Nükleer Santrallerde Soğutma Sistemi Nasıl Çalışır?

Nükleer santrallerde en kritik sistemlerden biri soğutma sistemidir. Reaktör çekirdeğinde gerçekleşen kontrollü nükleer fisyon reaksiyonları çok yüksek miktarda ısı üretir ve bu ısının sürekli olarak çekirdekten uzaklaştırılması gerekir.

Bir nükleer reaktör durdurulduğunda bile soğutma ihtiyacı tamamen ortadan kalkmaz. Zincirleme fisyon reaksiyonu büyük ölçüde durdurulsa da fisyon ürünlerinin radyoaktif bozunması nedeniyle bozunma ısısı oluşmaya devam eder.

Bu nedenle nükleer santrallerde soğutma sistemi yalnızca elektrik üretimi için değil, aynı zamanda reaktör güvenliği için de kritik öneme sahiptir.

Peki nükleer santrallerde soğutma sistemi nasıl çalışır? Reaktör suyu neden kaynamaz, soğutma kuleleri ne işe yarar ve reaktör soğutulamazsa ne olur?

Bu yazıda nükleer santrallerin soğutma sistemlerini adım adım inceleyeceğiz.

Nükleer Santralde Soğutma Sistemi Ne İşe Yarar?

Nükleer santralde soğutma sisteminin temel görevi reaktör çekirdeğinde oluşan ısıyı uzaklaştırmaktır.

Reaktör çekirdeğinde bulunan yakıt çubuklarında nükleer fisyon gerçekleşir.

Fisyon sonucunda açığa çıkan enerji yakıt içerisinde ısıya dönüşür.

Bu ısı:

Yakıt peleti

↓

Yakıt kaplaması

↓

Reaktör soğutucusu

sırasıyla aktarılır.

Soğutucu akışkan yakıt çubuklarının çevresinden geçer.

Yakıt çubuklarından ısı alır.

Isınan soğutucu reaktör tipine göre bu ısıyı doğrudan veya dolaylı şekilde elektrik üretim çevrimine taşır.

Nükleer Reaktör Neden Sürekli Soğutulmalıdır?

Reaktör çalışırken çok yüksek termal güç üretir.

Örneğin yaklaşık 1000-1200 MW elektrik gücü üreten bir nükleer ünitenin reaktör termal gücü birkaç bin megavat seviyesinde olabilir.

Elektrik üretim çevrimi reaktörde oluşan ısının tamamını elektriğe dönüştüremez.

Isının bir bölümü elektrik enerjisine çevrilir.

Kalan büyük miktardaki ısı çevreye atılmalıdır.

Bu nedenle nükleer santraller büyük soğutma sistemlerine ihtiyaç duyar.

Ancak soğutmanın tek amacı santralin verimli çalışmasını sağlamak değildir.

Yakıt çubuklarının güvenli sıcaklık sınırlarında tutulması için çekirdek soğutmasının devam etmesi gerekir.

Reaktör Durdurulunca Isı Üretimi Biter mi?

Hayır.

Reaktör hızlı şekilde durdurulduğunda kontrol çubukları çekirdeğe girer.

Zincirleme fisyon reaksiyonu büyük ölçüde durdurulur.

Reaktör gücü çok hızlı şekilde düşer.

Ancak yakıt içerisindeki fisyon ürünleri radyoaktif bozunmaya devam eder.

Bu süreç enerji açığa çıkarır.

Ortaya çıkan ısıya:

Bozunma ısısı

veya:

Decay Heat

denir.

Reaktör kapatıldıktan hemen sonra bozunma ısısı hâlâ önemli seviyededir.

Zaman içerisinde azalır.

Ancak anında sıfıra düşmez.

Bu nedenle kapatılmış bir nükleer reaktörün de soğutulması gerekir.

Nükleer Santral Soğutma Sistemi Nasıl Çalışır?

Basınçlı su reaktörünü örnek alırsak temel ısı akışı şu şekildedir:

Reaktör çekirdeği

↓

Birincil devre

↓

Buhar jeneratörü

↓

İkincil devre

↓

Türbin

↓

Kondenser

↓

Soğutma suyu sistemi

Reaktör çekirdeğinde üretilen ısı birincil devre suyuna aktarılır.

Birincil devre suyu buhar jeneratörüne gider.

Buhar jeneratöründe ikincil devredeki suya ısı aktarılır.

İkincil devrede buhar oluşur.

Buhar türbini döndürür.

Türbinden çıkan buhar kondenserde tekrar suya dönüştürülür.

