Nükleer Reaktör Nedir ve Nasıl Çalışır?

Nükleer reaktör, kontrollü nükleer fisyon reaksiyonlarının gerçekleştirildiği ve ortaya çıkan enerjinin ısı olarak kullanıldığı mühendislik sistemidir. Nükleer enerji santrallerinin en önemli bileşenlerinden biri reaktördür.

Birçok kişi nükleer reaktörün doğrudan elektrik ürettiğini düşünür. Ancak reaktörün temel görevi elektrik üretmek değil, kontrollü şekilde ısı üretmektir.

Nükleer santralde reaktör tarafından üretilen ısı suya veya farklı bir soğutucu akışkana aktarılır. Bu enerji kullanılarak buhar üretilebilir. Buhar türbini döndürür ve türbine bağlı jeneratör elektrik üretir.

Peki nükleer reaktör tam olarak nedir, içerisinde ne bulunur ve zincirleme nükleer reaksiyon nasıl kontrol edilir?

Bu yazıda nükleer reaktörlerin çalışma prensibini adım adım inceleyeceğiz.

Nükleer Reaktör Nedir?

Nükleer reaktör, nükleer zincirleme reaksiyonun kontrollü şekilde başlatıldığı, sürdürüldüğü ve yönetildiği sistemdir.

Reaktör içerisinde nükleer yakıt bulunur.

Birçok güç reaktöründe uranyum tabanlı yakıtlar kullanılır.

Yakıt içerisindeki uygun atom çekirdeklerinde fisyon reaksiyonları gerçekleştiğinde büyük miktarda enerji açığa çıkar.

Bu enerjinin önemli bir bölümü reaktör içerisinde ısıya dönüşür.

Reaktör soğutma sistemi oluşan ısıyı çekirdekten uzaklaştırır.

Nükleer güç santralinde bu ısı elektrik üretim çevriminde kullanılır.

Nükleer Reaktör Elektrik Üretir mi?

Nükleer reaktör doğrudan elektrik üretmez.

Reaktör:

Isı üretir.

Elektrik üretimini gerçekleştiren ekipman:

Jeneratördür.

Nükleer santralde enerji dönüşümü basit şekilde şöyledir:

Nükleer enerji > Isı enerjisi > Mekanik enerji > Elektrik enerjisi

Reaktörde nükleer enerji ısıya dönüşür.

Isı kullanılarak buhar üretilebilir.

Buhar türbini döndürür.

Türbin jeneratörü çevirir.

Jeneratör elektrik üretir.

Bu nedenle nükleer reaktörü santralin yüksek güçlü ısı kaynağı olarak düşünebilirsiniz.

Nükleer Fisyon Nasıl Gerçekleşir?

Nükleer fisyon ağır bir atom çekirdeğinin daha küçük çekirdeklere ayrılmasıdır.

Nükleer reaktörlerde önemli fisil izotoplardan biri:

Uranyum-235

izotopudur.

Bir nötron uranyum-235 çekirdeği tarafından yakalanabilir.

Çekirdek kararsız hale gelir.

Ardından daha küçük fisyon ürünlerine ayrılır.

Bu olay sırasında:

• Enerji açığa çıkar.
• Yeni nötronlar oluşur.
• Fisyon ürünleri meydana gelir.

Yeni oluşan nötronlar başka fisil çekirdeklere ulaşabilir.

Böylece yeni fisyon reaksiyonları gerçekleşebilir.

Bu sürece:

Zincirleme reaksiyon

denir.

Zincirleme Reaksiyon Nedir?

Bir fisyon reaksiyonu sonucunda ortaya çıkan nötronların yeni fisyon reaksiyonlarına neden olması zincirleme reaksiyonun temelini oluşturur.

Basit bir örnek düşünelim.

Bir atom çekirdeği fisyona uğrar.

Yeni nötronlar oluşur.

Bu nötronlardan biri başka bir fisil çekirdekte yeni fisyon oluşturur.

Yeni fisyon tekrar nötron üretir.

Bu süreç devam edebilir.

Ancak reaktörde amaç reaksiyonun kontrolsüz şekilde hızlanması değildir.

Reaktör yaklaşık kararlı güçte çalışırken zincirleme reaksiyon kontrollü tutulur.

