Nükleer Santral Nasıl Çalışır? Elektrik Nasıl Üretilir?
Nükleer santraller denildiğinde birçok kişinin aklına doğrudan radyasyon, uranyum ve nükleer reaktör gelir. Ancak nükleer santralde elektrik üretiminin temel mantığı aslında termik santrallere oldukça benzerdir.
En basit anlatımla nükleer santralde ısı üretilir, su ve buhar sistemleri kullanılır, türbin döndürülür ve jeneratör elektrik üretir.
Kömür veya doğal gaz santralinde gerekli ısı yakıtın yakılmasıyla elde edilir. Nükleer santralde ise ısı, reaktör içerisindeki kontrollü nükleer fisyon reaksiyonundan elde edilir.
Peki nükleer santral nasıl çalışır? Uranyumdan elektrik doğrudan mı üretilir? Reaktörde oluşan enerji elektrik enerjisine nasıl dönüştürülür?
Bu yazıda nükleer santrallerin çalışma prensibini adım adım ve teknik detayları mümkün olduğunca anlaşılır şekilde inceleyeceğiz.
Nükleer Santral Nedir?
Nükleer santral, kontrollü nükleer reaksiyonlardan elde edilen ısı enerjisini elektrik enerjisine dönüştüren enerji üretim tesisidir.
Bir nükleer santralin temel bileşenleri genel olarak şunlardır:
- Nükleer reaktör
- Nükleer yakıt
- Soğutucu sistem
- Buhar üretim sistemi
- Buhar türbini
- Jeneratör
- Kondenser
- Soğutma sistemi
- Kontrol ve güvenlik sistemleri
Nükleer reaktör santralin ısı kaynağıdır.
Ancak elektriği doğrudan reaktör üretmez.
Elektrik üretimini gerçekleştiren ekipman jeneratördür.
Reaktörün görevi jeneratörü çalıştıracak enerji dönüşüm zinciri için gerekli ısıyı üretmektir.
Nükleer Santral Elektriği Nasıl Üretir?
Nükleer santralde elektrik üretimini basit şekilde şu sırayla açıklayabiliriz:
- Reaktörde nükleer fisyon gerçekleşir.
- Fisyon sonucunda yüksek miktarda ısı oluşur.
- Isı su veya başka bir soğutucu akışkana aktarılır.
- Buhar üretilir.
- Yüksek basınçlı buhar türbini döndürür.
- Türbin jeneratörü çevirir.
- Jeneratör elektrik üretir.
- Buhar kondenserde tekrar suya dönüştürülür.
- Su sisteme geri gönderilir.
Bu çevrim santral çalıştığı sürece devam eder.
Dolayısıyla nükleer santralde uranyum doğrudan elektriğe dönüşmez.
Nükleer enerji önce ısı enerjisine, ardından mekanik enerjiye ve son olarak elektrik enerjisine dönüştürülür.
Nükleer Fisyon Nedir?
Nükleer fisyon, ağır bir atom çekirdeğinin parçalanmasıdır.
Nükleer reaktörlerde kullanılan yakıtlardan biri uranyumdur.
Özellikle uranyum-235 izotopu fisyon reaksiyonlarında önemlidir.
Bir nötron uranyum-235 çekirdeği tarafından yakalandığında çekirdek kararsız hale gelebilir.
Çekirdek daha küçük atom çekirdeklerine ayrılır.
Bu olay sırasında:
- Isı enerjisi açığa çıkar.
- Yeni nötronlar oluşur.
- Fisyon ürünleri meydana gelir.
Oluşan yeni nötronlar başka uranyum çekirdeklerine çarpabilir.
Böylece yeni fisyon reaksiyonları gerçekleşebilir.
Bu sürece:
Zincirleme reaksiyon
adı verilir.
Nükleer reaktörün temel görevi bu zincirleme reaksiyonu kontrollü şekilde sürdürmektir.
