3.1 GİRİŞ Bütün enerjilerin kaynağı olan güneşteki

37
3.1 GİRİŞ
Bütün enerjilerin kaynağı olan güneşteki enerjinin nükleer reaksiyonlardan kaynaklandığı bilinmektedir.
Nükleer reaksiyonlarda atom çekirdeği içinde bulunan proton ve nötronların alınıp verilmesi söz
konusudur. Kimyasal reaksiyonlarda ise sadece elektron alış verişi olmaktadır.
Nükleer reaksiyonlarda belirli bir kütle azalmasına eşdeğer enerji ısı olarak açığa çıkar. Bu enerji
2
Albert Einstein’in ünlü formülü; E= m c ( m: kütle, c: ışık hızı) ile hesaplanabilir.
Kütlenin enerjiye dönüşümü fizyon ve füzyon tepkimesi ile olmaktadır:
1) Fizyon (parçalanma) tepkimesi: Uranyum gibi bazı ağır çekirdekler nötronlarla bombardıman
edilirse yeni ve tamamen farklı iki çekirdeğe bölündüğü görülmektedir. Çekirdekler birbirinden hızla
ayrılırken öteki çekirdeklere sürtünerek ısı enerjisi oluştururlar:
on
1
+
92U
235
137
56Ba
Burada Q=200 MeV kadar bir enerjidir. (1 MeV=1.6x10
-13
+
97
36Kr
1
+ 2 on + Q
Joule)
2) Füzyon (kaynaşma) tepkimesi: Füzyon enerjisi konusunda üzerinde durulduğu gibi küçük
çekirdeklerin kaynaşarak daha büyük çekirdekler oluşturması ve bu arada büyük bir ısı enerjisi açığa
çıkmasıdır. Ancak bu çekirdeklerin kaynaşabilmesi bir kaç milyon derece sıcaklıktaki plazma ortamına
ihtiyaç vardır. Bu ortam, omik ısıtma, lazerle ısıtma ve hızlı elektron demetiyle ısıtma yöntemleriyle
yapay olarak hazırlanabilmektedir. Kullanılan hafif çekirdekler ise Helyum ve izotoplarıdır.
3.2 ATOM ENERJİSİ ELDE ETMEDE KULLANILAN MADDELER
238
235
Doğal Uranyum izotoplarından U
yavaş nötronlarla parçalanmaz. Hâlbuki U
parçalanır. Bazen
238
239
239
U
bir nötron yakalayarak U
‘a ve tekrar  bozunmasıyla Pu
‘a dönüşür. Bu son çekirdek
239
238
bozunmaya son derece uygundur. İşte kolayca parçalanan Pu
gibi çekirdeklere fissil madde, U
gibi zor bozulanlara ise fertil madde denir.
Bazı reaktörlerde nötron sayısı ve hızı dolayısıyla tepkime hızını kontrol altında tutmak için moderatör
veya yavaşlatıcı adı verilen grafit ve ağır su (D 2O: döteryum) gibi maddeler kullanılır. Ortamdaki fazla
nötronlar ise Kadmiyum çubuklarla soğurulur.
Atomun Parçalanması
Çekirdeklerin ister kendi kendine isterse insan eliyle ,, gibi parçacıklar salarak kararlı hâle (kurşun)
dönmesi olayına radyoaktiflik denir. Bunlardan ilkine doğal, ikincisine de yapay radyoaktiflik denir.
3
14
40
Genellikle ağır çekirdeklerde rastlanan bu olay 1H , C , K gibi küçük çekirdeklerde de görülmektedir.
14
Bunlardan C ’ün özelliği eskiden jeolojide yaş tayininde kullanılmasıdır. Doğal radyoaktif seriler
Thoryum, Neptünyum, Uranyum ve Aktinyum olmak üzere dört tanedir ve bunların son çekirdekleri
208
209
206
207
Pb , Pb , Pb , Pb ’dir.
38
Yapay radyoaktiflikle ilgili ilk deneyler Madam ve Pierre Curie’ler tarafından Radyum’un
parçalanmasıyla yapılmıştır. Yine Rutherford tarafından yapılan ilk çekirdek dönüşümü:
7N
14
+ 2He
4
9F
18
+ 8O
17
1
+ 1H + Q
şeklinde olmuştur.
