır bir atomun çekirdeği fizyon diye bilinen bir süreçle ikiye bölündüğü zaman, çok büyük tutarlarda enerjiyi açığa çıkarır. Bu enerji, bir atom bombasından birden bire, elde edilen buharı türbinlerden geçirerek elektrik üreten bir nükleer reaktörde ise yavaş ve denetlenebilecek biçimde çıkarılır.
Kendiliğinden fizyona uğrayabi-len tek doğal element, uranyumdur. Doğada bulunduğu biçimiyle uranyum filizi, iki izotopun karışımıdır: uranyum 235 ve uranyum 233. Bunlardan yalnızca uranyum 235 kendiliğinden fizyona uğrar. (İzotoplar bir elementin değişik kütle ve fiziksel özelliklerde olmakla birlikte aynı kimyasal özelliklere sahip iki biçimidir.) U-235, filizde varolan uranyumun ancak yüzde 0,7’sini oluşturur. Bu tutar, «zenginleştirme» olarak bilinen bir işlemle, yüzde 90 kadarı U-235 olan bir izotop karışımı üretilinceye kadar artırılır.
Yakıt, kendisinin ve fizyon sürecinin zehirli ürünlerinin zararlarından korunmak için kalem biçiminde kaplarda (5) saklanır Ya-
kıt elementleri, dikey olarak yerleştirilir. Böylece, fizyon sonucu ortaya çıkan ısı, aralarından geçirilecek gaz yada su ile alınabilir. Sıcak su yada gaz yakıt elementlerinin arasından geçip onların ısısını aldıktan sonra, soğutucu türbin jeneratörlerinde elektrik üretimi için buhar sağlamada kullanılır.
Denetimli Zincir Tepkimeler
Ancak, reaktörlerin çoğu için yalnızca yakıt ve soğutucu yeterli değildir. U-235 çekirdeğinin fizyonu bir nötron tarafından başlatılır. Nötron, çekirdeğe çarparak onun ikiye ayrılmasına neden olacak derecede sarsılmasına yolaçar. Çekirdeğin ayrılma süreci sırasında iki yada üç nötron daha oluşur. Bu nötronlar fırlayıp başka U-235 çekirdeklerine çarparak bir zincir tepkime ortaya çıkarırlar.
Bir nükleer reaktör (1), her fizyon sonucu üretilen nötronlardan yalnızca birtekinin ikinci bir fizyona neden olacağı biçimde düzenlenmelidir. Ancak o zaman reaktör, değişmez bir hızla duraksamadan çalışabilir. Eğer her fizyon-dan oluşan nötronların ortalama birden fazlası yeni bir fizyona yol-açarsa. reaktör hızlanır ve bomba-
ya dönüşür; eğer fizyon sayısı birden az olursa, reaktör giderek gücünü yitirir ve sonunda durur.
Fizyon sonucu oluşan nötronlar son derece hızla yolalarak (saniyede 16000 km kadar) ek bir fizyona neden olmadan reaktörden ayrılma eğilimindedirler. Reaktörün çalışabilmesi için başka bir U-235 çekirdeğiyle çarpışarak yeni bir fizyona neden olacak biçimde yavaşlatılmaları amacıyla yatıştırıcı adı verilen bir madde kullanılır.
Yatıştırıcılar bir dizi çarpışmayla nötronları yavaşlatan hafif atomlardır. Ticari işletmelerde üç tip yatıştırıcı kullanılmıştır: su, grafit ve hidrojen atomlarının ağır hidrojen yada döteryum atomlarıyla değiştirildiği normal su.
