Küçük Modüler Reaktörler (SMR)

SMR’ler nedir?

Uluslararası Nükleer Enerji Ajansı (UAEA) ve nükleer endüstri farklı SMR tanımları kullanmaktadır. UAEA tanımında SMR küçük ve orta ölçekli reaktör (Small and Medium sized Reactor) olarak geçmekte olup nükleer endüstrinin kullandığı tanımda SMR küçük ve modüler reaktör (Small and Modular Reactor) olarak geçmektedir. UAEA tanımı küçük ve modüler reaktörlerle birlikte 1000 MW ve üstü kurulu güce sahip 3. Nesil nükleer reaktörlerden önce kurulmuş 2. Nesil 300 – 700 MW kurulu güç aralığında nükleer reaktörleri de içermektedir. Yazımızda 4. Nesil küçük ve modüler nükleer reaktörlerin kurulumu üzerine olup SMR tanımı altında sadece bu reaktörler ele alınmaktadır.

SMR’ler elektrik üretiminin yanı sıra yüksek basınç ve yüksek sıcaklıkta proses buharı üretir ve kullanım amacına yönelik olarak farklı büyüklüklerde ve uzak bölgelerde kurulabilir. Tasarımlarında pasif güvenlik sistemleri dahil güvenlik sistemleri ve emniyet tedbirleri (nükleer yakıtlara yetkisiz erişimin engellenmesi) güçlendirilmiştir.

SMR’ler neden geliştirilmiştir?

SMR’ler özellikle elektrik iletim şebekesi kapasitesi küçük olan ülkeler için önemli bir seçenek olarak ortaya çıkmaktadır. Gelişmekte olan ülkelerin fosil yakıtlara bağımlılığı ve bunun yarattığı ekonomik ve çevresel sorunların SMR’lerin kurulumu ile bertaraf edilmesi öngörülmektedir. Nükleer silahların yayılmasının önlenmesi konusunda reaktör modüllerinin sahada erişime kapalı olarak yakıtla birlikte fabrikada üretilmesi ve yakıt değişimi için tekrar fabrikaya taşınması sayesinde ek önlem getirmektedir. Bunun yanı sıra dünyamızın artan sorunlarından biri olan su kaynaklarının tükenmesi ve enerji verimliliği sorunlarına karşı deniz suyu desalinasyonu ve ısı kojenerasyonu imkanlarına sahiptir. Bu özellikleriyle yenileşimci tasarımlara sahip SMR’ler 4. Nesil nükleer reaktörler arasında sayılmaktadır. Yenileşimci tasarımlara sahip sistemler modüler tasarımları sayesinde daha az elektromekanik ekipmana ve borulamaya ihtiyaç duymakta ve pasif (harici elektrik gücüne ihtiyaç duymadan çalışan) sistemleri sayesinde reaktör kaza olasılığını önemli ölçüde azaltmaktadır

SMR’lerin Avantajları ve Dezavantajları

Avantajlar Dezavantajlar
Ekonomi
  • Modüllerin sahanın dışında üretimi ve sahaya sadece montaj için taşınması sayesinde büyük ölçekli santrallere göre daha az kurulum süresine sahip olması
  • Reaktör tasarımında modifikasyon gerekmeden proses buhar çıkışı sağlaması
  • Deniz suyu desalinasyonu ve kojenerasyona imkan sağlaması
  • Verimsiz fosil yakıtlı santrallerin yerine kurulabilmesi sayesinde iklim değişikliğiyle mücadeleye katkıda bulunması

 