Kondenserdeki fazla ısı üçüncü bir soğutma suyu sistemiyle çevreye atılır.

Birincil Soğutma Devresi Nedir?

Birincil devre reaktör çekirdeğiyle doğrudan bağlantılı olan kapalı su sistemidir.

Basınçlı su reaktörlerinde birincil devre suyu yüksek basınç altında tutulur.

Su reaktör çekirdeğinden geçerken yakıt çubuklarından ısı alır.

Isınan su reaktörden çıkar.

Buhar jeneratörüne gider.

Buhar jeneratöründe ısısının bir bölümünü ikincil devreye aktarır.

Soğuyan su tekrar reaktöre döner.

Temel çevrim:

Reaktör

↓

Buhar jeneratörü

↓

Ana sirkülasyon pompası

↓

Reaktör

şeklindedir.

Birincil Devre Suyu Neden Kaynamaz?

Basınçlı su reaktörlerinde birincil devre suyu yaklaşık 300°C seviyelerinin üzerine çıkabilir.

Normal atmosfer basıncında su bu sıcaklıklarda buhar halinde olurdu.

Ancak birincil devre çok yüksek basınç altında çalışır.

PWR ve VVER tipi reaktörlerde birincil devre basıncı yaklaşık:

15-16 MPa

seviyelerinde olabilir.

Yüksek basınç suyun kaynama sıcaklığını yükseltir.

Bu nedenle su yüksek sıcaklığa rağmen sıvı halde tutulabilir.

Amaç suyun reaktör çekirdeğinden buhar jeneratörüne yüksek miktarda ısı taşımasını sağlamaktır.

Ana Sirkülasyon Pompası Ne İşe Yarar?

Ana sirkülasyon pompaları birincil devre suyunun sürekli dolaşmasını sağlar.

Pompa suyu reaktör ve buhar jeneratörü arasında hareket ettirir.

Su reaktör çekirdeğinden geçer.

Isı alır.

Buhar jeneratörüne gider.

Isısını aktarır.

Tekrar reaktöre döner.

Büyük güç reaktörlerinde çok yüksek miktarda su dolaştırılması gerekir.

Bu nedenle ana sirkülasyon pompaları büyük ve yüksek güçlü ekipmanlardır.

Bir pompanın durması durumunda reaktör koruma sistemleri durumu değerlendirir ve gerekli güç azaltma veya reaktör durdurma işlemleri gerçekleştirilebilir.

VVER-1200 Soğutma Sistemi Nasıl Çalışır?

VVER-1200 basınçlı su reaktörü sınıfındadır.

Birincil devrede yüksek basınçlı su kullanılır.

VVER-1200 tasarımlarında reaktör dört ana soğutma çevrimine bağlanabilir.

Her çevrimde temel olarak:

• Ana sirkülasyon boruları
• Buhar jeneratörü
• Ana sirkülasyon pompası

bulunur.

Reaktörden çıkan sıcak birincil devre suyu dört çevrim üzerinden buhar jeneratörlerine gider.

Buhar jeneratörlerinde ısı ikincil devreye aktarılır.

Soğuyan su ana sirkülasyon pompalarıyla tekrar reaktöre gönderilir.

Bu çevrim reaktörün normal çalışması sırasında sürekli devam eder.

Buhar Jeneratörü Soğutma Sisteminin Parçası mı?

Evet.

Buhar jeneratörü PWR ve VVER tipi reaktörlerde reaktör ısısının birincil devreden ikincil devreye aktarılmasını sağlar.

Reaktörden gelen sıcak birincil devre suyu buhar jeneratörüne girer.

İkincil devredeki suya ısı aktarır.

İki su devresi normal çalışma sırasında birbirine karışmaz.

İkincil devredeki su kaynar.

Buhar oluşur.

Buhar türbine gönderilir.

Birincil devre suyu ise tekrar reaktöre döner.

Bu nedenle buhar jeneratörü hem elektrik üretim çevriminin hem de reaktörden ısı uzaklaştırma sisteminin önemli bir parçasıdır.

İkincil Devre Nedir?

İkincil devre buharın üretildiği ve türbinin çalıştırıldığı su-buhar çevrimidir.

Buhar jeneratöründeki su ısı alır.

Kaynar.

Buhara dönüşür.

Buhar yüksek basınçla türbine gönderilir.

Türbin kanatlarına çarpan buhar türbin milini döndürür.

Türbine bağlı jeneratör elektrik üretir.

Türbinden çıkan buhar kondenser sistemine gider.

Kondenserde tekrar suya dönüştürülür.

Su besleme pompalarıyla tekrar buhar jeneratörüne gönderilir.