Nükleer Reaktör Neden Patlamıyor?
Nükleer enerji santralindeki reaktör ile nükleer silah aynı çalışma düzenine sahip değildir.
Bir nükleer reaktörde zincirleme reaksiyon kontrollü şekilde yönetilir.
Reaktör içerisindeki nötron miktarı ve reaksiyon hızı kontrol sistemleriyle düzenlenir.
Bu işlemde önemli ekipmanlardan biri kontrol çubuklarıdır.
Kontrol çubukları nötronları absorbe edebilen malzemelerden üretilebilir.
Kontrol çubukları reaktör çekirdeğine daha fazla sokulduğunda daha fazla nötron yakalanır.
Böylece zincirleme reaksiyon yavaşlatılabilir.
Kontrol çubukları geri çekildiğinde daha fazla nötron fisyon reaksiyonlarına katılabilir.
Bu sayede reaktör gücü kontrol edilir.
Ancak bu, nükleer santrallerin kazasız veya risksiz olduğu anlamına gelmez. Reaktör tasarımında soğutma, basınç kontrolü ve acil durum sistemleri kritik öneme sahiptir.
Kontrol Çubukları Ne İşe Yarar?
Kontrol çubukları nükleer reaktörde zincirleme reaksiyonun kontrol edilmesine yardımcı olur.
Bu çubuklarda nötron absorbe edebilen malzemeler kullanılabilir.
Örneğin farklı reaktör tasarımlarında:
- Bor
- Kadmiyum
- Hafniyum
gibi nötron absorpsiyon özelliği bulunan malzemeler kullanılabilir.
Kontrol çubukları reaktör çekirdeğine sokulduğunda serbest nötronların bir bölümü yakalanır.
Bu durum yeni fisyon reaksiyonlarının sayısını azaltabilir.
Reaktörün hızlı şekilde durdurulması gerektiğinde kontrol çubuklarının çekirdeğe hızlı şekilde yerleştirilmesini içeren acil durdurma sistemleri kullanılabilir.
Bu işlem genellikle reaktörün SCRAM edilmesi olarak adlandırılır.
Nükleer Yakıt Nasıl Görünür?
Nükleer santrallerde kullanılan yakıt genellikle doğrudan büyük bir uranyum bloğu şeklinde reaktöre yerleştirilmez.
Birçok reaktör tasarımında uranyum yakıt seramik peletler halinde hazırlanır.
Bu küçük yakıt peletleri uzun metal tüplerin içerisine yerleştirilir.
Bu tüplere:
Yakıt çubuğu
denir.
Çok sayıda yakıt çubuğu bir araya getirilerek:
Yakıt demeti
veya:
Yakıt grubu
oluşturulur.
Reaktör çekirdeğinde çok sayıda yakıt grubu bulunabilir.
Fisyon reaksiyonları yakıt içerisindeki uygun atom çekirdeklerinde gerçekleşir ve açığa çıkan enerji yakıt ile çevresindeki sistemleri ısıtır.
Reaktör Çekirdeği Nedir?
Reaktör çekirdeği nükleer fisyon reaksiyonlarının gerçekleştiği temel bölgedir.
Çekirdek içerisinde reaktör tasarımına bağlı olarak:
- Yakıt grupları
- Kontrol çubukları
- Soğutucu
- Moderatör
gibi bileşenler bulunabilir.
Reaktör çalışırken çekirdek içerisinde büyük miktarda termal enerji oluşur.
Bu ısının sürekli şekilde uzaklaştırılması gerekir.
Bu nedenle reaktör soğutma sistemleri nükleer santralin en kritik sistemleri arasındadır.
Reaktör durdurulsa bile çekirdekte ısı üretimi anında tamamen sıfırlanmaz.
Fisyon ürünlerinin radyoaktif bozunması nedeniyle bozunma ısısı oluşmaya devam eder.
Bu nedenle reaktör kapatıldıktan sonra da soğutma gerekebilir.