235
235
Bir U
çekirdeği serbest nötronlarla bombardıman edilirse bir serbest nötron bir U
çekirdeğine
çarparak onu titreşime uğratır. Böylece ilk titreşim sonunda hafif elementler (Berilyum, Kripton)
meydana gelirken ayrıca iki adet nötron serbest kalır. Bu serbest nötronlarda diğer çekirdekleri farklı
bir çekirdeğe dönüştürülebilirse bu işleme kendi kendine bölünme veya zincir tepkimesi denir (Şekil3.1).
Şekil-3.1 Zincirleme tepkime ve nötronların yavaşlatılması
Hız ile dağılan yeni çekirdekler çarpışarak kinetik enerjilerini ısı enerjisine çevirirler. Böylece nükleer
235
enerji ısı enerjisine dönüşür. Buna göre bir U
atomunun parçalanmasıyla açığa çıkacak enerji
235
yaklaşık 200 MeV’tur. Bir kg U
atomunun parçalanmasıyla açığa çıkacak enerjinin ısı değeri
?
1.96x10 Kcal’dir. Bu enerji bir büyük yolcu gemisini denizlerde 6 ay dolaştırabilecek miktardadır.
2
2
1D + 1D
2
2
1D + 1D
2
3
1D + 1T
3
1
1T + 1H + 4.03 MeV
3
2 He + n + 3.27 MeV
4
2He + n + 17.6 MeV
3.3 NÜKLEER REAKTÖRLER
Nükleer tepkimeler sonucu açığa çıkan ısı enerjisinin reaktör kalbinden alınmasına göre reaktörleri,
gaz soğutmalı, ağır su soğutmalı, hafif su soğutmalı ve hızlı üretken reaktörler diye sınıflandırabiliriz.
Soğutucu olarak kullanılan gazlar genellikle He ve CO 2‘dir. Hızlı üretken reaktörlerde ise sıvı sodyum
kullanılmaktadır.
39
1) Reaktör kalbi: Burada uranyum yakıt çubukları, zincirleme reaksiyonu kontrol eden kontrol
çubukları ve moderatör olarak kullanılan sıvı bulunur.
2) Koruma zırhı: Nükleer reaktörlerin çalışması esnasında çok yüksek radyoaktif maddeler fizyon
ürünü olarak çıkar. Çevrenin radyoaktif maddelerden korunması için reaktör kalın beton ile çevrilir.
Ayrıca beton duvarın iç kısmına radyoaktif maddeleri absorbe (soğurma) etmek için iki sıra hâlinde
termik kalkanlar mevcuttur.
Şekil-3.2 Gaz (CO2) soğutmalı reaktör kesiti (EdF-2)
Şekil-3.3 Gaz (CO2) soğutmalı EdF-2 nükleer reaktörü
40
Şekil-3.4 Nükleer santral çevrimi
Şekil-3.5 Sıvı sodyum soğutmalı EBR 2 reaktörü
41
3) Termik kalkanlar: Silindirik şekilde olup çelik plâkalardan yapılmışlardır. Kalkanların görevi
reaksiyon sırasında reaktör kalbine geri dönmeyen nötronları ve x ışınlarını absorbe etmektir. Bu
esnada çok ısınırlar, bu sebeple kalkanların soğutulması gereklidir.
4) Kontrol çubukları: Zincirleme reaksiyonun hızını kontrol altında tutmak için Boran ve Kadmiyum
gibi maddelerden yapılmış kontrol çubukları kullanılır. Bu maddeler çok sayıda nötron absorbe
edebilirler. Çubuklar reaktör içinde otomatik olarak hareket ettirilirler.
5) Isı değiştiriciler (eşanjör): Fizyon olayının nükleer reaktör kalbinde oluşturduğu ısı enerjisinden
yararlanılarak gerekli su buharının elde edildiği yerdir. Burada buhar türbini için gerekli niteliklere sahip
kızgın buhar elde edilir.
6) Kondenser (yoğunlaştırıcı): Türbinden çıkan kullanılmış çürük buharı tekrar yoğunlaştırıp besleme
suyu üretir.
7) Pompa: Kondenserde yoğunlaştırılan suyu tekrar kazana basar. Tek veya çift pompa kullanılabilir.
8) Buhar türbini: Kazandan elde edilen kızgın buharla çalışarak alternatörü döndürür. Termik enerjiyi
kinetik enerji hâline dönüştürür.