Kondenser Nedir ve Ne İşe Yarar?

Kondenser türbinden çıkan buharı tekrar suya dönüştüren büyük bir ısı eşanjörüdür.

Türbinden çıkan buhar enerjisinin önemli bir bölümünü kaybetmiştir.

Ancak hâlâ buhar halindedir.

Kondenserde soğuk su boruları bulunabilir.

Türbin buharı bu soğuk yüzeylerle temas eden bölgelerde ısısını kaybeder.

Buhar yoğuşur.

Tekrar sıvı suya dönüşür.

Yoğuşan su enerji üretim çevrimine geri gönderilir.

Kondenser aynı zamanda türbin çıkışında düşük basınç oluşturulmasına yardımcı olur.

Bu durum türbin verimini artırabilir.

Nükleer Santralde Üçüncü Soğutma Devresi Var mı?

Birçok nükleer santralde kondenser ısısını çevreye atan ayrı bir soğutma suyu sistemi bulunur.

Bu sistem bazen basit anlatımlarda:

Üçüncü devre

olarak ifade edilir.

Soğutma suyu:

• Denizden
• Nehirden
• Gölden
• Soğutma kulesi çevriminden

sağlanabilir.

Soğutma suyu kondenserden geçer.

Türbin buharından gelen ısıyı alır.

Daha sonra ısı çevreye aktarılır.

Bu su normal çalışma koşullarında reaktör çekirdeğiyle doğrudan temas etmez.

Soğutma Kulesi Ne İşe Yarar?

Soğutma kuleleri santraldeki fazla ısının atmosfere atılmasına yardımcı olur.

Kondenserden çıkan sıcak soğutma suyu kuleye gönderilir.

Su kule içerisinde hava ile temas eder.

Suyun küçük bir bölümü buharlaşır.

Buharlaşma sırasında ısı alınır.

Kalan su soğur.

Soğuyan su tekrar kondenser sistemine gönderilebilir.

Soğutma kulesinin üzerinde görülen büyük beyaz bulut çoğunlukla:

Su buharı ve yoğunlaşmış küçük su damlacıklarıdır.

Bu görüntü reaktörden radyasyon çıktığı anlamına gelmez.

Soğutma Kulesinden Radyasyon Çıkar mı?

Normal çalışma koşullarında soğutma kulesinden çıkan beyaz bulut radyoaktif duman değildir.

PWR tipi santrallerde reaktör birincil devresi, türbin çevrimi ve kondenser soğutma sistemi farklı devrelerdir.

Soğutma kulesi kondenser soğutma suyuyla bağlantılı olabilir.

Bu su reaktör çekirdeğinden geçmez.

Kule üzerinde görülen beyaz görüntü su buharının soğuk havada yoğunlaşmasıyla oluşur.

Ancak nükleer tesislerde tüm su sistemleri radyasyon ve kimyasal parametreler açısından izlenebilir.

Nükleer Santraller Neden Deniz Kenarına Kurulur?

Nükleer santraller büyük miktarda atık ısı üretir.

Bu ısının kondenser üzerinden çevreye atılması gerekir.

Deniz büyük bir soğutma suyu kaynağı sağlayabilir.

Bu nedenle birçok nükleer santral deniz kıyısında kurulmuştur.

Deniz suyu kondenser soğutma sisteminde kullanılabilir.

Su kondenserden geçerken ısı alır.

Daha sıcak şekilde denize geri verilebilir.

Çevresel düzenlemeler su sıcaklığı ve ekosistem üzerindeki etkileri sınırlandırabilir.

Akkuyu Nükleer Güç Santrali’nin Akdeniz kıyısında bulunmasının teknik avantajlarından biri büyük soğutma suyu kaynağına erişimdir.

Deniz Suyu Reaktörün İçine Girer mi?

Normal çalışma sırasında hayır.

Deniz suyu doğrudan reaktör çekirdeğine gönderilmez.

PWR ve VVER sistemlerinde reaktör çekirdeğinden geçen su birincil devre suyudur.

Bu kapalı ve kontrollü bir sistemdir.

Deniz suyu kondenser soğutma sisteminde kullanılabilir.

Temel olarak:

Reaktör suyu

↓

Buhar jeneratörü

↓

Türbin buharı

↓

Kondenser

↓

Deniz suyu soğutması

şeklinde ısı transfer zinciri bulunur.

Deniz suyu ile reaktör suyu normal işletmede birbirine karışmaz.

Soğutma Kulesi Olmadan Nükleer Santral Çalışabilir mi?

Evet.