Nötron nüfusunun ve reaktivitenin yönetilmesi reaktör kontrolünün temel konularından biridir.

Kritik, Kritik Altı ve Kritik Üstü Reaktör Ne Demek?

Nükleer reaktör fiziğinde:

Kritik

ifadesi tehlikeli veya patlamak üzere anlamına gelmez.

Reaktör kritik olduğunda zincirleme reaksiyon kararlı şekilde sürdürülebilir.

Basit anlatımla bir fisyon neslinden diğerine nötron nüfusu yaklaşık sabit kalır.

Kritik altı durumda nötron nüfusu ve fisyon reaksiyonları zamanla azalır.

Kritik durumda reaksiyon kararlı şekilde sürdürülebilir.

Kritik üstü durumda nötron nüfusu artabilir ve reaktör gücü yükselebilir.

Reaktör kontrol sistemleri reaktiviteyi yöneterek güç seviyesini kontrol eder.

Güç reaktörünün normal çalışması kontrollü reaktivite yönetimine dayanır.

Nükleer Yakıt Nedir?

Nükleer yakıt reaktörde fisyon reaksiyonlarının gerçekleşebildiği yakıt malzemesidir.

Birçok ticari nükleer reaktörde uranyum dioksit kullanılabilir.

Uranyum dioksit seramik yapıda yakıt peletleri haline getirilebilir.

Bu peletler küçük silindirik parçalar şeklindedir.

Yakıt peletleri uzun metal tüpler içerisine yerleştirilir.

Bu tüplere:

Yakıt çubuğu

denir.

Çok sayıda yakıt çubuğu belirli bir düzen içerisinde bir araya getirilir.

Böylece:

Yakıt grubu

veya:

Yakıt demeti

oluşturulur.

Reaktör çekirdeğinde çok sayıda yakıt grubu bulunabilir.

Yakıt Çubuğu Nedir?

Yakıt çubuğu nükleer yakıt peletlerini içerisinde tutan uzun metal yapıdır.

Yakıt kaplamasında reaktör tasarımına göre farklı alaşımlar kullanılabilir.

Hafif su reaktörlerinde zirkonyum bazlı alaşımlar yaygın olarak kullanılabilir.

Yakıt kaplamasının önemli görevlerinden biri fisyon ürünlerinin soğutucuya geçişini sınırlayan fiziksel bariyer oluşturmaktır.

Yakıt çubuğu reaktör güvenliğindeki ilk önemli bariyerlerden biridir.

Normal çalışma sırasında yakıt çubukları soğutucu ile çevrilidir.

Yakıt içerisinde oluşan ısı kaplama üzerinden soğutucuya aktarılır.

Reaktör Çekirdeği Nedir?

Reaktör çekirdeği nükleer fisyon reaksiyonlarının gerçekleştiği bölgedir.

Çekirdekte reaktör tasarımına bağlı olarak:

• Yakıt grupları
• Kontrol çubukları
• Soğutucu
• Moderatör

bulunabilir.

Reaktör çekirdeği çok yüksek güç yoğunluğuna sahip bir sistem olabilir.

Bu nedenle oluşan ısının sürekli uzaklaştırılması gerekir.

Soğutucu akışkan çekirdek içerisinden geçerek yakıttan ısı alır.

Isınan soğutucu reaktör tipine göre doğrudan veya dolaylı şekilde enerji üretim çevrimine ısı aktarır.

Reaktör Soğutucusu Nedir?

Reaktör soğutucusu çekirdekte oluşan ısıyı uzaklaştırmak için kullanılan akışkandır.

Farklı reaktör tasarımlarında farklı soğutucular kullanılabilir.

Örneğin:

• Hafif su
• Ağır su
• Gaz
• Sıvı metal
• Erimiş tuz

farklı reaktör teknolojilerinde değerlendirilebilir.

Dünyada yaygın kullanılan basınçlı su reaktörlerinde su hem soğutucu hem de nötron moderasyonu açısından önemli rol oynayabilir.

Soğutucu çekirdekten ısı alır.

Bu ısı enerji üretim sistemine aktarılır.

Moderatör Nedir?

Nükleer fisyon sırasında oluşan nötronlar yüksek enerjiye sahip olabilir.

Bazı reaktörlerde nötronların yavaşlatılması fisyon reaksiyonlarının sürdürülebilmesi açısından önemlidir.