Moderatör Nedir?
Nükleer fisyon sırasında oluşan nötronlar yüksek enerjiye sahip olabilir.
Bazı reaktör tasarımlarında fisyon reaksiyonlarının verimli şekilde sürdürülebilmesi için nötronların yavaşlatılması gerekir.
Bu amaçla kullanılan malzemeye:
Moderatör
denir.
Moderatör nötronların hızını azaltmaya yardımcı olur.
Farklı reaktör tasarımlarında moderatör olarak:
- Hafif su
- Ağır su
- Grafit
kullanılabilir.
Her nükleer reaktör aynı moderatör sistemini kullanmaz.
Reaktörün yakıtı ve nötron fiziği tasarım özelliklerine göre değişebilir.
Basınçlı Su Reaktörü Nasıl Çalışır?
Dünyada yaygın kullanılan reaktör tiplerinden biri Basınçlı Su Reaktörü yani PWR sistemidir.
PWR açılımı:
Pressurized Water Reactor
şeklindedir.
Bu sistemde reaktör içerisinden geçen su yüksek basınç altında tutulur.
Yüksek basınç sayesinde su çok yüksek sıcaklıklara ulaşmasına rağmen normal şartlardaki gibi kaynamaz.
Reaktör çekirdeğinden geçen su ısınır.
Bu sıcak su:
Buhar jeneratörüne
gönderilir.
Buhar jeneratöründe reaktör devresindeki sıcak su başka bir su devresine ısı aktarır.
İkinci devredeki su buhara dönüşür.
Oluşan buhar türbine gönderilir.
Neden Reaktör Suyu Doğrudan Türbine Gitmiyor?
Basınçlı su reaktörlerinde birincil ve ikincil devre birbirinden ayrılır.
Birincil devredeki su reaktör çekirdeğinden geçer.
Bu su yüksek sıcaklık ve basınç altında dolaşır.
Buhar jeneratöründe ısısını ikincil devredeki suya aktarır.
İki devrenin suyu normal çalışma sırasında doğrudan birbirine karışmaz.
İkincil devrede üretilen buhar türbine gider.
Bu tasarım reaktör soğutucu devresi ile türbin-buhar sisteminin ayrılmasını sağlar.
Bu nedenle PWR tipi santrallerde türbin reaktör çekirdeğinden gelen suyla doğrudan çalışmaz.
Buhar Jeneratörü Ne İşe Yarar?
Buhar jeneratörü bir ısı eşanjörü gibi çalışır.
Reaktörden gelen yüksek sıcaklıktaki birincil devre suyu buhar jeneratörüne girer.
Isısını ikincil devredeki suya aktarır.
İkincil devredeki su kaynar ve buhar oluşur.
Birincil devre suyu ise reaktör sistemine geri gönderilir.
Bu işlem sürekli olarak devam eder.
Buhar jeneratörü PWR tipi nükleer santrallerde reaktör sistemi ile türbin sistemi arasındaki önemli enerji aktarım ekipmanlarından biridir.
Buhar Türbini Nasıl Elektrik Üretir?
Aslında buhar türbini doğrudan elektrik üretmez.
Yüksek basınçlı ve yüksek sıcaklıktaki buhar türbin kanatlarına yönlendirilir.
Buharın enerjisi türbin rotorunun dönmesini sağlar.
Türbin mili jeneratöre bağlıdır.
Türbin döndüğünde jeneratör rotoru da döner.
Böylece mekanik enerji jeneratöre aktarılır.
Büyük enerji santrallerinde türbin sistemi farklı basınç kademelerinden oluşabilir.
Örneğin:
- Yüksek basınç türbini
- Alçak basınç türbini
gibi farklı türbin bölümleri kullanılabilir.
Buhar enerjisini kademeli şekilde türbin sistemine aktarabilir.
Jeneratör Elektriği Nasıl Üretir?