9) Alternatör: Türbine bağlı olarak elektrik enerjisi üretir.
Tesisat Şemaları
Şekil-3.6 Su soğutmalı bir reaktör
Şekil-3.7 Kaynar su reaktörü
42
Şekil-3.8 Hızlı üretken reaktör
3.4 NÜKLEER SANTRALLERDE YAKITIN HAZIRLANMASI
Nükleer santrallerde uranyum, toryum ve plütonyum atomları kontrollü olarak parçalanması ile ısı
enerjisi elde edilmektedir.
Nükleer santrallerde atomlara zenginleştirme işlemi yapılır. Bu işlem örneğin uranyum (u-235)
izotopunun doğadaki miktarı %0,7 kadardır. Geriye kalan % 99,3 lük kısmı enerji üretiminde doğrudan
kullanılmayan kısımdır.
Kullanılmayan kısım u-238 olarak isimlendirilir. U-235 in doğadaki uranyum elementi içersindeki
miktarının artırılması için işlemler yapılır. Bu işlemlere zenginleştirme adı verilir.
Bir nükleer santral kurmak için zenginleştirilmiş uranyuma ihtiyaç vardır.
Şekil-3.9 Uranyum zenginleştirilmesi
43
3.5 YAKIT ÇUBUKLARI VE REAKTOR
Bir miktar zenginleştirilmiş uranyum (%3), boyu 4 m çapı yaklaşık 1 cm olan silindir boru içersine
yerleştirilir. Bu silindir borulara yakıt çubuğu adı verilir.
Böyle çubuklarının yaklaşık 280 adedi bir araya getirilerek yakıt demeti oluşturulur. Yakıt demetleri
reaktör kazanı içersine yerleştirilir
Şekil-3.10 Nükleer yakıt çubukları ve reaktör kalbine yerleştirilmesi
Nükleer reaksiyonun daha kolay olabilmesi ve üretilen ısının reaktörden alınarak kullanılabilmesi için
reaktör su ile doldurulur.
Nükleer reaktörlerde uranyum elementinin bir izotopu olan U-235 parçalanması ile enerji ısı olarak
açığa çıkar.
3.6 KONTROL ÇUBUKLARI
Üretilecek enerjinin miktarı reaktör kazanının üzerindeki kontrol çubukları ile sağlanır. Kontrol
çubukları yakıt çubukları arasında hareket ettirilerek zincirleme reaksiyonun hızını kontrol altında
tutarız.
Şekil-3.11 Kontrol çubukları ile reaktör güç kontrolü
44
3.7 NÜKLEER SANTRALİN ÇALIŞMASI
Nükleer santrallerde uranyum, toryum ve plütonyum atomları kontrollü olarak parçalanması ile
zincirleme reaksiyon başlatılır. Reaksiyonla beraber yüksek miktarda ısı enerjisi ortaya çıkar. Bu ısı ile
reaktör içerisindeki su ısınır.
Şekil-3.13 Nükleer reaktör kalbinin üstten görünüşü
Isınan su, pompalar vasıtası ile buhar üretecine getirilir. Burada başka bir suyu kaynatırken kendiside
soğur. Soğuyan su tekrar yakıt çubuklarına gelir. Bu işlem devam eder. Buhar üretecinde üretilen
buhar türbinlere gönderilir. Enerji burada mekanik enerjiye dönüştürülür. Türbine bağlı alternatörler
vasıtası ile elektrik enerjisine dönüştürülür. Etkisi azalmış buhar akarsu veya denizden alınan soğuk su
ile soğutma kulelerinde yoğunlaştırılarak tekrar suya dönüştürülür buradan buhar üreticisine gönderilir.
Şekil-3.14 Basınçlandırıcı
45
Şekil-3.15 Nükleer santralin prensip şeması
Şekil-3.16 Deniz veya göl kenarındaki nükleer santralin prensip şeması
3.8 NÜKLEER SANTRALLERIN KURULABİLECEĞİ YERLER
Nükleer santraller, hidroelektrik ve kömür yakıtlı santrallerin aksine teknik olarak her yere kurulabilirler.
Ancak üretilen elektriğin ekonomik olabilmesi için santralin kurulduğu yerin bazı özelliklerde olması
gerekir.
