Bir nükleer reaktör nasıl çalışır? Aşağıda nükleer reaktörlerin çalışma prensibine göz atıyor ve bir nükleer reaktörün nasıl işlev gösterdiğini yakından görüyoruz. Nükleer reaktörler atomları parçalayarak ısı üretir. Bu ısı, suyu buhara dönüştürür. Bu buhar bir türbini döndürür ve türbin de mıknatısı. Ardından şebekeye elektrik sağlanır. Günümüz reaktörlerinin çoğu her biri binlerce küçük uranyum yakıt peleti (mermi boyutlu tane) ile dolu birkaç yüz yakıt deposuna sahip. Tek bir uranyum peleti 1 ton kömüre eş değer enerji sunar. Tipik bir nükleer reaktör her yıl yaklaşık 27 ton yakıt harcarken benzer büyüklükte bir kömür santrali aynı elektriği 2,5 milyon ton kömürle üretir. Dahası kömür çevreyi en çok kirleten yakıttır.
Nükleer güç nedir?
Nükleer enerji veya güç, uranyum veya plütonyum atomlarının bir nükleer reaktörde nükleer fisyon denilen zincirleme tepkimeler yoluyla parçalanmasıyla oluşuyor. Atomların bölünmesiyle açığa çıkan enerji suyu ısıtarak buhara dönüştürmede kullanılır. Bu buhar kullanılabilir elektrik üreten bir türbini (buhar jeneratörü) döndürür. Araştırmacılar yakın zaman önce toryumun nükleer güç üretmede kullanılabilecek bir başka yakıt olduğunu keşfetti. Halihazırda Hindistan ve Rusya gibi ülkelerde kullanılıyor.
Uranyum çoğu kayada bolca bulunan doğal olarak radyoaktif bir elementtir. Uranyum yer kabuğunun içinde parçalanırken veya bozunurken ısı üretir. Benzer süreç nükleer reaktör içinde ısı üretmede kullanılıyor.
Nükleer reaktör nedir?
Nükleer reaktör suyu ısıtmak ve muazzam miktarda düşük karbonlu elektrik üretmek için kullanılan büyük bir kettle gibidir. Farklı boyut ve şekillerde olur ve çeşitli farklı yakıtlarla çalışırlar. Bir nükleer reaktör aslında nükleer fisyondaki zincir tepkimeleri kontrollü şekilde başlatmayı, sürdürmeyi ve durdurmayı sağlayan büyük bir cihazdır. Burada anahtar nokta üretilen ısıyı taşıyan ve dönüştüren yeterli araçların sunulması oluyor.
Bir nükleer reaktör nasıl çalışır?
Bir nükleer santralde üretilen elektrik enerjisi reaktörde gerçekleşen nükleer fisyon tepkimesinden elde edilen termal (ısı) enerji biçiminde ortaya çıkar. Bir nükleer reaktörün ana bileşeni nükleer yakıttır (genellikle uranyum). Bu işlem bir termik santralde yakılan fosil yakıttan salınan termal enerjiyle elektrik üretmeye benziyor.
Nükleer fisyon ile ağır atomların çekirdekleri nötronla bombardıman edilir ve böylece küçük ve daha hafif çekirdeklere ayrışmaları sağlanır. Bu ayrışma işlemi atomu oluşturan nötron ve protonu bağlayan enerjinin serbest bırakılmasını sağlar. Bu bombardıman ile her atomdan iki veya üç nötron yayılır ve bunlar nötron yayan diğer ağır çekirdeklerle etkileşime girdikçe daha fazla fisyon tepkimesi meydana gelir. Böylece kendi kendini sürdüren bir tepkime elde edilir. Bu çoğalma etkisine nükleer fisyon zincir tepkimesi deniliyor.
Zincir tepkimesinde atomların parçalanması büyük miktarda ısı enerjisi açığa çıkarır. Üretilen ısı, dolaşımdaki bir sıvı ile (genelde su) reaktörden taşınır. Bu ısı daha sonra buhar üretiminde kullanılır ve o da türbinleri çalıştırarak elektrik üretir.
Bir nükleer tepkimenin doğru hızda gerçekleşmesini sağlamak için reaktördeki nükleer tepkimeyi ve üretilen ısıyı hızlandıran, yavaşlatan veya durduran sistemler vardır. Bu işlem tipik olarak gümüş ve boron gibi nötron emici malzemelerden oluşan kontrol çubuklarıyla yapılıyor.
