Nükleer Enerji Nedir? Nasıl üretilir?

Nükleer Enerji Nedir? Nasıl üretilir?

Bir nötronun, uranyum gibi ağır bir element atomunun çekirdeğine çarparak yutulması, bunun sonucunda bu atomun kararsız hale gelerek daha küçük iki veya daha fazla farklı çekirdeğe bölünmesi reaksiyonuna fisyon denir. Çok büyük enerjiler açığa çıkaran iki tür nükleer reaksiyon vardır. Bunlar büyük atom çekirdeklerinin parçalanması (fisyon) veya küçük atom çekirdeklerinin birleşmesi (füzyon) reaksiyonlarıdır.

Nükleer enerji denince akla fisyon (çekirdek bölünmesi) sonucu açığa çıkan enerji anlaşılır. Nükleer enerji üretimi sırasında, reaktörlerde Uranyum-235 çekirdeklerine nötronlar çarpar. Bir uranyum-235 çekirdeği, bir nötronu yutarak çok kararsız olan Uranyum-236 haline dönüşür ve hemen bölünür. Ortaya yeni nötronlar ve enerji çıkar. Bu yolla ortaya çıkan enerjiye “nükleer enerji” adı verilmektedir. Yeni ortaya çıkan nötronlar başka Uranyum-235 çekirdeklerine çarparak onların da bölünmesine sebep olur. Bu yolla sürekli bir şekilde enerji üretilmesi sağlanabilir. Bu olaya zincirleme tepkime denir ve nükleer santrallarda “nükleer enerji” bu şekilde elde edilir.

Nükleer Enerjinin sürekli ve düzenli üretim için iki şey öncelikle sağlanmalıdır:

  1. Fisyon reaksiyonunun bire bir (kontrollü bir şekilde) sürdürülmesi
  2. Üretilen ısının uygun şekilde ortamdan çekilmesi.

Bazı izotoplar “fisil”dir, yani yavaş (düşük enerjili, hatta enerjisiz) bir nötron yuttuklarında büyük olasılıkla bölünürler. Fisil izotoplar nükleer enerji üretiminde baş rolü üstlenirler. Her bir fisyon sonucu 2 veya 3 nötron açığa çıkar.

Nükleer reaktör ise fisyon reaksiyonunun bire bir gerçekleşmesini sağlamak üzere tasarımlanır; bunun için her bir fisyon sonucu açığa çıkan 2 veya 3 nötrondan yalnızca birinin tekrar Fisyon yapmasını sağlayacak bir düzenek (reaktör kalbi) oluşturulur. Fazla nötronların fisyon yapmadan yutulması veya sistem dışına kaçması temin edilir. Böylece birim zamanda gerçekleşen Fisyon sayısı kontrol altına alınmış (sabit tutulmuş) olur. Birincil çevrimde (Şekil 3’te kırmızı oklarla gösterilen çevrim) yer alan nükleer yakıt ve diğer malzemeler içerisinde nükleer enerji ısı enerjisine dönüştürülür.

Şekil 1
                                                                                                                                                                                                 Şekil 1
Şekil 2
                                                                                                  Şekil 2

Bu ısı enerjisi buhar üreteciyle ikincil çevrime (Şekilde Buhar üreteci, türbin, yoğuşturucu ve pompa ekipmalarını içeren mavi oklarla gösterilen çevrim) aktarılarak türbin sisteminde kinetik enerjiye ve daha sonra da jeneratör sisteminde elektrik enerjisine dönüştürülür. Türbinden geçen ve enerjisi alınan buhar, soğutma çevrimiyle (Şekil 3’te deniz veya nehir suyundan alınan suyla gerçekleştirilen çevrim) yoğuşturularak tekrar su formuna dönüştürülüp pompa yardımıyla buhar üretecine iletilir.

Reaktör içerisinde meydana gelen kontrollü fisyon tepkimeleri sonucunda açığa çıkan fisyon ürünleri radyoaktiftir ve radyasyon yayınlar. Bu nedenle nükleer santraller, açığa çıkan bu radyoaktif maddelerin ve radyasyonun, normal çalışma veya kaza durumunda reaktör ve santralin dışına çıkmamasını ve çevreden yalıtılarak muhafaza edilmesini sağlamak üzere “Derinliğine Savunma” ilkesine dayandırılarak tasarlanırlar.

Bu ilke, radyoaktif salıma karşı beş fiziksel bariyerin tasarımda yer almasını öngörür.

reaktör çalışma

Şekil 3 Nükleer güç santrallerinin çalışma prensibi (Basınçlı Su Rektörü – PWR)

Şekil 4’de görüldüğü gibi, radyoaktif salıma karşı oluşturulan ilk fiziksel bariyer nükleer yakıtın kendisidir. Nükleer yakıtlar seramik yapıya sahip olduklarından radyoaktif maddeler yakıt içinde tutulur ve nükleer yakıt zarfına ulaşması engellenir. İkinci bariyer, paslanmaz ve mekanik yük ile radyasyona dayanıklı yakıt elemanı zarfıdır. Yakıt elemanı zarfı, radyoaktif salımın birincil çevrime ulaşmasını engeller. Üçüncü ve döndüncü bariyerler, birincil çevrim içerisinde yer alan soğutma suyu ve/veya moderatörler (yavaşlatıcılar) ve reaktör kabıdır (Şekil 3).

Soğutma suyu ve moderatörler, radyoaktif maddelerin reaktör kabına ulaşmasını engellemek için yavaşlatıcı olarak kullanılır. Reaktör kabı ise, radyoaktif maddelerin son bariyer olan koruma kabına ulaşmasını engeller. Koruma kabı, ön gerilimli betondan yapılmıştır ve tek veya çift tasarımlı olmak üzere yaklaşık 1 metre kalınlığındaki duvarlardan oluşur. Bu son fiziksel bariyer, çevreye radyoaktif madde salımını engeller.

fiziksel bariyerler

Şekil 4. Radyoaktif salıma karşı oluşturulan fiziksel bariyerler

 

Yukarıda sayılan bariyerlerin bütünlüğünün ve sağlamlığının korunması için bir takım güvenlik sistemleri tasarımlara eklenmiştir. Bu güvenlik sistemleri yedekli çeşitli ve güvenilir aktif ya da pasif parçalardan (sistemlerden) oluşur.

Özetle; Buhar (veya sıcak gaz) ile elektrik üretimi nükleer enerjiye özgü değildir, tipik bir kömür veya doğal gaz santralinde nasıl ise nükleerde de aşağı yukarı aynıdır. Elektrik üretim sisteminde nükleer reaktör ısı üreteci görevini üstlenmiştir; yani ısı, kömür veya doğal gaz yakarak değil de fisyon yolu ile üretilir, temel farklılık budur.

 

Nükleer reaktör, bir nükleer reaksiyonun (fisyon) kontrollü bir şekilde gerçekleştirilmesini ve bu sırada açığa çıkan ısının sürekli ve düzenli olarak üretimini; güvenli, çevreci ve güvenilir bir şekilde sağlamak üzere tasarımlanmış bir makinedir.

50-60 yıldır kullanılmakta olan bu makineden 2018-Şubat itibariyle 31 ülkede 448 tane, elektrik üretmek üzere işletilmektedir; 58 tane de inşa halindedir.

 

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