1- Deprem riskinin en düşük olduğu yerler,
2- Taşıma koşullarının uygun olması (kara, deniz yolu vb),
3- Soğutma gereksinimi olduğu için akarsu ve denize yakınlığı,
4- Meteorolojik koşulların uygunluğu hava koşuların oluşturduğu dezavantajları ortadan kaldıracak
uygun güvenlik önlemlerin ortaya konması,
46
3.9 DÜNYADA NÜKLEER SANTRALLER
Nükleer enerji günümüz elektrik ihtiyacının yaklaşık %17′sini karşılamaktadır. Bazı ülkeler enerjilerinin
büyük bir kısmını nükleer santrallerden üretmektedir.
Örneğin Fransa Uluslararası Atom Enerjisi Ajansı verilerine göre elektrik enerjisinin %75′ini nükleer
enerjiden sağlamaktadır. Amerika ise enerjisinin %15′ini buradan karşılamakta fakat bazı bölgelerinde
santraller daha yoğun biçimde enerji üretimi yapmaktadır. Dünya çapında 400′den fazla nükleer
santral bulunmakta ve bunların 100′den fazlası sadece Amerika’da yer almaktadır.
Şekil-3.17 Dünyada nükleer santrallerin bulunduğu ülkeler
Dünyadaki Nükleer Santrallerin % 62’si G-7 Ülkelerinde Yer Alıyor
Dünyada kurulu 438 nükleer santralin 272’isi (% 62) sanayileşmiş 7 ülkenin oluşturduğu G-7
ülkelerinde yer alıyor. G-7 üyesi ülkelerden İtalya’da nükleer santral bulunmaz iken,
Fransa’da 59,
Almanya’da 17,
Japonya’da 55,
ABD’de 104,
İngiltere’de 19 ve Kanada’da 18 santral var.
Sanayileşmiş 6 ülkede bulunan 272 nükleer santralden elde edilen 254 bin 365 MW enerji, dünyada
kurulu gücü 371 bin 562 MW olan 438 santralden elde edilen enerjinin yüzde 68’ini oluşturuyor.
47
3.10 NÜKLEER SANTRALLERİN PROBLEMLERİ NELERDİR?
İyi inşa edilmiş bir nükleer santral elektrik üretiminde önemli avantajlara sahiptir. Taş kömürü kullanan
elektrik santralleri ile karşılaştırdığımızda çok daha temizdir ve atmosfere daha az radyoaktif atık
bırakır. Taş kömüründen atmosfere çıkan tonlarca karbon, sülfür ve diğer elementler iyi çalışan bir
nükleer santrale oranla çok daha fazla miktarda kirletici etki oluşturmaktadır. Bu bakımdan enerji
üretimi iyi yapıldığında nükleer enerji son derece temiz olarak nitelendirilebilir. Bunun yanında birtakım
sorunlar da mevcuttur.
Uranyumun çıkartılması ve daha sonra zenginleştirilmesi sürecindeki rafine etme çalışmaları çok
büyük miktarlarda radyoaktif kirlenmeye sebep olmaktadır.
Düzgün çalışmayan nükleer santraller büyük sorunlara neden olabilir. Buna örnek olarak Çernobil
felaketi verilebilir ve bu felakette tonlarca radyoaktif atık atmosfere bırakılmıştır.
Santraldeki fisyon tepkimeleri çok iyi kontrol edilmeyi gerektirir ve hata toleransları çok azdır. Hiçbir
nükleer santralin tamamen güvenli olduğundan söz edilemez ve mutlaka uzman ekipler tarafından ve
emniyet katsayısı yüksek tutularak üretim yapılmalıdır. Bu da bizim gibi nükleer santral inşasına yeni
adım atmak isteyen ülkeler için ciddi sorunların ortaya çıkma riskini artırmaktadır.
Ortaya çıkan radyoaktif atıkların doğaya zarar vermeyecek şekilde taşınması ve gözetim altında uzun
yıllar güvenle saklanması gerekmektedir.
3.11 NÜKLEER ENERJİDE ATIK
Atık maddeler radyoaktifliklerinin azalması dinlenmeye bırakılır. Daha sonra az ve orta radyoaktif
atıklar, beton ve asfaltla sarıldıktan sonra özel bölgelere yerleştirilir. Yüksek etkinlikli atıklar sıkıştırılıp
yalıtıldıktan sonra derinlere gömülür.