Jeneratör mekanik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürür.
Türbin jeneratör rotorunu döndürür.
Jeneratör içerisinde manyetik alan ve iletken sistemler arasındaki elektromanyetik etkileşim sonucunda elektrik enerjisi üretilir.
Bu çalışma prensibi elektromanyetik indüksiyona dayanır.
Basit anlatımla:
Reaktör ısı üretir.
Isı buhar üretir.
Buhar türbini döndürür.
Türbin jeneratörü döndürür.
Jeneratör elektrik üretir.
Nükleer santralde elektrik üretiminin temel enerji dönüşüm zinciri budur.
Üretilen Elektrik Doğrudan Şehre mi Gönderilir?
Jeneratörde üretilen elektrik doğrudan evlere gönderilmez.
Elektrik öncelikle santralin elektrik sistemlerinden geçer.
Transformatörler kullanılarak gerilim seviyesi elektrik iletim sistemine uygun hale getirilir.
Yüksek gerilim elektrik enerjisinin uzun mesafelere daha verimli şekilde taşınmasına yardımcı olur.
Elektrik iletim hatları üzerinden şebekeye aktarılır.
Daha sonra farklı trafo merkezlerinde gerilim kademeli olarak düşürülür.
Son kullanıcıya uygun gerilim seviyesinde elektrik dağıtılır.
Türbinden Çıkan Buhara Ne Olur?
Türbinden çıkan buhar doğrudan atmosfere bırakılmaz.
Buhar:
Kondenser
adı verilen ekipmana gönderilir.
Kondenserde buhar soğutulur.
Isısını kaybeden buhar tekrar sıvı suya dönüşür.
Bu işleme:
Yoğuşma
denir.
Oluşan su pompalar yardımıyla tekrar besleme suyu sistemine gönderilir.
Böylece santralde kapalı bir su-buhar çevrimi oluşturulur.
Kondenser Nasıl Çalışır?
Kondenser büyük bir ısı değiştirici sistemidir.
Türbinden çıkan düşük basınçlı buhar kondenser içerisine girer.
Kondenser içerisindeki borulardan soğutma suyu geçebilir.
Buhar ile soğutma suyu normal tasarımda doğrudan karışmaz.
Buhar ısısını boru yüzeyleri üzerinden soğutma suyuna aktarır.
Isısını kaybeden buhar yoğuşarak suya dönüşür.
Kondenserin düşük basınçta çalışması türbin performansı açısından da önemlidir.
Türbin çıkışında düşük basınç oluşturulması buhardan daha fazla enerji alınmasına yardımcı olabilir.
Nükleer Santralde Soğutma Kulesi Ne İşe Yarar?
Soğutma kuleleri santraldeki atık ısının çevreye aktarılmasına yardımcı olur.
Kondenserden geçen soğutma suyu ısınır.
Bu sıcak su soğutma kulesine gönderilebilir.
Soğutma kulesinde suyun bir bölümü buharlaşır.
Buharlaşma sırasında ısı uzaklaştırılır.
Soğuyan su tekrar kondenser sistemine gönderilebilir.
Ancak her nükleer santralde büyük hiperbolik soğutma kuleleri bulunmak zorunda değildir.
Bazı santraller deniz, nehir veya farklı soğutma sistemlerinden yararlanabilir.
Soğutma Kulesinden Çıkan Beyaz Duman Radyasyon mu?
Genellikle hayır.
Soğutma kulelerinin üzerinde görülen beyaz bulut çoğunlukla su buharı ve yoğunlaşmış küçük su damlacıklarıyla ilişkilidir.
Bu görüntü yanma dumanı değildir.
Soğutma kulesi reaktör bacası olarak değerlendirilmemelidir.
Kuledeki temel işlem santralin atık ısısının soğutma suyu sistemi üzerinden atmosfere aktarılmasıdır.