Nötronları yavaşlatmak için kullanılan malzemeye:

Moderatör

denir.

Moderatör nötronların enerjisini çarpışmalar yoluyla azaltabilir.

Bazı reaktörlerde moderatör olarak:

• Hafif su
• Ağır su
• Grafit

kullanılabilir.

Her reaktör moderatör kullanmak zorunda değildir.

Hızlı nötron reaktörlerinde nötronların termal seviyelere kadar yavaşlatılması amaçlanmaz.

Kontrol Çubukları Nedir?

Kontrol çubukları reaktörde nötron nüfusunun ve reaktivitenin kontrol edilmesine yardımcı olan ekipmanlardır.

Nötron absorbe edebilen malzemelerden üretilebilir.

Reaktör tasarımına göre:

• Bor
• Kadmiyum
• Hafniyum

içeren malzemeler kullanılabilir.

Kontrol çubukları çekirdeğe daha fazla sokulduğunda daha fazla nötron absorbe edilebilir.

Bu durum fisyon reaksiyonlarının sayısını azaltabilir.

Kontrol çubukları belirli ölçüde geri çekildiğinde daha fazla nötron zincirleme reaksiyona katılabilir.

Bu yöntem reaktör gücünün kontrolünde kullanılan araçlardan biridir.

Kontrol Çubukları Tamamen Sokulursa Ne Olur?

Kontrol çubuklarının çekirdeğe hızlı şekilde yerleştirilmesi zincirleme fisyon reaksiyonunu durdurmak veya çok hızlı şekilde azaltmak için kullanılabilir.

Bu acil durdurma işlemi:

SCRAM

olarak bilinir.

SCRAM sırasında reaktör koruma sistemi kontrol çubuklarının çekirdeğe hızlı şekilde girmesini sağlayabilir.

Ana fisyon gücü hızla düşer.

Ancak reaktörün ısı üretimi tamamen sıfırlanmaz.

Fisyon ürünleri radyoaktif bozunmaya devam eder.

Bu nedenle:

Bozunma ısısı

oluşur.

Reaktör SCRAM sonrasında da soğutulmalıdır.

Bozunma Isısı Nedir?

Bozunma ısısı reaktör durdurulduktan sonra radyoaktif fisyon ürünlerinin bozunması sonucunda oluşan ısıdır.

Zincirleme reaksiyon durdurulmuş olsa bile fisyon ürünleri radyoaktiftir.

Bu izotoplar bozunurken enerji açığa çıkarır.

Reaktör kapatıldıktan hemen sonra bozunma ısısı önemli seviyede olabilir.

Zaman geçtikçe azalır.

Ancak tamamen anında ortadan kalkmaz.

Bu nedenle nükleer santral güvenliğinde reaktör kapatma işlemi tek başına yeterli değildir.

Çekirdek soğutmasının devam etmesi gerekir.

Reaktör Basınç Kabı Nedir?

Basınçlı su reaktörlerinde reaktör çekirdeği büyük bir basınç kabı içerisinde bulunur.

Bu ekipman:

Reactor Pressure Vessel

olarak adlandırılır.

Reaktör basınç kabı yüksek basınç ve sıcaklık koşullarına dayanacak şekilde tasarlanır.

İçerisinde:

• Reaktör çekirdeği
• Yakıt grupları
• İç yapılar

bulunabilir.

Basınç kabı reaktör soğutucu sisteminin basınç sınırının önemli parçalarından biridir.

Çok kalın çelik yapılardan üretilebilir.

PWR Nükleer Reaktör Nasıl Çalışır?

PWR yani:

Pressurized Water Reactor

dünyada yaygın kullanılan reaktör tiplerinden biridir.

Türkçe adı:

Basınçlı Su Reaktörü

şeklindedir.

Reaktör çekirdeğinden yüksek basınçlı su geçirilir.

Su yakıt çubuklarından ısı alır.

Yüksek basınç nedeniyle su çok yüksek sıcaklıklara ulaşmasına rağmen birincil devrede kaynaması sınırlandırılır.

Sıcak su buhar jeneratörüne gider.

Buhar jeneratöründe ikincil devredeki suya ısı aktarılır.

İkincil devrede buhar üretilir.

Buhar türbini döndürür.

Türbin jeneratörü çalıştırır.

