TİCARİ NÜKLEER SANTRAL MODELLERİNİN YAKIT MASRAFLARINA GÖRE ELEKTRİK ÜRETİM MALİYETLERİNİN DEĞERLENDİLİRMESİ

Transkript

1 Osmangazi Üniversiesi Müh.Mim.Fak.Dergisi C.XVII, S.2, 2004 Eng.&Arch.Fac.Osmangazi Universi, Vol.XVII, No: 2, 2004 İCARİ NÜKLEER SANRAL MODELLERİNİN YAKI MASRAFLARINA GÖRE ELEKRİK ÜREİM MALİYELERİNİN DEĞERLENDİLİRMESİ Nimei DÖNER 1 ÖZE : Ülkelerin gelişmişlik düzeleri, üreip ükeikleri enerji ile ölçülür. Düna Enerji Konsei ürk Milli Komiesinin enerji raporuna göre ülkemiz için 2010 ılındaki elekrik ihiacının karşılanması için oplam 2000 MW(e) kapasieli nükleer sanralın kurulmasına ihiaç olduğu açıklanmışır. ürkie de kurulması düşünülen Nükleer Elekrik Sanralı için basınçlı su reakörü (PWR), kanar su reakörü (BWR), basınçlı ağır su reakörü CANDU (PHWR) olmak üzere üç ip icari reakör modeli sözkonusudur. Bu makaledeki amacımız bu modelleri kwh üreimde akı maliei açısından karşılaşırarak ürkie için nükleer enerjinin gerekliliğini gösermekir. ANAHAR KELİMELER: Nükleer Sanrallar, PWR, BWR, CANDU EVALUAION OF ELECRICIY PRODUCION COS OF COMMERCIAL NUCLEAR POWER PLAN MODELS ABSRAC : he level of he developmen of counries is being measured b he counr s quani of producion and consumpion energ. Concerning urke, according o an energ repor of he World Energ Council urkish Naional Commiee in order o mee he elecrici needs of he counr in 2010, here should be founded a 2000 MW(e) capaci nuclear power plan. For he nuclear elecric power plan considered o be founded in urke, hree pes of commercial reacor models, ha are Pressiued Waer Reacor (PWR), Boiling Waer Reacor (BWR) and Pressiued Heav Waer Reacor CANDU (PHWR), can be considered. Our aim in his aricle is o prove he necessi of nuclear energ in urke b comparing hese hree models in erms of kwh cos. KEYWORDS: Nuclear power plans, PWR, BWR, CANDU 1 Dumlupınar Üniversiesi, Mühendislik Fakülesi, Makina Mühendisliği Bölümü, KÜAHYA

2 I. GİRİŞ Nükleer enerjinin kullanılmaa başlamasından bugüne dek geçen aklaşık elli ıl içinde bir çok nükleer reakör ipi asarlanmış, imal edilmiş ve çalışırılmışır; ancak günümüzde icari olan nükleer sanral ipleri çok az saıdadır. Hafif su eknolojisi olarak adlandırılan normal su ile soğuulan reakörleri kapsaan eknoloji ve ağır su eknolojisi adını verdiğimiz hidrojenin bir izoopu olan deerumdan apılan ağır su ile soğuulan reakörleri kapsaan eknoloji, günümüzde icari olarak kullanılmakadır. Yüksek sıcaklıka çalışan gaz soğumalı reakörler ve sıvı meal soğumalı hızlı üreken reakörler ise, geleceke kullanıma girmee adadır. Ülkemizin gelişmesine paralel olarak aran elekrik enerjisi ihiacını karşılamak için çeşili enerji kanakları, özellikle nükleer enerji kaçınılmaz olarak karşımıza çıkmakadır. Ülkemizde apımı düşünülen Nükleer Sanralın, Aaürk barajının üreiği elekrik enerjisinden daha fazla elekrik enerjisi üremesi planlanmakadır. Bu bouaki bir aırımın hem ülkemizin hem de sanral çevresindeki erleşim birimlerinin ekonomik ve eknolojik gelişimine önemli kakıları olacağı kesindir. ürkie nin hidrolik ve kömüre bağlı elekrik üreim kapasiesi 245 milar kwh ile sınırlıdır ılları arasında ürkie nin elekrik enerji alebi bu mikarı aşacak ve ıllık aklaşık %8 alep büümesi ile 300 milar kwh civarına ulaşacakır. Bu ihiacın 2000 MW(e) lık kısmını nükleer sanralın karşılaması planlanmakadır. II. ANALİZ Elekrik üreimi için kullanılan nükleer sanralların büük bir bölümü Basınçlı su reakörü (PWR), kanar su reakörü (BWR), basınçlı ağır su reakörü (PHWR) dir. Bunlardan ilk ikisi, hafif su soğumalı ermal reakör sınıfına girer. Üçüncü reakör ipi ise, dünada ilk olarak Kanada da elekrik üreimi için kurulan, Basınçlı ağır su reakörü olan CANDU (PHWR) modelidir [1] ılı sonu iibari ile düna çapında çalışan 432 nükleer sanralın oplam üreim kapasiesi MW(e) olup, düna elekrik kapasiesinin %17 sini karşılamakadır. Baı Avrupa da çalışan reakör saısı 150, Doğu Avrupada 66, Kuze Amerika da 131, Lain Amerika da 5, Ora Doğu da 10, Güne Afrika da 2 ve Uzak Doğu da 68 halen çalışan nükleer sanraller vardır. Bu çalışan oplam sanrallerin %57 si basınçlı su reakörü (PWR) modelindedir. Kanar su reakörü (BWR) modeli sanrallar ise oplam