Bir nükleer reaktör şu ana bileşenlerden oluşuyor:
- Yakıt: Fisyon tepkimeleri genelde zenginleştirilmiş (izotopu artırılmış) uranyum dioksit olan yakıtta gerçekleşir. Ayrıca bir enerji ve nötron kaynağı olarak zincir reaksiyonunu sürdürmede kullanılır. Birkaç metre uzunluğundaki metalik çubukların içine pelet biçiminde katı halde yerleştirilir.
- Ilımlayıcı: Fisyonla üretilen süratli nötronları yavaşlatan ve yeni fisyonlara yol açarak zincirleme tepkimeyi sürdüren su ılımlayıcıdır.
- Soğutma suyu: Ilımlayıcı olarak fisyon indükleyen su aynı zamanda fisyon tepkimesinin ürettiği ısıyı yakıttaki uranyumdan uzaklaştırıyor.
- Kontrol çubukları: Reaktördeki kontrol elemanlarıdır. Nötron emici görevi görürler. Bu çubuklar indiyum-kadmiyum veya bor karbürden oluşuyor. Hem reaktörü stabil tutuyor hem de nötron popülasyonunu kontrol altına almayı sağlıyor. Ayrıca gerektiğinde tepkimeyi durdurmayı da sağlar.
- Ekranlama: Reaktördeki radyasyon ve nötronun dışarı sızmasını önlüyor. Ekranlama genellikle beton, çelik veya kurşun ile sağlanır.
Bir nükleer reaktörün nasıl çalıştığını 5 aşamada özetlemek ve basitleştirmek mümkün:
- Nükleer reaktörün içerisinde uranyum fisyonu gerçekleşir. Bu da çok yüksek basınç altındaki soğutma suyunu ısıtan büyük miktarda enerji açığa çıkarır. Bu su birincil devre üstünden su buharı üreten bir ısı eşanjörüne (buhar jeneratörü) taşınır.
- Bu buhar ikincil devre vasıtasıyla jeneratör-türbin setine taşınır.
- Burada bulunan türbindeki kanatlar alternatörü hareket ettirir ve mekanik enerji elektriğe dönüştürülür.
- Su buharı türbinden geçtiğinde soğuması ve tekrar sıvı su haline gelmesi için kondansatöre gönderilir.
- Kapalı devre içinde akan su daha sonra tekrar buhar olmak üzere yeni buhar jeneratörüne taşınır.
Dünyada nükleer reaktörler
60 yılı aşkın bir süredir nükleer enerji dünyaya elektrik sağlıyor. Bugün 30'dan fazla ülkede 400'den fazla reaktör çalışıyor. Bu tesisler dünya elektriğinin yaklaşık yüzde 10'unu üretiyor, hem de sera gazı salmadan.
Özellikle elektrik talebi yükseldikçe ve iklim değişikliğiyle ilgili endişeler arttıkça daha fazla ülke nükleer enerji kullanımına yöneliyor.
Yeni nesil nükleer reaktörler
Bugün yenilikçi girişimciler sayesinde daha verimli ve esnek çalışan nükleer reaktörler geliştiriliyor. Bunlar gelişmekte olan uzak alanlara ulaşmak, atıkları azaltmak ve hatta geri kazandırmak ve deniz suyunu içme suyuna dönüştürmek gibi işlemleri mümkün kılar.
Şu anda geliştirilmekte olan küçük modüler reaktörler (SMR'ler) dahil birçok gelişmiş reaktör türü var. Bu yeni tasarımların birçoğu soğutma işlemi için su kullanmıyor; ısıyı ayrı bir su kaynağına aktarmak ve buhar üretmek için sıvı metal, erimiş tuz veya helyum gibi maddeleri kullanıyorlar.
SMR'ler 300 megavat (300.000 kilovat) veya daha az elektrik üreten gelişmiş reaktörlerdir. İnşa etmesi daha az maliyetlidir, fabrikalarda üretilebilir ve ihtiyaç duyulan yerlere gönderilebilir. Bu imkan, uzak bölgelerin veya gelişmekte olan ülkelerin karbonsuz enerjiyle güç üretmesini mümkün kılacak. SMR'ler ayrıca elektrik talebine göre ölçeklenebilen güç çıktısına sahip. Bu da onları kesintili yenilenebilir enerji kaynakları için ideal kılıyor.
Gelecekte bazı gelişmiş reaktörler bugünkü nükleer reaktörlerden daha yüksek sıcaklıkta veya daha düşük basınçta çalışabilir olacak. Ayrıca suyun tuzdan arındırılması ve hidrojen üretimi gibi uygulamalar sunacaklar. Daha az atık üreterek veya 10 yılı aşan uzun yakıt döngülerine sahip olarak çok verimli olacaklar.