Dünyanın dört bir yanındaki hükümetler, sera gazı emisyonlarını azaltmaya yönelik acil ihtiyacın farkına vardıkça, nükleer enerjinin önümüzdeki on yıllarda enerji karışımının giderek daha önemli bir parçası haline gelmesi muhtemeldir. Ancak birçok insan için bugün nükleer enerji teknolojisinin ne olduğu ve yarın ne olacağı sadece çok belirsiz bir şeydir. Nükleer reaktörler nasıl çalışır ve atom tekrar “dostumuz” olabilir mi?
Nükleer enerji yükselişte, peki nasıl çalışıyor ve nereye gidiyor?
2 Aralık 1942’de Chicago Pile-1 (CP-1), Chicago Üniversitesi’ndeki Stagg Field futbol stadyumunun altında aktive edildi ve dünyanın ilk nükleer reaktörü oldu. Bugün, 78 yıl sonra, 440 reaktör dünya enerjisinin yüzde 10’undan fazlasını üretiyor ve 50 reaktör daha yapım aşamasında.
Bu kadar önemli bir rolün yanı sıra nükleer enerjinin kötü bir ünü var. Bu, bir dizi karmaşık faktörden kaynaklanmaktadır. Nükleer enerji hala birçokları için bir gizemdir, radyoaktif atıklar ve nükleer silahlarla ilişkilidir, hala onlarca yıllık Soğuk Savaş propagandasının ve ABD, SSCB ve Japonya’daki son derece yüksek profilli üç reaktör kazasının yükü altındadır.
Şu anda, reaktör yapımı ve gelişimi 20. yüzyılın son on yıllarında çok yavaşladı, ancak endüstri bir rönesansın eşiğinde olabilir. Şöhretine rağmen, nükleer enerjinin bir takım avantajları vardır. Sadece karbon ve emisyon içermez. Çok küçük bir alanda çok büyük miktarda enerji üretir. Herhangi bir bölgeye yerleştirilebilir. Ve şaşırtıcı bir şekilde, herhangi bir enerji kaynağının kilovat başına en düşük ölüm oranına sahip.
Nükleer enerji nasıl çalışır?
Tüm modern nükleer enerji, ağır, kararsız bir atom iki küçük atoma bölündüğünde nükleer fisyon ilkesine dayanır. Bu, her yerde, hatta kendi vücudumuzun moleküllerinde bile doğal olarak gerçekleşir, ancak bir nükleer reaktörde bu atomların bölünmesi çok daha büyük bir ölçekte gerçekleşir.
Tipik bir nükleer reaktör, zenginleştirilmiş uranyum veya plütonyum peletleri içeren yakıt çubuklarından oluşan bir çekirdekten oluşur. Zenginleştirilmiş, bölünebilir uranyum-235’in bölünemez uranyum-238’e oranını artırmak için uranyumun santrifüj edildiği anlamına gelir. Bu yakıt çubukları birlikte paketlenir, aralarına kadmiyum veya diğer malzemelerden yapılmış kontrol çubukları yerleştirilir ve bir muhafaza kabuğunun içinde suya batırılır.
Çekirdeğin içinde, uranyum atomları doğal olarak parçalanır. Bu durumda, atomları birbirine bağlayan güçlü kuvvetin bir kısmı, bir çift nötronun yanı sıra gama radyasyonu şeklinde salınır. Nötronlar uçarken, su bir moderatör görevi görür. Yani, bu nötronları yavaşlatarak diğer uranyum atomlarıyla etkileşime girme olasılığını artırır.
Bu nötronlardan biri bir uranyum-235 atomu tarafından emilirse, o atom kararsız hale gelir ve bölünerek daha fazla enerji ve daha fazla nötron açığa çıkarır. Bu nötronlar ve bölünebilir atomlar dizisi, şehre onlarca yıl güç sağlamak için yeterli enerjiyi serbest bırakan bir zincirleme reaksiyona dönüşür. Reaksiyonun kontrolden çıkmasını ve çekirdeği eritmesini önlemek için, nötronları emmek ve çıkışı sönümlemek için kontrol çubukları yerleştirilebilir.