3 sanralların %27 sini oluşurur ve çoğunlukla Baı Avrupa ve Amerika da kurulmuşur. İngilere ve Japona da icari olmaan modeldeki nükleer sanralların oplam kapasiesi aklaşık %8 dir. Basınçlı ağır su reakörü sınıfına giren CANDU modelinin saısına bakığımızda diğer modellere göre %7.6 gibi oldukça az olduğu ve çoğunluğunun Kanada da inşa edilmiş, düna çapındaki ugulamalarında ise, genelde Arjanin, Romana, Hindisan, Pakisan, Güne Kore gibi gelişmeke olan ülkelerde olduğu görülmekedir [2]. BWR ipi reakörler bir çok önden PWR reakörlerine benzemekle birlike, emel fark reakör koru içinde kanama olaına izin verilmesidir. Bu modelin diğer hafif sulu reakörlere göre üsünlüğü reakör koru içinde elde edilen buharın doğrudan ribünlere gönderilmesidir. Yakı elemanı emini açısından CANDU, PWR ve BWR modellerinin her üçünde de dışa bağımlılık söz konusudur. CANDU modelinde kullanılan doğal uranum akıının giriş zenginliği %0.71 ve akı verimi %50 dir. PWR modelindeki sanralde akı zenginliği %3 ile %3.2, BWR modelindeki sanralde ise %2.5 ile %3 ür. PWR ve BWR nükleer sanrallerinde zenginleşirilmiş uranum kullanıldığı için akı verimi daha fazladır. CANDU modeli sanralların akı ükeimleri basınçlı su reakörlerine göre aklaşık dör ka daha fazladır. Aık akı saklama önünden karşılaşırıldığında, CANDU modellerinde sanral çalışırken periodik olarak sürekli akı değişimi söz konusu olduğu için büük bir saklama deposuna ihiaç vardır. PWR modelinde ise akı değişimi 3-4 ada bir olup ekrar işleme abi uulmakadır ve daha az aık akı olmakadır. Bu sebeble CANDU modelindeki gibi çok fazla depolama havuzlarına gerek kalmamakadır. Bölece malie oldukça azalmakadır. PWR ipi sanrallarda herhangi bir kaza anında reakör korunun soğuulmasını sağlamak için kullanılan güvenlik sisemleri genellikle üksek ve alçak basınça çalışan sisemler ve akümülaorlerden oluşur. Akümülaorler, MPa da azola basınçlandırılmış boronlu soğuk su bulunan büük hacimli anklardır. Arıca edek besleme suu sisemi, kazanlar vea reakörün durdurulması sırasında buhar üreeçlerinden ısı çekilmesini sağlamak için kullanılır.