Ancak nükleer tesislerde radyoaktif maddelerin çevresel salımları ayrı izleme ve kontrol sistemlerine tabidir.
Soğutma kulesinden görülen her beyaz bulutu radyasyon olarak değerlendirmek doğru değildir.
Kaynar Su Reaktörü Nasıl Çalışır?
Kaynar Su Reaktörü yani BWR sisteminde çalışma yapısı PWR’dan farklıdır.
BWR açılımı:
Boiling Water Reactor
şeklindedir.
Bu reaktör tipinde su reaktör çekirdeği içerisinde kaynayabilir.
Oluşan buhar doğrudan türbin sistemine gönderilebilir.
Bu nedenle PWR sistemindeki gibi ayrı bir buhar jeneratörü kullanılmayabilir.
Basit karşılaştırma yaparsak:
PWR: Reaktör suyu birincil devrede dolaşır ve buhar jeneratöründe ikinci devreye ısı aktarır.
BWR: Buhar reaktör sistemi içerisinde üretilir ve türbin sistemine gönderilebilir.
Her iki tasarımın da farklı mühendislik ve güvenlik özellikleri bulunur.
VVER Reaktörü Nasıl Çalışır?
VVER, Rusya tarafından geliştirilen basınçlı su reaktörü ailesidir.
VVER açılımı Rusça bir ifadenin kısaltmasıdır ve genel olarak su-su enerjik reaktör anlamında kullanılır.
VVER reaktörleri çalışma prensibi açısından PWR sınıfında değerlendirilebilir.
Reaktör çekirdeğinde oluşan ısı birincil devredeki basınçlı suya aktarılır.
Sıcak birincil devre suyu buhar jeneratörlerine gider.
Buhar jeneratörlerinde ikincil devrede buhar üretilir.
Buhar türbini döndürür.
Türbin jeneratörü çalıştırır ve elektrik üretilir.
Türkiye’deki Akkuyu Nükleer Güç Santrali projesinde VVER-1200 tipi reaktörler kullanılmaktadır.
VVER-1200 Nedir?
VVER-1200 yaklaşık 1200 MW sınıfında elektrik üretim kapasitesine sahip modern bir basınçlı su reaktörü tasarımıdır.
VVER-1200 tasarımında aktif ve pasif güvenlik sistemleri birlikte kullanılabilir.
Reaktör tasarımında:
- Acil çekirdek soğutma sistemleri
- Pasif ısı uzaklaştırma sistemleri
- Koruma kabı
- Reaktör kontrol sistemleri
gibi farklı güvenlik katmanları bulunur.
Bazı VVER-1200 tasarımlarında ağır kaza senaryolarına yönelik kor tutucu sistemi de bulunabilir.
Nükleer Santral Reaktörü Durdurulunca Isı Üretimi Biter mi?
Hayır.
Reaktörde zincirleme fisyon reaksiyonu durdurulduğunda ana güç üretimi hızlı şekilde azalır.
Ancak fisyon ürünleri radyoaktif bozunmaya devam eder.
Bu süreç:
Bozunma ısısı
oluşturur.
Reaktör kapatıldıktan hemen sonra bozunma ısısı önemli seviyede olabilir.
Zaman içerisinde azalır.
Bu nedenle reaktör durdurulduktan sonra da çekirdeğin soğutulması gerekir.
Fukushima kazasında yaşanan temel sorunlardan biri reaktörler durdurulmuş olmasına rağmen bozunma ısısının uzaklaştırılması için gerekli soğutmanın ciddi şekilde kaybedilmesiydi.
Nükleer Santral Neden Sürekli Soğutulmalı?
Reaktör çekirdeğinde çok yüksek miktarda termal enerji oluşur.
Normal çalışma sırasında bu ısı soğutucu sistem tarafından sürekli uzaklaştırılır.
Reaktör kapatıldığında ise bozunma ısısı devam eder.
Yeterli soğutma sağlanamazsa yakıt sıcaklığı yükselir.