  • Filo satışının yapılamaması durumunda ölçek ekonomisinden faydalanılamaması
  • Reaktör modüllerinin hepsi içinde konseptine göre üretilmesi sebebiyle yerlileştirme imkanlarının büyük ölçekli santrallere göre daha düşük olması
  • Bazı SMR’lerin nükleer buhar tedarik sisteminin (NSSS) henüz tasarlanmamış olması
Lisanslama
  • Bütün reaktör modellerinin türünün ilk örneği olma özelliğine sahip olması
  • Tedarikçi ülkelerin lisanslama mevzuatlarının SMR’lere uygun olmaması
Elektrik iletim şebekesi
  • Elektrik iletim şebekesi kapasitesi küçük olan ülkelere kolay adapte edilebilmesi
  • Çoklu modüler sistem sayesinde primer ve sekonder frekans kontrolüne büyük ölçekli santrallere göre daha uyumlu olması
Saha izni
  • İşletmeden çıkarılan termik santrallerin harici tesislerini kullanarak mevcut sahalarda reaktör modüllerinin kurulabilmesi
Güvenlik
  • İşletme ve bakım ihtiyaçları büyük ölçekli santrallere göre daha azdır
  • Modüler tasarım sayesinde borulamanın azaltılarak soğutucu kaybı kazası olasılığının azaltılması
  • Yeraltına açılan havuzlara reaktör modüllerinin yerleştirilmesi ile Fukuşima tipi kazalara karşı arttırılmış güvenlik marjına sahip olması
  • Modüllerin fabrikada kapalı olarak üretilmesi sayesinde yakıtlara yetkisiz erişimin engellenmesi.
  • Nükleer endüstrinin yenileşimci tasarımlar konusunda yeterli bilgi ve deneyime sahip olmaması (burada istisna olarak ABD Deniz Kuvvetleri gemilerinde ve denizaltılarında nükleer reaktör işleten kurum olarak deneyime sahip)

 

Yakıt çevrimi
  • Yakıt yüklemelerin daha uzun periyotlarda yapılabilmesi (2 – 3 sene ile 10 senelik periyotlar arasında)
  • Gaz soğutmalı reaktörlerde Toryum yakıt çevriminden faydalanılabilmesi
  • Yakıt yakma oranının büyük ölçekli santrallere göre daha düşük olması nedeniyle büyük ölçekli santrallerden daha fazla uranyum kullanması ve sonucunda daha fazla kullanılmış yakıt üretimi
Halkın kabulü
  • Reaktörün küçük ve modüler yapısının halkın gözünde yarattığı pozitif algı sayesinde halkın kabulünün büyük ölçekli santrallere göre daha kolay olması

SMR’lerin teknik özellikleri ve mevcut durumu

Model Menşei Kurulu güç

(termik/elektrik)

Özellikleri Mevcut durumu
GTHTR300 Japonya (Mitsubishi Heavy Industeries (MHI)) 600/300 MW Yüksek sıcaklıklı Helyum soğutmalı reaktör

3 modüllü yapı (reaktör, gaz türbini-jeneratör, ısı eşanjörleri)

Yakıtların yeniden işlemeye uygun olması

Yüksek sıcaklıkta gaz üretimi ile hidrojen üretimine uygun olması

 

2001 yılında GTHTR300’ın prototipi olan 30 MW termal güçte HTTR reaktörü Japon Atom Enerji Ajansı tarafından tam güçte işletilmeye başlanmıştır.
SMART Güney Kore (Kore Atom Enerjisi Araştırma Enstitüsü (KAERI)) 330/90 MW Hafif su soğutmalı reaktör

Reaktör basınç kabı içinde reaktör koru, 8 buhar jeneratörü, 4 soğutucu pompa, 1 basınçlandırıcı ve 25 kontrol çubuğu sürücü mekanizması

40.000 ton/gün deniz suyu desalinasyonu

Mevcut PWR tasarımlarını temel alan tasarım

 

Kore’de 1/5 ölçeğinde prototip test reaktörünün denemesi devam etmektedir. 4 Temmuz 2012 tarihinde standart tasarım onayını almıştır. Önümüzdeki senelerde projenin ticarileştirilmesi planlanmaktadır.
KLT-40C Rusya (OKBM Afrikantov) -/70 MW Hafif su soğutmalı reaktör