Her nükleer santralde büyük hiperbolik soğutma kuleleri bulunmak zorunda değildir.

Santral deniz, büyük nehir veya göl gibi yeterli bir su kaynağına sahipse:

Once-Through Cooling

yani:

Tek geçişli soğutma sistemi

kullanılabilir.

Su kaynaktan alınır.

Kondenserden geçirilir.

Isı alır.

Belirlenen çevresel sınırlar içerisinde tekrar su kaynağına verilir.

Bu nedenle bir nükleer santralde soğutma kulesi bulunmaması santralin soğutma sistemi olmadığı anlamına gelmez.

Akkuyu Nükleer Santrali’nde Soğutma Kulesi Var mı?

Akkuyu Nükleer Güç Santrali Akdeniz kıyısında bulunmaktadır.

Santral büyük bir deniz suyu kaynağına erişebilir.

Kondenser soğutma sisteminde deniz suyundan yararlanılması planlanmıştır.

Bu nedenle klasik büyük hiperbolik doğal çekişli soğutma kuleleri santralin temel soğutma yapısı değildir.

Deniz suyu türbin kondenserlerinde oluşan atık ısının uzaklaştırılmasına yardımcı olur.

Deniz suyu reaktör çekirdeğine doğrudan girmez.

Reaktör birincil devresi ayrı ve kapalı bir sistemdir.

Soğutma Suyu Kesilirse Ne Olur?

Hangi soğutma sisteminin kaybedildiği önemlidir.

Kondenser soğutma suyunun kaybedilmesi santralin elektrik üretimini etkileyebilir ve türbinin durdurulmasına neden olabilir.

Reaktör birincil devre soğutmasının kaybedilmesi ise daha ciddi bir güvenlik sorunudur.

Reaktör koruma sistemi reaktörü durdurabilir.

Ancak bozunma ısısının uzaklaştırılması gerekir.

Normal soğutma sistemleri kullanılamazsa acil durum soğutma sistemleri devreye girebilir.

Amaç yakıt çubuklarının aşırı ısınmasını önlemektir.

Soğutucu Kaybı Kazası Nedir?

Soğutucu Kaybı Kazası İngilizce:

Loss of Coolant Accident – LOCA

olarak adlandırılır.

Birincil devrede boru kırılması veya farklı bir sistem arızası sonucunda reaktör soğutucusunun kaybedilmesi senaryosudur.

Soğutucu miktarı azalırsa yakıt çubuklarının soğutulması zorlaşabilir.

Reaktör otomatik olarak durdurulur.

Acil Çekirdek Soğutma Sistemi devreye girebilir.

Sisteme su enjekte edilir.

Amaç çekirdeğin su altında ve yeterli soğutma koşullarında tutulmasına yardımcı olmaktır.

LOCA nükleer reaktör güvenlik analizlerindeki temel kaza senaryolarından biridir.

Acil Çekirdek Soğutma Sistemi Nasıl Çalışır?

Acil Çekirdek Soğutma Sistemi:

Emergency Core Cooling System – ECCS

olarak adlandırılır.

Sistem reaktör soğutucusunun kaybedildiği veya normal soğutmanın yetersiz kaldığı durumlarda çekirdeğe su sağlamaya yardımcı olur.

Farklı sistemler bulunabilir:

• Yüksek basınç enjeksiyon sistemi
• Düşük basınç enjeksiyon sistemi
• Hidroakümülatörler
• Acil soğutma tankları

Reaktör basıncına ve kazanın gelişimine göre farklı sistemler devreye girebilir.

Amaç yakıt sıcaklığının tehlikeli seviyelere yükselmesini önlemektir.

Hidroakümülatör Nasıl Çalışır?

Hidroakümülatör basınç altında su içeren bir güvenlik tankıdır.

Tank içerisinde su ve basınçlı gaz bulunabilir.

Birincil devre basıncı belirli seviyenin altına düştüğünde hidroakümülatör suyu otomatik olarak reaktör sistemine aktarabilir.

Bu işlem için elektrikli pompa gerekmeyebilir.

Basınç farkı suyun sisteme girmesini sağlar.

Bu nedenle hidroakümülatörler acil çekirdek soğutma sisteminin pasif karakterli bileşenlerinden biri olabilir.

Elektrik Kesilirse Reaktör Nasıl Soğutulur?

Nükleer santraller dış elektrik şebekesini kaybedebilir.

Bu durumda reaktör otomatik olarak durdurulabilir.

Yedek dizel jeneratörler devreye girebilir.

Güvenlik sistemlerine elektrik sağlanır.

