Nükleer enerji santrali

Bu maddedeki üslubun, ansiklopedik bir yazıdan beklenen resmî ve ciddi üsluba uygun olmadığı düşünülmektedir. Maddeyi geliştirerek ya da konuyla ilgili tartışmaya katılarak Vikipedi'ye katkıda bulunabilirsiniz.

Nükleer santral (NPP)^[1] veya atom santrali (APS), ısı kaynağının nükleer reaktör olduğu termik santraldir. Termik santrallerde tipik olduğu gibi, ısı, elektrik üreten jeneratöre bağlı buhar türbinini çalıştıran buhar üretmek için kullanılır. Eylül 2023 itibarıyla Uluslararası Atom Enerjisi Kurumu, dünya çapında 32 ülkede faaliyette olan 410 nükleer santral ve inşa halinde olan 57 nükleer santral olduğunu bildirdi.^[2][3][4]

Nükleer santraller, işletme, bakım ve yakıt maliyetleri maliyet spektrumunun alt ucunda olduğundan genellikle temel yük için kullanılır.^[5] Ancak, bir nükleer santral inşa etmek genellikle beş ila on yıl sürer ve bu, ilk yatırımların nasıl finanse edildiğine bağlı olarak önemli finansal maliyetlere yol açabilir.^[6]

Nükleer santrallerin karbon ayak izi, güneş enerjisi çiftlikleri ve rüzgar çiftlikleri gibi yenilenebilir enerjiyle karşılaştırılabilir^[7][8] ve doğal gaz ve kömür gibi fosil yakıtlardan çok daha azdır. Nükleer santraller, güneş ve rüzgar enerjisi santrallerine^[9] kıyasla en güvenli elektrik üretim modları arasındadır.^[10]

Einstein, 1905 yılında E=mc² formülü ile fisyon (atom çekirdeğinin iki veya daha fazla parçaya bölünmesi) sonucu açığa çıkabilecek enerji konusunda öngörüde bulunmuştu. Daha sonra 1930 yılında bu öngörü deneysel olarak Otto Hahn, Lise Meitner ve diğerleri tarafından doğrulandı. Dünyadaki ilk nükleer reaktör 1942 yılında Enrico Fermi’nin yürüttüğü bir proje sonucunda Amerika Birleşik Devletleri'nin Chicago, Illinois kentinde kuruldu.

Fisyon kullanılarak üretilen ilk elektrik Arco, Aralık 1951'de Idaho’daki Deneysel Üretken Reaktörü'nde elde edilmiştir.

Bir nükleer reaktörden gelen ısının elektrik üretmek için kullanılması ilk kez 21 Aralık 1951'de Deneysel Üretici Reaktör I'de gerçekleşti ve dört ampulü çalıştırdı.^[11][12]

27 Haziran 1954'te, bir elektrik şebekesi için elektrik üreten dünyanın ilk nükleer santrali olan Obninsk Nükleer Güç Santrali, Sovyetler Birliği'ndeki Obninsk'te faaliyete geçti.^[13][14][15]

Dünyanın ilk tam ölçekli enerji santrali olan Calder Hall nükleer enerji santrali, Birleşik Krallık'ta 17 Ekim 1956'da açıldı ve plütonyum üretmesi de amaçlanmıştı..^[16] Dünyanın yalnızca elektrik üretimine adanmış ilk tam ölçekli enerji santrali, 18 Aralık 1957'de şebekeye bağlanan ABD'nin Pensilvanya kentindeki Shippingport Atom Enerjisi Santrali'ydi.

Elektrik enerjisine dönüşüm, geleneksel termik santrallerde olduğu gibi dolaylı olarak gerçekleşir. Nükleer reaktördeki fisyon, reaktör soğutma sıvısını ısıtır. Soğutma sıvısı, reaktörün türüne bağlı olarak su veya gaz veya hatta sıvı metal olabilir. Reaktör soğutma sıvısı daha sonra bir buhar jeneratörüne gider ve buhar üretmek için suyu ısıtır. Basınçlı buhar daha sonra genellikle çok aşamalı bir buhar türbinine beslenir. Buhar türbini buharı boşaltıp kısmen yoğunlaştırdıktan sonra, kalan buhar bir kondansatörde yoğunlaştırılır. Kondansatör, nehir veya soğutma kulesi gibi ikincil tarafa bağlı bir ısı eşanjörüdür. Daha sonra su buhar jeneratörüne geri pompalanır ve döngü tekrar başlar. Su-buhar çevrimi Rankine çevrimine karşılık gelir.

Nükleer reaktör, istasyonun kalbidir. Reaktörün çekirdeği, merkez kısmında nükleer fisyon nedeniyle ısı üretir. Bu ısıyla, reaktöre pompalanan soğutucu ısıtılır ve böylece reaktörden enerji alınır. Nükleer fisyondan gelen ısı, türbinlerden geçen ve elektrik jeneratörlerine güç veren buharı yükseltmek için kullanılır.