Deniz üstü araca yerleşik kurulum

Rusya’da inşa edilmekte olan Akademik Lomonosov gemisinde kullanılacaktır.
SVBR-100 Rusya (OKB Gidropress & Doğu Avrupa enerji teknolojileri araştırma ve proje enstitüsü (VNIPIET)) -/100 MW Kurşun – bizmut soğutmalı hızlı nötron reaktörü Tasarım çalışmaları tamamlanarak referans santral inşaat sahası belirlenmiştir. Ar&Ge çalışmaları 2015 – 16 ‘da tamamlanacaktır.
NuScale ABD (NuScale Power Inc.) 160/45 MW Hafif su soğutmalı reaktör

Reaktör modülü içinde reaktör koru, buhar jeneratörleri, basınçlandırıcı ve modül koruma kabı

12 modüle kadar santralde kurulum ile maksimum 540 MW elektrik üretim kapasitesi

Yer altında kurulu havuza reaktör modüllerinin yerleştirilmesi ile büyük ölçekli santrallerde olan koruma kabına ihtiyaç duymaması.

Oregon eyaletinde 1/3 ölçeğinde prototip reaktörün denemesi devam etmektedir. Aralık 2013’te Idaho Ulusal Laboratuarına kurulmak üzere NuScale reaktörü seçilmiştir. Projeye ABD Enerji Bakanlığı tarafından Mayıs 2014 itibariyle 217 milyon dolar fon aktarılmıştır. Proje takviminde 2020 yılında ilk betonun dökülmesi ve 2023 yılında ilk yakıtın yüklenmesi planlanmaktadır.
VK-300 Rusya (N.A. Dollezhal Güç Mühendisliği Araştırma ve Geliştirme Enstitüsü (NIKIET)) -/250 MW Hafif su soğutmalı kaynar su reaktör

Kojenerasyon durumunda 150 MW elektrik üretimi ve 400 GCal/saat ısı üretimi

Tasarım çalışmaları tamamlanarak referans santral inşaat sahası belirlenmiştir.
ACP100 Çin (Çin Ulusal Nükleer Şirketi (CNNC)) 310/100 MW Hafif su soğutmalı reaktör

Elektrik iletim şebekesi kapasitesi düşük uzak bölgeler için geliştirilmiş

Reaktör koruma kabı içinde reaktör koru, buhar jeneratörleri ve basınçlandırıcı

Ön güvenlik analiz raporunun Aralık 2014’te onaylanması planlanmaktadır. Çin’in doğu kıyısında Putian bölgesinde 2 reaktörün kurulması planlanmaktadır.
CAREM25 Arjantin (Comision Nacional de Energia Atomica) 100/31 MW Hafif su soğutmalı reaktör

Doğal konveksiyon soğutmalı

Reaktör koruma kabı içinde reaktör koru, buhar jeneratörleri ve kontrol çubuğu sürücü mekanizmaları

2012 yılında Atucha sahası yakınına inşaatı başlamıştır. Reaktörün ilk kritikliğe Ekim 2017 tarihinde ulaşması planlanmaktadır.
FBNR Brezilya (Rio Grande do Sul Federal Üniversitesi) 218,4/72 MW Hafif su soğutmalı reaktör

Çakıl taşı yataklı reaktör tasarımı

Yakıt yüklemesi için reaktör modülü fabrikaya taşınır

 

Tasarım aşamasındadır.
Flexblue Fransa (Direction des Constructions Navales Services (DCNS)) 600/160 MW Hafif su soğutmalı reaktör

Deniz altına batırılarak yerleştirilen modül

Yakıt yüklemesi için reaktör modülü fabrikaya taşınır

 

Fransız denizaltı teknolojisini temel alan bir tasarım olarak geliştirilmektedir.
mPower ABD (B&W Company ve Bechtel Power Corporation) 530/180 MW Hafif su soğutmalı kaynar su reaktörü Tedarikçi firmalar B&W, Bechtel ve TVA ile ABD Enerji Bakanlığı arasında Nisan 2013’te destek anlaşması imzalanmıştır. Projeye ABD Enerji Bakanlığı tarafından Mart 2014 itibariyle 101 milyon dolar fon aktarılmıştır. Proje takviminin oluşturulması için görüşmeler sürmektedir.
GT-MHR ABD (General Atomics) 350/150 MW Yüksek sıcaklıklı Helyum  soğutmalı hızlı reaktör

Yüksek uranyum yakıt yakma oranı (Akkuyu NGS’de 60, GT-MHR’de 200 GWd/ton Uranyum)

Elektroliz veya termokimyasal su parçalama yöntemiyle hidrojen üretimine uygun.

