Nükleer Yakıt

Günümüzde çalışmakta olan reaktörlerin % 85’ini oluşturan “Hafif-Sulu Reaktörler”in (Light Water Reactor-LWR) yakıtı tasarım gereği % 3 – 5 oranında fisil izotop içermelidir, aksi halde fisyon zincir reaksiyonunun gerçekleşmesi sağlanamaz. (Günümüz reaktörlerinin % 10 kadarı CANDU tipi ağır-sulu reaktörlerdir; bu reaktörler doğal uranyumu yakıt olarak kullanırlar.)Doğadaki tek fisil izotop (gerçek anlamda nükleer reaktör yakıtı) uranyum-235’tir; U-235’in doğal uranyum içindeki oranı binde 7’dir, doğal U’un kalan binde 993’lük kısmını U-238 oluşturur. Doğal Uranyum kullanarak LWR yakıtı yapmak için binde 7 oranını % 3 – 5 aralığına getirmek gerekir; bu işlem “zenginleştirme” olarak adlandırılır. (Zenginleştirme yoluyla % 90’ın üzerinde U-235 içeren, silah malzemesi kalitesinde, ürün elde etmek de mümkündür.)

 Tipik bir LWR yakıtının % 95-97’lik kısmını oluşturan U-238 fisil değildir, ama “doğurgan”dır; nükleer reaktörde plütonyum-239’a dönüşür. Pu-239 fisil bir izotoptur ve reaktörde bir yandan oluşurken bir yandan da fisyon yaparak enerji üretiminde rol oynar. Element olarak doğada bulunmayan Pu’un en önemli izotopu olan Pu-239 nükleer reaktörlerde U-238’den üretilerek güç üretimine % 40’a varan katkıda bulunur.

Nükleer yakıt üretimi aşamasında, % 3-5 zenginlikte U içeren uranyum-dioksit bileşiği önce seramik yapıda küçük silindirik tabletler (küçük parmağımızın üst boğumundan birazcık daha küçük) haline getirilir. Sonra bu tabletler, uzun (3.5-4.0 metre), ince (yaklaşık 1 cm çapında), metal (bir zirkonyum alaşımı) çubuklara doldurulur ve çubuklar bir kare prizma (bir kenarı yaklaşık 30 cm) oluşturacak şekilde uygun aralıklarla dizilerek yakıt demetleri oluşturulur. Soğutma suyu çubukların arasından sürekli geçerek fisyon sonucu açığa çıkan ısıyı çeker ve çubuk yüzeyinin sabit bir sıcaklıkta kalmasını sağlar.

fuel rod
Resim1: Nükleer yakıtın asıl kaynağı olan seramik şeklindeki uranyum peletler zirkonyum yakıt çubuğunun içinde görülüyor.

LWR tipi reaktörlerin dörtte üçünü oluşturan Basınçlı Su Reaktörlerinde 120-190 kadar yakıt demeti ve her demette 220-260 arası yakıt çubuğu bulunur; reaktör kalbindeki toplam yakıt çubuğu sayısı 25-50 bin kadardır. Yakıtın içerdiği fisil izotop oranı belli bir düzeyin altına düşünce artık fisyon zincir reaksiyonunu sürdürmek olanaksız hale gelir; bu durumda yakıt değiştirmek gerekir. Tipik olarak 1000 MWe (megavat-elektrik) gücündeki bir LWR’de 90 ton kadar uranyum-dioksit bulunur, bunun üçte biri her sene “kullanılmış nükleer yakıt” (KNY) olarak reaktörden alınır ve yerine taze yakıt konur. Yakıtın reaktörde kalma süresi 3-4 yıl kadardır.1000 MWe gücündeki bir LWR, her yıl 30 ton hafif zenginleştirilmiş (% 3–5) uranyum-dioksit ile beslenerek 7.5 milyar kWh (kilovat-saat) kadar elektrik üretir.

nükleer yakıt demeti
Resim 2
reaktör kalbi
Resim 3: Yakıt demetlerinin nükleer reaktör içinde görünümü (Akkuyu Nükleer Santralinde 163 yakıt demeti olacak)
VVER_reaktör kalbi
VVER tipi reaktör
Paylaş
Share on FacebookTweet about this on TwitterShare on LinkedInShare on VK