BWR Nükleer Reaktör Nasıl Çalışır?

BWR yani:

Boiling Water Reactor

Türkçe adıyla:

Kaynar Su Reaktörü

farklı bir çalışma sistemine sahiptir.

BWR reaktöründe su çekirdek içerisinde kaynayabilir.

Oluşan buhar reaktör sisteminden türbine gönderilebilir.

Bu nedenle PWR sistemindeki gibi ayrı bir buhar jeneratörü bulunmayabilir.

BWR sisteminde reaktör buhar üretim çevrimiyle daha doğrudan bağlantılıdır.

PWR ve BWR hafif su reaktörleri arasında en yaygın kullanılan tasarımlardandır.

VVER Nükleer Reaktörü Nedir?

VVER, Sovyetler Birliği ve daha sonra Rusya tarafından geliştirilen basınçlı su reaktörü ailesidir.

Çalışma prensibi açısından PWR sınıfında değerlendirilir.

VVER reaktöründe su yüksek basınç altında reaktör çekirdeğinden geçirilir.

Su çekirdekten ısı alır.

Sıcak birincil devre suyu buhar jeneratörlerine gönderilir.

Buhar jeneratöründe ikincil devre buharı üretilir.

Buhar türbine gider ve jeneratör elektrik üretir.

Türkiye’deki Akkuyu Nükleer Güç Santrali projesinde VVER-1200 tipi reaktörler kullanılmaktadır.

Reaktör Gücü Nasıl Artırılır?

Reaktör gücü reaktivite ve nötron nüfusu kontrol edilerek değiştirilebilir.

Kontrol çubuklarının konumu bu işlemin araçlarından biridir.

Ayrıca bazı basınçlı su reaktörlerinde soğutucu içerisindeki çözünmüş bor konsantrasyonu reaktivite kontrolünde kullanılabilir.

Kontrol çubuklarının uygun şekilde hareket ettirilmesi ve diğer reaktivite kontrol sistemleriyle nötron davranışı yönetilir.

Reaktör gücü rastgele veya aniden artırılmaz.

Güç değişimleri belirli işletme prosedürleri ve güvenlik sınırları içerisinde gerçekleştirilir.

Borlu Su Nükleer Reaktörde Neden Kullanılır?

Bazı PWR ve VVER reaktörlerinde birincil devre suyunda çözünmüş bor kullanılabilir.

Bor nötron absorbe edebilir.

Soğutucu içerisindeki bor konsantrasyonu değiştirilerek reaktivite kontrolüne yardımcı olunabilir.

Bor konsantrasyonu yüksek olduğunda daha fazla nötron absorbe edilebilir.

Konsantrasyon azaltıldığında reaktivite artabilir.

Bu yöntem:

Kimyasal shim

olarak bilinen reaktivite kontrol yaklaşımının bir parçasıdır.

Kontrol çubuklarıyla birlikte reaktörün uzun dönem güç ve yakıt yönetiminde kullanılabilir.

Nükleer Reaktör Kaç Derecede Çalışır?

Reaktör çalışma sıcaklığı reaktör tipine göre değişir.

Basınçlı su reaktörlerinde birincil devre suyu yaklaşık 300°C seviyelerinin üzerinde olabilir.

Ancak yüksek basınç nedeniyle su birincil devrede normal atmosfer koşullarındaki gibi kaynamaz.

PWR sistemlerinde basınç yaklaşık 15 MPa seviyelerinde olabilir.

Kesin sıcaklık ve basınç değerleri reaktör modeline göre değişir.

Bu nedenle tüm nükleer reaktörler için tek bir çalışma sıcaklığı vermek doğru değildir.

Nükleer Reaktör Neden Sürekli Soğutulmalıdır?

Reaktör çalışırken fisyon reaksiyonları çok yüksek miktarda ısı üretir.

Bu ısı yakıttan sürekli uzaklaştırılmalıdır.

Aksi durumda yakıt sıcaklığı hızla yükselebilir.

Reaktör durdurulduktan sonra da bozunma ısısı devam eder.

Bu nedenle soğutma sistemi reaktör güvenliğinin en kritik bileşenlerinden biridir.

Nükleer kazalarda en ciddi senaryolardan biri:

Loss of Coolant Accident

yani:

Soğutucu Kaybı Kazası

olarak bilinir.