Akü sistemleri kontrol ve enstrümantasyon ekipmanlarını belirli süre besleyebilir.

Modern reaktörlerde pasif ısı uzaklaştırma sistemleri de bulunabilir.

Bu sistemler:

• Doğal dolaşım
• Yerçekimi
• Basınç farkı

gibi fiziksel prensiplerden yararlanabilir.

Amaç uzun süreli elektrik kaybında bozunma ısısının uzaklaştırılmasına yardımcı olmaktır.

Station Blackout Nedir?

Station Blackout nükleer santralin dış elektrik bağlantısını ve önemli AC yedek güç kaynaklarını kaybettiği ciddi bir senaryodur.

Türkçede genel olarak:

Tam elektrik kaybı

şeklinde ifade edilebilir.

Fukushima kazasında uzun süreli güç kaybı soğutma sistemlerinin çalıştırılmasını ciddi şekilde etkiledi.

Modern santrallerde Station Blackout senaryolarına karşı:

• Dizel jeneratörler
• Aküler
• Mobil güç kaynakları
• Pasif soğutma sistemleri

gibi farklı güvenlik katmanları kullanılabilir.

Pasif Soğutma Sistemi Nedir?

Pasif soğutma sistemleri sürekli çalışan elektrikli pompalara ihtiyaç duymadan ısı transferi sağlayabilen sistemlerdir.

Doğal dolaşım önemli çalışma prensiplerinden biridir.

Sıcak suyun yoğunluğu azalır.

Sıcak akışkan yükselir.

Soğuyan akışkanın yoğunluğu artar.

Soğuk akışkan aşağı hareket eder.

Bu yoğunluk farkı doğal bir dolaşım oluşturabilir.

Isı eşanjörleri üzerinden ısı çevreye aktarılabilir.

Pasif sistemlerin amacı elektrik kaybı gibi durumlarda aktif sistemlere ek güvenlik sağlamaktır.

Reaktör Soğutulamazsa Ne Olur?

Reaktör durdurulmuş olsa bile bozunma ısısı oluşmaya devam eder.

Soğutma tamamen kaybedilirse yakıt sıcaklığı yükselir.

Yakıt kaplaması aşırı ısınabilir.

Zirkonyum alaşımları yüksek sıcaklıkta su buharıyla reaksiyona girebilir.

Hidrojen oluşabilir.

Yakıt çubukları hasar görebilir.

Sıcaklık yükselmeye devam ederse çekirdek erimesi meydana gelebilir.

Ağır kaza senaryosunda radyoaktif fisyon ürünleri reaktör sistemine salınabilir.

Bu nedenle nükleer güvenlikte en önemli prensiplerden biri:

Çekirdekten ısının sürekli uzaklaştırılmasıdır.

Nükleer Santral Soğutma Suyu Radyoaktif mı?

Suyun hangi devrede bulunduğuna bağlıdır.

Birincil devre suyu reaktör çekirdeğinden geçtiği için radyoaktif maddeler ve aktivasyon ürünleri içerebilir.

Bu nedenle kapalı ve kontrollü sistem içerisinde tutulur.

İkincil devre suyu PWR sistemlerinde normal çalışma sırasında reaktör çekirdeğinden geçmez.

Kondenser soğutma suyu ise ayrı bir sistemdir.

Deniz veya nehir suyu kullanılabilir.

Normal çalışma koşullarında reaktör birincil devre suyuyla doğrudan temas etmez.

Bu nedenle “nükleer santraldeki tüm su radyoaktiftir” ifadesi doğru değildir.

Sonuç

Nükleer santrallerde soğutma sistemi reaktör çekirdeğinde oluşan ısının sürekli olarak uzaklaştırılmasını sağlar.

Basınçlı su reaktörlerinde birincil devre suyu reaktör çekirdeğinden ısı alır ve buhar jeneratörlerine taşır.

Buhar jeneratöründe ısı ikincil devreye aktarılır.

İkincil devrede oluşan buhar türbini döndürür.

Türbinden çıkan buhar kondenserde tekrar suya dönüştürülür.

Kondenserde oluşan fazla ısı deniz, nehir veya soğutma kulesi sistemleri üzerinden çevreye atılır.

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

Normal soğutma sistemlerinin kaybedilmesi durumunda acil çekirdek soğutma sistemleri, hidroakümülatörler ve pasif ısı uzaklaştırma sistemleri devreye girebilir.

Nükleer reaktör güvenliğinin temel prensiplerinden biri yakıt çubuklarında oluşan ısının sürekli ve güvenilir şekilde uzaklaştırılmasıdır.