Nükleer reaktörler genellikle zincirleme reaksiyonu beslemek için uranyuma dayanır. Uranyum, Dünya'da bol miktarda bulunan ve deniz suyunda ve çoğu kayada olan çok ağır bir metaldir. Doğal olarak oluşan uranyum iki farklı izotopta bulunur: %99,3'ü oluşturan uranyum-238 (U-238) ve yaklaşık %0,7'si oluşturan uranyum-235 (U-235). U-238'in 146 nötronu ve U-235'in 143 nötronu vardır.

Farklı izotopların farklı davranışları vardır. Örneğin, U-235 bölünebilir, yani kolayca bölünebilir ve çok enerji yayar, bu ise U-235‘i nükleer enerji için ideal yapar. Öte yandan, U-238 aynı element olmasına rağmen bu özelliği yoktur. Ayrıca farklı izotopların farklı yarı ömürleri vardır. U-238, U-235'ten daha uzun yarı ömrü vardır, bu nedenle zamanla bozunması daha uzun sürer. Bu ayrıca U-238'in U-235'ten daha az radyoaktif olduğu anlamına gelir.

Nükleer fisyon radyoaktivite yarattığından, reaktör çekirdeği koruyucu bir kalkanla çevrilidir. Bu muhafaza radyasyonu emer ve radyoaktif malzemenin çevreye salınmasını önler. Ayrıca birçok reaktör, reaktörü hem iç kazalara hem de dış etkilere karşı korumak için bir beton kubbe ile donatılmıştır.^[17]

Buhar türbininin amacı buhardaki ısıyı mekanik enerjiye dönüştürmektir. Buhar türbininin bulunduğu motor bölmesi genellikle yapısal olarak ana reaktör binasından ayrılır. Çalışır durumdaki bir türbinin tahribatından kaynaklanan döküntülerin reaktöre doğru uçmasını önleyecek şekilde hizalanır.

Basınçlı su reaktöründe buhar türbini nükleer sistemden ayrılır. Buhar jeneratöründeki bir sızıntıyı ve dolayısıyla radyoaktif suyun geçişini erken bir aşamada tespit etmek için, buhar jeneratörünün çıkış buharını izlemek üzere bir aktivite ölçer takılır. Buna karşılık, kaynar su reaktörleri radyoaktif suyu buhar türbininden geçirir, böylece türbin nükleer santralin radyolojik olarak kontrol edilen alanının bir parçası olarak tutulur.

Elektrik jeneratörü, türbin tarafından sağlanan mekanik gücü elektrik gücüne dönüştürür. Yüksek nominal güce sahip düşük kutuplu AC senkron jeneratörler kullanılır. Bir soğutma sistemi, reaktör çekirdeğinden ısıyı alır ve onu istasyonun başka bir alanına taşır; burada termal enerji, elektrik üretmek veya diğer yararlı işler yapmak için kullanılabilir. Genellikle sıcak soğutucu, bir kazan için ısı kaynağı olarak kullanılır ve buradan gelen basınçlı buhar, bir veya daha fazla buhar türbini ile çalışan elektrik jeneratörünü çalıştırır.^[18]

Acil bir durumda, boruların patlamasını veya reaktörün patlamasını önlemek için emniyet valfleri kullanılabilir. Valfler, basınçta çok az artışla sağlanan tüm akış hızlarını elde edebilecek şekilde tasarlanmıştır. Kaynar su reaktörü durumunda, buhar bastırma odasına yönlendirilir ve orada yoğunlaşır. Isı eşanjöründeki odalar ara soğutma devresine bağlanır.

Ana kondenser, türbin-jeneratör egzozundan gelen ıslak buharı, sıvı su ve doygunluk koşullarında buhar karışımını alıp onu tekrar alt soğutulmuş sıvı suya yoğunlaştıran ve böylece kondensat ve besleme suyu pompaları tarafından reaktöre geri pompalanabilen büyük çapraz akışlı kabuk ve borulu ısı eşanjörüdür.

Nükleer reaksiyonu anında sonlandırmak için tasarlanmıştır. Zincirleme tepkimeyi kırarak ısı kaynağını ortadan kaldırır.

Engelleme sistemleri çevreye radyoaktif madde salınımını önlemek için tasarlanmıştır. Bazı engelleme sistemleri şunlardır:

Nükleer yakıt etrafında koruma tabakası olan ve reaktör soğutma devresi boyunca yakıtı korozyondan korumak için tasarlanmıştır.

Nükleer yakıt etrafında koruyucu ilk katmandır ve genellikle bir nükleer reaksiyon sırasında salınan radyasyonun çoğunu yakalamak için yüksek basınçlara dayanacak şekilde tasarlanmıştır.