Bütün bunlar çok karmaşık fiziksel anları içerir, ancak sonuç, suyu ısıtan “dev bir su ısıtıcısı”dır. Bu sıcak su bir ısı eşanjöründen geçer ve buhar oluşturmak için başka bir su devresini ısıtır, bu da daha sonra elektrik üretmek için bir jeneratörü çalıştıran bir türbini döndürür.
Özünde, nükleer enerji buhar üretmenin bir yoludur. Bununla birlikte, şu anda operasyonda üç teknolojik nesilden geçen bir dizi reaktör modeli bulunmaktadır – I. Nesil ilk prototipler, II. Nesil ilk ticari reaktörler ve III. Nesil esasen daha gelişmiş özelliklere sahip 2. Nesildir. Dördüncü ve beşinci nesil gelişmiş reaktörler henüz geliştirilmektedir. Bu güç reaktörlerine ek olarak, araştırma reaktörleri ve silah sınıfı plütonyum üretimi için tasarlanmış reaktörler gibi özel amaçlar için reaktörler ve ayrıca radyoaktif izotopların üretimi için reaktörler gibi çok çeşitli uygulamalar için reaktörler de vardır. ilaç.
Modern reaktör türleri
İşte bugün kullanılan ana reaktör türlerinin nasıl çalıştığına dair bir özet. Bu temel tasarımlardan bazılarının 1950’ler kadar erken bir tarihte geliştirildiği ve onları daha güvenli ve daha verimli hale getirmek için 60 yılı aşkın bir süre boyunca sürekli olarak iyileştirildiği akılda tutulmalıdır.
Basınçlı su nükleer reaktörü (PWR)
Basınçlı Su Reaktörü
En yaygın reaktör tipi, başlangıçta ABD’de nükleer denizaltılara güç sağlamak için geliştirilen ve şu anda 20’den fazla ülkede kullanılan basınçlı su reaktörüdür (PWR). Bu, suyun hem düzenleyici hem de soğutucu olarak kullanıldığı, yukarıda açıklanan tasarımdır.
Bir basınçlı su nükleer reaktörünün şeması
Mevcut PWR tasarımlarında, yakıt yaklaşık yüzde 3,2 uranyum-235 ile zenginleştirilir ve zirkonyum alaşımlı çubuklarda mühürlenen yaklaşık 10 gram ağırlığında topaklar halinde oluşturulur. Reaktörü çevreleyen paslanmaz çelik kap, hem tüm nükleer ürünleri içerecek hem de daha yüksek verimlilik için sıvı suyu bir düdüklü tencerede olduğu gibi daha yüksek bir sıcaklıkta tutan bir basınçlı kap olarak kullanılmak üzere tasarlanmıştır. Kap, bir erime durumunda bile reaktörün içeriğini muhafaza etmek için çelik ve beton bir kalkanla kaplanmıştır.
Daha eski PWR tasarımlarında, soğutucu su kalkandan çıktı ve elektrik üretmek için kullanıldı. Reaktör çekirdeğini soğuk tutmak için suyun sürekli aktif olarak pompalanması gerekiyordu. Her iki seçenek de, Three Mile Island felaketinde olduğu gibi güvenlik endişeleri taşıyordu, bu nedenle daha sonraki reaktörler, tamamen kapanma durumunda bile çekirdeği serin tutmak için bir dizi ısı eşanjör devresi ve yedekli pasif su sirkülasyon sistemleri kullandı.
Kaynar Su Reaktörü (BWR)
Kaynar su reaktörü
Kaynar su reaktörü (BWR) olarak bilinen bir sonraki en yaygın reaktör, PWR’den daha basit ve pratik olarak daha az güvenlidir. Adından da anlaşılacağı gibi, soğutucu döngüsündeki suyun kaynamasına izin verilir ve buhar, muhafazadan doğrudan türbine girer ve yeniden yoğunlaştırmadan sonra reaktöre geri döner. Bu, yüksek bir radyoaktif kirlenme olasılığı sağlar.
Kaynar su reaktörünün şeması
BWR tasarımını kullanan 10 ülke var. Japonya bunlardan biri ve 2011 Fukishima felaketi, 1960’larda ve 70’lerde inşa edilen ve bir tsunami ve deprem reaktör kompleksini yok ettiğinde güvenlik açısından zaten modası geçmiş kabul edilen altı BWR’yi içeriyordu.