Soğutucu kaybı durumunda acil çekirdek soğutma sistemleri devreye girebilir.

Reaktör Çekirdeği Erirse Ne Olur?

Ciddi ve uzun süreli soğutma kaybında yakıt sıcaklığı aşırı seviyelere ulaşabilir.

Yakıt çubukları hasar görebilir.

Çekirdek yapıları erimeye başlayabilir.

Bu duruma:

Çekirdek erimesi

denir.

Erimiş yakıt ve reaktör malzemelerinden oluşan karışıma:

Corium

adı verilir.

Modern reaktörlerde ağır kaza yönetim sistemleri bulunabilir.

Bazı tasarımlarda:

Core Catcher

yani:

Kor tutucu

kullanılır.

Kor tutucu ağır kaza senaryosunda erimiş çekirdek malzemesini belirli bir bölgede tutmaya ve soğutmaya yardımcı olmak için tasarlanmıştır.

Nükleer Reaktör Atom Bombası Gibi Patlar mı?

Bir nükleer güç reaktörü atom bombası gibi nükleer patlama oluşturacak şekilde tasarlanmamıştır.

Reaktör yakıtının zenginleştirme seviyesi ve fiziksel düzeni nükleer silahlardan farklıdır.

Ancak reaktör kazalarında:

• Buhar patlaması
• Hidrojen patlaması
• Basınç kaynaklı hasar

gibi fiziksel veya kimyasal olaylar yaşanabilir.

Fukushima’daki reaktör binalarında görülen patlamalar nükleer bomba patlaması değildi.

Hidrojen birikimiyle ilişkili kimyasal patlamalardı.

Nükleer Reaktör Ne Kadar Süre Çalışır?

Nükleer güç reaktörleri uzun süre kesintisiz elektrik üretmek için tasarlanabilir.

Reaktör yakıtı her gün değiştirilmez.

Belirli işletme döngülerinden sonra santral yakıt değişimi ve bakım için durdurulur.

Bazı reaktörlerde yaklaşık 12-24 aylık yakıt çevrimleri kullanılabilir.

Yakıt değişimi sırasında çekirdekteki tüm yakıt aynı anda değiştirilmek zorunda değildir.

Kullanılmış yakıt gruplarının bir bölümü çıkarılır.

Yeni yakıt grupları eklenir.

Kalan yakıt gruplarının çekirdek içerisindeki konumları yakıt yönetim planına göre düzenlenebilir.

Nükleer Reaktörün Ömrü Kaç Yıldır?

Nükleer reaktörlerin tasarım ömrü reaktör modeline göre değişir.

Eski santraller farklı tasarım ömürlerine sahip olabilir.

Modern reaktörler 60 yıl gibi uzun tasarım işletme ömürleriyle geliştirilebilir.

Belirli tesislerde gerekli güvenlik değerlendirmeleri ve modernizasyon çalışmalarıyla işletme süresinin uzatılması mümkün olabilir.

Ancak reaktör ömrü yalnızca takvim yılına bağlı değildir.

Basınç kabı yaşlanması, malzeme özellikleri, boru sistemleri ve diğer kritik ekipmanlar sürekli izlenir.

Sonuç

Nükleer reaktör, kontrollü nükleer fisyon reaksiyonlarının gerçekleştirildiği ve ortaya çıkan enerjinin ısıya dönüştürüldüğü sistemdir.

Reaktör doğrudan elektrik üretmez. Reaktörde üretilen ısı enerji üretim çevrimine aktarılır. Buhar türbini döndürür ve jeneratör elektrik üretir.

Reaktör çekirdeğinde yakıt grupları bulunur. Fisyon reaksiyonları sonucunda enerji ve yeni nötronlar ortaya çıkar. Zincirleme reaksiyon kontrol çubukları ve diğer reaktivite kontrol sistemleriyle yönetilir.

Reaktör durdurulduktan sonra bile bozunma ısısı oluşmaya devam ettiği için çekirdeğin soğutulması gerekir.

PWR, BWR ve VVER gibi farklı nükleer reaktör tasarımları bulunsa da temel amaç aynıdır: nükleer enerjiyi kontrollü şekilde ısı enerjisine dönüştürmek ve bu enerjiden güvenli şekilde yararlanmaktır.