Birincil çevreleme sistemi genellikle reaktör kabını içeren büyük bir metal ve beton yapıdan oluşur. Birincil çevreleme sistemi sızıntı ve güçlü iç basınçlara dayanacak şekilde tasarlanmıştır.

Bazı santrallerde, birincil sistemi kapsayan ikincil çevreleme sistemi vardır. Türbin dahil buhar sistemlerinin çoğu, radyoaktif malzemeleri içerdiğinden bu sistem çok yaygındır.

Tam erime durumunda, yakıt büyük olasılıkla binanın beton zemini üzerine sona erer. Birincil çevrelemede zemin genellikle nükleer erimeye karşı yeterli koruma sağlayan betondan oluşur. Bu büyük bir sıcaklığa dayanabilir. Buna rağmen çekirdeğin betonu eriteceği endişesi sebebiyle, "çekirdek tutucu" icat edilmiştir. Bugün, tüm yeni Rus tasarımı reaktörler çevreleme binanın alt çekirdek alıcıları ile donatılmıştır.^[19]

• Hidrolik enerji yoğunluğu (~0.001 kJ/gr)
• Kimyasal enerji yoğunluğu (~40 kJ/gr)

• Atomun yapısının araştırılması ile başlayan süreç insanoğlunu hidrolik ve kimyasal enerjiden kat kat daha yoğun olan nükleer enerjiyi kullanma imkanına kavuşturmuş ve insanoğlunun uzaya açılmasının önündeki en büyük engellerden birini ortadan kaldırmıştır.

• Nükleer enerjinin kullanılması bugün için alternatifsiz olarak gözükmektedir. Özellikle uzay çalışmalarında nükleer enerjinin önemi kıyaslanamayacak derecede büyüktür.

• Kütle enerjisi (~90 trilyon kJ/gr)

1- Fisyon yani ağır atom çekirdeklerinin parçalanmasıyla açığa çıkan çok güçlü enerjiler ile nükleer enerji elde edilir. Bunları günlük yaşamımızda kullandığımız elektrik enerjisine çevirmenin yolu nükleer enerji santralleridir.

²³⁵U + ¹n → ²³⁶U^*→¹⁴⁰Cs + ⁹³Rb + 3¹n

2- Füzyon reaksiyonunda küçük kütleli çekirdekler birleşip büyük bir çekirdek oluştururlar. Güneş ve yıldızların enerji üretimleri füzyon reaksiyonlarına dayanır. Diğer bir deyişle evrenin oluşumundaki enerji kaynağı füzyon reaksiyonlarına dayanır. Füzyon çevre dostu, temiz bir enerjidir. Füzyon yakıtı hidrojenin izotopları döteryum (D) deniz suyundan, trityum (T) ise yapay olarak elde ediliyor.

D + D → He + n + enerji

T + D → He + n + enerji

• Bu reaksiyonların gerçekleşebilmesi için T = 100 milyon °C sıcaklığa kadar erişilmesi gerekir. Güneşin yüzey sıcaklığı 6000 °C dir.
• Bir ton deniz suyu yaklaşık olarak 33 g döteryum içerir.
• 1 g döteryum-trityum füzyon reaksiyonundan elde edilecek enerji yaklaşık 160 Milyon kJ dur.

Nükleer tepkimeler; parçalanma ürünlerinin toplam kütlesi, ilk çekirdeğin kütlesinden daha küçük olduğunda açığa enerji çıkarırlar. E=mc² formülü uyarınca “kayıp kütle“, ürünlerin kinetik enerjisi biçiminde ortaya çıkar.

• 1 kg U-235 izotopunun fisyon tepkimesi sonucu açığa çıkan enerjinin yaklaşık 1.3 milyon kg kömürünkine eşdeğerdir. Yaklaşık 22 milyar kJ enerji ortaya çıkar.

Zincirleme reaksiyon, fisyon sonucunda ortaya çıkan nötronların, ortamda bulunan diğer fisyon yapabilen atomların çekirdekleri tarafından yutularak, onları da aynı reaksiyona sokması ve bunun ardışık olarak tekrarlanmasıdır. Kontrolsüz bir zincirleme reaksiyon, çok kısa bir süre içinde çok büyük bir enerjinin ortaya çıkmasına neden olur. Atom bombasının patlaması bu şekildedir.

• Nükleer santrallerde zincirleme nükleer reaksiyonlar sürekli – kontrollü ve güvenli bir şekilde oluşur.

İnsanlar doğal çevreden ve yapay kaynaklardan sürekli radyasyon alarak yaşarlar.

• Doğal radyasyon = %88
• Yapay radyasyon = %12
• Nükleer santralin etki alanında yaşayan bir kişinin alacağı ek radyasyon, tek bir göğüs röntgeni çektirmekle alınacak radyasyonun ellide biri kadardır.