Ağır Su Nükleer Reaktörü (CANDU)
Ağır Su Reaktörü
Reaktör tesisi CANDU Kanada Atom Enerjisi Limited Şirketi
Su soğutmalı ve ılımlı reaktörün bir çeşidi, yüksek basınçlı ağır su reaktörü veya Kanada döteryum uranyumudur (CANDU). Bu geliştirme, zenginleştirilmemiş uranyum kullanır. Sıradan su yerine, reaktör, hidrojen atomlarının çoğunun döteryum adı verilen bir hidrojen izotopu ile değiştirildiği ağır su kullanır. Ağır suyun nötronları emmesi daha az olasıdır, bu nedenle daha az zenginleştirilmiş yakıt gerekir. Ek olarak, ağır su kendi nötronlarını yaratır ve bu da nükleer reaktörü daha yavaş, daha kararlı ve kontrol edilmesi daha kolay hale getirir.
Gelişmiş gaz soğutmalı reaktör AGR
En eski iki ticari reaktör türü, Magnox ve Gelişmiş Gaz Reaktörüdür (AGR). 1942’de Chicago’daki ilk nükleer yığının doğrudan torunlarıdır ve 1956’dan 1971’e kadar İngiltere’de inşa edilmiştir. CP-1 gibi, metalik uranyum veya uranyum oksit olan yakıt, çubuklar yerine magnezyum alaşımı veya paslanmaz çelik kaplara kapatılmış olsa da, moderatör olarak grafit blokları kullanırlar.
Calder Hall’da Magnox reaktörünün yüklenmesi
Bu reaktörler soğutma için karbondioksit kullanır. Eski Magnox reaktörü esas olarak plütonyum üretimi için tasarlandığından çok verimli değildi, bu nedenle daha iyi buhar üretimi ve türbin çalışması için daha yüksek sıcaklıkta çalışan AGR reaktörü oluşturuldu.
Yüksek güç kanalının reaktörü
Yüksek güçlü bir kanal reaktörü olan RBMK, SSCB’de Magnox ile aynı zamanlarda geliştirildi ve tamamen farklı bir makine olmasına rağmen bazı ortak tasarım özelliklerini paylaşıyor. RBMK, yüzde 1.8 uranyum-235 ile zenginleştirilmiş uranyum oksit içeren yaklaşık 1.700 dikey kanaldan oluşan çok güçlü bir su soğutmalı grafit çekirdek kullanır. Su basınç altında dolaşır ve daha sonra buhar üretmek için kullanılır.
Yüksek güçlü kanal reaktörü, RBMK-1000 Kursk NPP
Eski Sovyet ülkelerinde çok sayıda RBMK hala faaliyette olmasına rağmen, kötü şöhretli güvensiz tasarımları 1986’daki Çernobil felaketinde, mühendislerin simüle edilmiş bir elektrik kesintisi testi sırasında güvenlik protokollerini ihlal etmesi ve kompleksin reaktörlerinden birinin çekirdeğine neden olmasıyla kanıtlandı. buharla parçalanacak. , bundan sonra grafit moderatörü ateşlendi.
geleceğin reaktörleri
Şu anda dünya dördüncü nesil reaktörlerin ortaya çıkışına tanık oluyor ve onları beşinci nesil takip edecek. Bunlar, saha yerine fabrikalarda kurulabilen modüler reaktörleri; çakıl yataklı reaktörler, erimiş tuz veya kurşun soğutmalı reaktörler ve tüketilenden daha fazla yakıt oluşturmak için hızlı nötronlar kullanan reaktörler. Bu reaktör tasarımları, nükleer santralleri doğal olarak daha güvenli, daha ucuz, daha verimli, daha hızlı inşa etmek ve çok daha az nükleer atık üretmek ortak amacını paylaşıyor.
Nükleer yakıt için peletler
1950’lerde, her türden mucizeyi beraberinde getirecek olan atom çağının gelişinden sık sık bahsedilirdi. Bu olmadı, ancak nükleer teknoloji reaktörlerin geliştirilmesinde, sürdürülebilir bir yakıt kaynağının sağlanmasında ve nükleer atık sorununa – pratik füzyon gücü olasılığı ile – tatmin edici bir cevapta ilerleyebilirse, o zaman belki daha az idealisttir. bu atom çağının bir versiyonu 21. yüzyılda ortaya çıkacak.