 

2001 yılında NRC’ye ön lisans başvurusu yapılmıştır. Tasarımın 4. Nesil reaktörler için deneme amacıyla yapıldığı değerlendirilmektedir.
EM2 ABD (General Atomics) 500/240 Yüksek sıcaklıklı Helyum soğutmalı hızlı nötron reaktörü

Hızlı nötron reaktörü tasarımıyla yakıtta bulunan artık Plütonyum’un yakılması sağlanır

Erken tasarım aşamasındadır.
4S Japonya (Toshiba) 30/10 Sodyum soğutmalı hızlı nötron reaktörü

İnşaat süresi tahmini 19 ay

30 yıl reaktör modülü işletme ömrü

Hızlı nötron reaktörü tasarımıyla yakıtta bulunan artık Plütonyum’un yakılması sağlanır

ABD NRC tarafından ön başvuru değerlendirilmesi yürütülmektedir. Toshiba tarafından sıvı metal soğutmalı reaktörler için düzenleyici mevzuatın geliştirilmesi çalışmalarına katılım sağlanmaktadır.
HTR-PM Çin (Tsinghua Üniversitesi Nükleer Enerji ve Yeni Teknoloji Enstitüsü & Huaneng Shandong Shidaowan Nükleer Güç Şirketi (HSSNPC)) 250/105 MW Yüksek sıcaklıklı Helyum soğutmalı reaktör

Çakıl taşı yataklı reaktör tasarımı

Geçmişte Almanya’da sonrasında Güney Afrika’da yürütülen ve sonrasında durdurulan projenin Çin’de sürdürülmesi sonucu devam eden bir proje

2 reaktör ünitesi ve 1 türbin ünitesinin sahada kurulumu ile 211 MW elektrik üretim gücü imkanı

Aralık 2012’de proje inşaat izni alınarak ilk beton Shidaowan sahasına dökülmüştür. İnşaatın 50 ay sürmesi planlanmakta ve 2017 yılı başında santralin işletmeye alınması planlanmaktadır.[1]
IRIS-50 Uluslar arası Konsorsiyum (Toshiba-Westinghouse başkanlığında) 165/50 MW Pasif tasarımlı entegre basınçlı su reaktörü

10 yıllık yakıt yükleme periyotu seçeneği

NRC ön başvuru süreci devam etmektedir.

 

Ekran Alıntısı1

Şekil Yenileşimci SMR tasarımına örnek olarak NuScale reaktör binası ara kesiti. (NuScale reaktör modülleri yüksek dayanımlı çelik koruma kapları içinde yer seviyesinin altında su doldurulmuş havuzlarda bulunur. Reaktör binası deprem, tsunami, hortum, kasırga ve uçak çarpmasına karşı korunaklıdır. Yakıt havuzu ve kontrol odası yer seviyesinin altındadır. )

Ekran Alıntısı2

Şekil mevcut büyük ölçekli reaktör tasarımlarını temel alan SMR tasarımlarına örnek olarak ACP-100 reaktör modülü üç boyutlu çizimleri. (modül içerisinde reaktör koru, buhar jeneratörleri ve basınçlandırıcı bulunmaktadır.)