Çok ciddi soğutma kaybı senaryolarında yakıt ve reaktör çekirdeği hasar görebilir.
Bu nedenle nükleer santrallerde:
- Ana soğutma sistemleri
- Acil durum soğutma sistemleri
- Yedek güç sistemleri
- Dizel jeneratörler
- Pasif güvenlik sistemleri
gibi farklı güvenlik katmanları kullanılabilir.
Amaç tek bir sistem arızasının doğrudan ciddi çekirdek hasarına dönüşmesini önlemektir.
Nükleer Santral Ne Kadar Elektrik Üretir?
Bir nükleer santralin elektrik üretim kapasitesi kullanılan reaktör sayısına ve reaktör gücüne bağlıdır.
Örneğin yaklaşık 1200 MW elektrik gücüne sahip bir reaktör tam güçte çalışırken teorik olarak saatte yaklaşık:
1200 MWh
elektrik enerjisi üretebilir.
Dört adet 1200 MW sınıfı reaktör bulunan bir santralin toplam kurulu gücü yaklaşık:
4800 MW
olabilir.
Ancak gerçek yıllık elektrik üretimi kapasite faktörü, bakım duruşları ve işletme koşullarına bağlıdır.
Nükleer santraller genellikle yüksek kapasite faktörleriyle baz yük elektrik üretiminde kullanılabilir.
Nükleer Santral ile Termik Santral Arasındaki Fark Nedir?
Nükleer santral ve klasik termik santral elektrik üretim zincirinin belirli bölümlerinde birbirine benzer.
Her iki santralde de:
- Isı üretilir.
- Buhar oluşturulabilir.
- Türbin döndürülür.
- Jeneratör elektrik üretir.
- Buhar kondenserde yoğuşturulur.
Temel fark ısının nasıl üretildiğidir.
Kömür santralinde kömür yakılır.
Doğal gaz santralinde yakıtın kimyasal enerjisinden yararlanılır.
Nükleer santralde ise kontrollü nükleer fisyon reaksiyonu kullanılır.
Bu nedenle nükleer reaktörü çok güçlü ve karmaşık bir ısı kaynağı olarak düşünebilirsiniz.
Nükleer Santral Elektrik Üretiminde Uranyumu Yakıyor mu?
Kimyasal anlamda hayır.
Uranyum kömür veya doğal gaz gibi oksijenle yakılmaz.
Nükleer yakıt içerisinde fisyon reaksiyonları gerçekleşir.
Atom çekirdeklerinin parçalanması sonucunda enerji açığa çıkar.
Bu enerji yakıt ve çevresindeki malzemelerde ısıya dönüşür.
Dolayısıyla günlük dilde “nükleer yakıt yanıyor” ifadesi kullanılabilse de fiziksel süreç klasik yanma reaksiyonundan farklıdır.
Sonuç
Nükleer santraller kontrollü nükleer fisyon reaksiyonundan elde edilen ısı enerjisini kullanarak elektrik üretir.
Reaktör çekirdeğinde fisyon sonucunda ısı oluşur. Bu ısı doğrudan veya bir ısı transfer devresi üzerinden suyun buhara dönüştürülmesinde kullanılır.
Yüksek enerjili buhar türbini döndürür. Türbin jeneratöre mekanik enerji aktarır ve jeneratör elektromanyetik indüksiyon prensibiyle elektrik üretir.
Türbinden çıkan buhar kondenserde tekrar suya dönüştürülür ve çevrim yeniden başlar.
Kısaca nükleer santralde enerji dönüşümü:
Nükleer enerji > Isı enerjisi > Mekanik enerji > Elektrik enerjisi
şeklinde gerçekleşir.
Nükleer santrali diğer termik enerji santrallerinden ayıran temel özellik elektrik üretim yöntemi değil, gerekli ısının kontrollü nükleer fisyon reaksiyonundan elde edilmesidir.