Güvenlik ve Yakıt İkmali
Reaktör, istendiği gibi çekirdek içine yada dışına doğru hareket et-tirilebilen nötron emici çubuklar tarafından kontrol edilir. Kontrol çubukları çekildiği zaman emilen nötronlar azalır ve fizyona yol açabileceklerin sayısı arttığı için tepkime hızlanır (2). Reaktörü acele durdurmak için kontrol çubukları çekirdeğin içine olabildiğince çabuk
1) Nükleer reaktörler
uranyum yada benzeri elementlerin atomlarının denetim altında fizyona (bölünme) uğratılmasından çıkan ısıyı kullanarak elektrik üretirler. Buradaki ısı kullanımı türbin jeneratörlerini isletmek için yüksek basınçlı buhar elde etme
amacıyla kömür yada petrol yakan güç merkezlerinde olduğu gibidir. Değişen yalnızca ısının kaynağıdır. Büyük hacimlerde soğutma suvu gereklidir. Isıyı reaktörden ısı dönüştürücüsüne taşımak için çeşitli sıvılar kullanılabilir. Bunların içinde, sıvı sodyum made-
ni yada Güney Kore’de Pusan yakınındaki bu Ko-Ri güç merkezinde olduğu gibi, yüksek basınç altındaki su da vardır. Basınçlı su reaktörleri bugün dünyada en yaygın olanlarıdır. Bu karmaşık tesisin çeşitli kısımları şunlardır:
111 basınçlı su boru-
ları, 121 reaktör binası, |31 türbin binası, [41 yüksek basınç türbini, 151 alçak basınç türbini. (61 jeneratör,
[71 yangın duvarı, [81 dönüştürücüler, [91 ana dönüştürücü, [10| devre dislisi [111 soğutma suyu çıkısı. [12] voöunlaç. [131 soğutma suvu airişi. [141
denetim odası. [151 kullanılmış yakıt köo-rüsü. fi61 veni yakıt asansörü i 171 kullanılmış yakıt deposu. [181 kullnnılmifi vakit sil’ndiri. 1191 silindir vükleme [201 reaktör kabı, [211 zararlı maddeleri ayırma kazonı, [221 yeni yakıt deposu. [23] yakıt yükle-
me bölümü. [24] yakıt isleme girişi. [25] kullanılmış yakıt silindiri. [26] yakıt vinci.
[27] reaktör soğutma pompası. [28] yakıt doldurma köprüsü [29] basınç aracı. [30] buhar jeneratörü. [31] silindir deposu. [32] kullanılmış silindir vükleme alanı. [33]
soğutma suyu boşaltı mı, [34] yardımcı havalandırma, [35] türbinlerden gelen soğu ma suyu. [36] deniz suyu (soğutycu) pom palama yeri. [37] tür binlere giden soğutm suyu. [38] soğutma suyu pompalama yer ve [39] deniz suyu gı ris kanalı
okulur. Çubuklar nötronları «sün-;er gibi» emer, fizyona katılanların ayısı azalır, ve reaktör yavaşlar.
Reaktör kazayla sızan herhangi lir ışınımı emebilecek kalınlıkta leton ve çelik duvarlarla çevrili-lir. Ayrıca, tüm sistemin tam ola-ak güvenli olmasını sağlamak için akıt elementlerinde yada soğutma isteminde karşılaşılacak beklen-nedik kazalara karşı reaktör, ge-ekli sistemlerle donatılmış olmalı-ır.
Yakıt elementleri tükenince saktörden çıkarılır ve yerlerine ye-ileri takılır. İçinde, hâlâ biraz kul-inılmamış U-235 bulunan eski ele-ıentler bir yeniden işleme tesisine ötürülerek bu artıklar içlerinden ıkarılır (3). Bu noktada nükleer eaktör yararlı bir yan ürün verir, akıt elementlerinin içindeki ürün-jrden biri U-239’in nötron bom-ardımanı sonucu, yapay olarak aratılan yeni bir atom yani plü-snyum 239’dur.
Plütonyunı-239 (Pu-239), tıpkı J-235 gibi kendiliğinden fizyona ığravabilir. Bu nedenle atom bom-laları yapmada yada yeni nükleer eaktörlere yakıt sağlamada kulla-ıılabilir. İlk reaktörler atom bom-lası üretimi için plütonyum fabri-raları olarak tasarlanmış ve ger-
çekleştirilmişti. Ancak, plütonyum son derece zehirlidir ve son yıllarda bu elementin bütün dünyada artması bu konuda kaygıların doğmasına yolaçmıştır.
Hızlı Üretici Reaktör
En son reaktör tipi olan hızlı üretici (6) de rastlantısal Pu-239 üretiminden yararlanmak için tasarlanmıştır. Bu reaktör uranyumla çalışır. Çekirdeğin dışına kaçan nötronları yakalamaya yarayan bir »üretim örtüsü» vardır ve burada U-238 Pu-239’a dönüştürülür. Bu düzenleme öylesine iyi işler ki, bir hızlı üretici bu işlem sırasında kullandığı yakıttan daha fazla Pu-238 üretir.