SMR’lerin yatırım ve elektrik üretim maliyetleri

Reaktör modeli Ülke Reaktör kurulu güç (MWe) Yatırım maliyeti (milyar dolar/ GWe) Maliyetin değerlendirmesi
VK-300 Rusya 250 1,0[1] VVER teknolojisi temelinde sadeleştirilmiş tasarıma sahip kaynar su reaktörü (BWR) teknolojisine sahip SMR.
GTHTR-300 Japonya 300 1,98[2] Almanya tarafından güvenlik sorunu nedeniyle ve sonrasında Güney Afrika tarafından da maliyetlerin artması sebebiyle terk edilmiş çakıl taşı yataklı gaz soğutmalı SMR.
HTR-PM Çin 105 2,0[3]
ACP-100 Çin 100 3,94[4] Çin tarafından yerlileştirilmiş basınçlı su reaktörü teknolojisinin temelinde geliştirilmiş ve sadeleştirilmiş tasarıma sahip SMR.
NuScale ABD 45 4,0[5] Reaktör ünitelerinin fabrikada entegre olarak üretilerek aktif ve güç isteyen ekipmanlar (pompalar, valfler) yerine pasif ve güç istemeyen ekipmanların kullanıldığı ve nükleer yakıta sahada erişimin engellenmesi sayesinde nükleer silahların yayılmasının önlenmesi konusunda ek güvence sağlayan SMR.
SVBR-100 Rusya 100 4,0 – 4,5[6] Rus hızlı nötron reaktör teknolojisi temelinde geliştirilmiş sıvı metal (kurşun-bizmut karışımı) soğutmalı SMR.
KLT-40C Rusya 70 6,0[7] Rus nükleer deniz kuvvetleri programı temelinde geliştirilmiş ve iletim hatlarının erişemediği uzak bölgelere kıyıya yanaşık gemiden elektrik tedariki için kullanılması planlanan SMR.
SMART Güney Kore 90 9,2[8] Elektrik üretimi ile birlikte deniz suyu tuzsuzlaştırma (desalinasyon) ve atık ısı kullanımı (kojenerasyon) için geliştirilmiş SMR.

Kaynaklar:

[1] http://www-pub.iaea.org/MTCD/publications/PDF/P1500_CD_Web/htm/pdf/topic5/5S07_Y.%20Kuznetsov.pdf makalesinde 2x220MW kurulu gücünde santralin yatırım maliyeti 440 milyon dolar olarak verilmiştir.

[2] Çalıştayda 4 reaktörlü santral için 4 yıl inşaat süresi, %3 ıskonto oranı ve 40 yıl işletme ömrü baz alınarak Japon Atom Enerji Ajansı tarafından tahmin edilen değer . Japonya’da hafif sulu reaktörler için elektrik üretim maliyeti 7,42 Dolar sent/kWh’dır.

[3] http://www.uxc.com/smr/Library%5CDesign%20Specific/HTR-PM/Papers/2009%20-%20Current%20Status%20and%20Technical%20Description%20of%20Chinese%202x250MWth%20HTR-PM%20Demonstration%20Plant.pdf makalesinden alınmıştır.

[4] http://www.world-nuclear.org/info/Country-Profiles/Countries-A-F/China–Nuclear-Power/ sayfasında 2x100MW kurulu gücünde ilk santralin yatırım maliyeti 788 milyon dolar olarak verilmiştir.

[5] http://www.forbes.com/sites/michaelkanellos/2011/10/13/mini-nukes-back-from-grave-as-fluor-invests-in-nuscale-power/ internet sayfasından alınmıştır.

[6] http://www.akmeengineering.com/assets/files/SVBR-100%20new%20generation%20power%20plants.pdf sunum dosyasından alınmıştır.

[7] http://www.neimagazine.com/features/featureklt-40s-nuclear-barge-project-still-afloat/ internet sayfasında 1 MW başına 6 milyon dolar yatırım maliyeti belirtilmektedir.

[8] http://www.pacificnuclear.net/pnc/2004-plenaries/Kang.pdf sunum dosyasından alınmıştır.

 

 

 

Paylaş
Share on FacebookTweet about this on TwitterShare on LinkedInShare on VK