Günümüzde tüm reaktörler enerji üretmek için ağır bir atomun ayrışması demek olan fizyon tepkimesinden yararlanırlar. Hidrojen bombasına korkunç gücünü veren öteki nükleer tepkimeyi, yani fiz-yonu denetim altına almanın çok daha zor olduğu şimdiye kadar yapılan denemelerde ortaya çıkmıştır (7). Bu tepkime sırasında iki milyon dereceye kadar ısıtılan hafif atomlar, büyük tutarlarda enerji üreten daha ağır atomlar oluşturacak biçimde kaynaşırlar
ayrıca bak:
164 Nükleer, kimyasal 152 Modern ağır
ve biyolojik savaş silahlar
66 Yakıt ve enerji
tasarrufu
nüştürülür ve su bir pompayla [61 reaktörün sıcak kısmından geçirilerek geri gönderilir. Soğutma kulesi için bir akarsu yada denizden sağlanacak soğuk su gereklidir
Biitün nükleer güc
merkezleri temelde aynı düzene sahiptir. Bir reaktör [11 suyu ısıtarak (doğrudan yada dolaylı biçimde), sonradan elektrik üreten bir
türbin jeneratörü (3J çalıştıracak olan buhara [2] dönüştürür. Egzos buharı bir soğutma kulesindeki soğuk su kullanılarak yoğunlaçta [41 yeniden suya dö-
m vr ırı
m ww ww ‘
Yeniden isleme tesisi
Yeniden dönüştürme tesisi
.öır su ot>$tıricisı
5) Basınç kaplı bir
reaktör 20-30 sm kalınlığında bir çelik kazan içindedir.
-Isı
lönusturücusü
Uranyum fizyonu
Grafitle yavaşlatın bir reaktör de. rbin jeneratörlerine jc sağlamak için bu-ar üretir Çevrelerini 3Pİayan bir grafit Jtlesi içinde yavas-ıtılan nötronlar, uran-jm-235 atomlarını bö-rler. Bunlardan her-irl yeniden yavasla-lıp daha fazla fizyo-a neden olacak yeni ötronlar üretir. «Yı-ının» içine tepkimeyi 3 dolayısıyle ısı üremi hızını denetlemek :in yeni nötronlardan ir kısmını emen kad-ııyum (mavi) çubukla-sokulur ‘ + t * ”
) Basınç borulu bir
eaktörde basınçlı solutucu (su, ağır su yala organik bir sıvı)
I
«- * «r S
nötron emici ağır su yatıştırıcısıyla çevrili reaktör kabından geçer
3) Nükleer yakıt dön-güsel olarak kullanılır. Madenden gelen uranyum filizi, uranyum oksite dönüştürüldüğü bir fabrikaya geçer. Bu arıtılır ve flüorit olarak, yeniden oksite dönüştürülüp yakıt yapılmadan önce bir zenginleştirme tesisine gider. Zenginleştirilen yakıt reaktörde kullanılır. Reaktörde kullanılan yakıt yeniden islenir ve yeniden elde edilen uranyum, flüorite dönüştürülüp yeniden zenginleştirme tesisine gönderilir Sodyum pompas
6) Bir hızlı üretici
reaktörde uranyum yakıtı bir yandan kullanılır, bir yandan da bölünebilen plütonyum elementine dönüştürülür. Sıvı sodyum madeni ısıyı, reaktörden türbin jeneratörü işletmek için suyu buhara çeviren ısı dönüştürücüsüne taşır. Bir yoğunlaç egzos buharını yeniden kullanılmak üzere suya dönüştürür. Üretilen plütonyum, uranyum yakıtını zenginleştirmede yada başka reaktörlerde kullanılır.
7) Bilim adamları hid-
roien bombasına gücünü veren füzyon tepkimesini yararlı biçimde kullanmaya çalışmaktadırlar. Cok yüksek sıcaklıklarda tepkimeye giren ve plazma adı verilen gazlar, dev mıknatıslarla birarada tutulur.
8) Dounray’daki (Is-koçya) bu merkez gibi. güc merkezlerindeki nükleer reaktörlerde soğutma işini görecek bol suya gerek vardır. Bu sulardan yoğunlaçta kullanılmış buharı suya dönüştürmek için yararlanılır.