4 BWR modeli reakörler, olası bir kaza durumunda reakörün güvenli bir şekilde durdurulması için gerekli donanımlara sahipir. Reakörde oluşan herhangi bir geçiş sırasında düşük basınç su injeksion sisemi, bağımsız düşük ve üksek basınç ağmurlama sisemleri ve oğuşma havuzu sisemi ile sisemin büünlüğünün korunması sağlanmakadır. Reakör koruma kabı ile de radasonun amosfere sızması engellenmekedir. CANDU ipi sanraller oldukça karmaşık sisemlerden medana gelmekedir. Güvenlik felsefesi açısından bu durum ii karşılanmamakadır. Karmaşıklığa rağmen, bu sisemler iki bağımsız bilgisaar sisemi arafından konrol edilmekedir ve her iki bilgisaar sisemi ek başına üm konrolu gerçekleşirebilecek eeneke asarımlanmışır. İkisi de devre dışı kalırsa reakör güvenli bir şekilde kapanmakadır. Bu üzden sisemlerin karmaşık olması güvenlik açısından fazla bir önem arz ememekedir [3-6]. İncelendiğinde CANDU ipi sanralların büün güvenlik felsefelerine çok ii şekilde uularak asarlandığı görülmekedir. Çeşililik, paralel edekli olma, fiziksel arılma, güvenli bölgede kalma, oomaik konrol gibi asarım ilkeleri am olarak erine geirilmişir. Bunların dışında CANDU modeli sanralların ermik verimi %29-31, PWR ve BWR modeli sanrallarda ise ermik verim %33 ür. Bu da PWR ile BWR modellerinin daha efekif olduğunu gösermekedir. CANDU reakörleri, sahip oldukları değişik avanajlardan dolaı nükleer eknolojie sahip olmak iseen ülkelerin ilgisini çekmişir ılında devree girecek CANDU reakörlerinde üreilen elekriğin malieinin büük bir kısmını aırım maliei belirlemekedir ve oplam maliein %56.5 lik bölümünü oluşurmakadır. Yakı maliei oplam maliein %22.5 bölümü olup %21 lik kısmını da işleme ve bakım maliei oluşurmakadır. Bir sanralde üreilen enerjinin kwh maliei üç ana kalemden oluşur [7,8]. 1. Yıllık Sermae Masrafları: Sanralın oplam aırım masraflarının, sanralın ömrü dikkae alınarak çeşili amorisman meolarıla bulunan ve bir ıla isabe eden masraflardır. Buna sabi masraflar da denir. Yaırımdan gelen ıllık sermae (sabi) masrafları aşagıdaki formül ile hesaplanır.

5 C s Y K E = (1) Bu işlem apılırken bugünkü değer meodu kullanılmakadır. 2. Yakı Masrafları: Nükleer sanrallarda ıllık akı masrafı C = P LF ( N N ) e i η B u (2) Sanralın ermik gücü P P η e = (3) Yıllık Yakı ükleme mikarı P LF = (4) B u Sermae ifa fakörü C d = (5) m 1 (1 + d) İlk ükleme mikarı P i = (6) Ps İlk üklemeden gelen ıllık sabi masraflar M = ( ) N C (7) i

6 Faizler I = i [ N (0.5 + k ) + N (0.5 + k )] (8) 1 i 2 kwh başına akı maliei Y K C + M + I = P LF e formülleri ile hesaplanır. (9) 3. İşleme ve Bakım Masrafları: Bir nükleer sanralde işleme ve bakım masrafları oplam üreim malieinin küçük bir bölümünü oluşurmakadır. Bununla beraber işleme ve bakım masraflarını sermae ve akı masrafları gibi genel formüllerle ifade emek mümkün değildir. Sanral ipine ve gücüne, işleme şarlarına, sanralı işleen kuruluşun apısına, genel muhasebe sisemine bağlı olarak değişmekedir. Yakı masraflarına göre hesaplama apılacağı için formüller (2)-(9) kullanılır ve faiz oranı %9 ile iskono haddi %5 ve sermae ifa fakörü C = alınır. CANDU modeli için ünie başına kurulum gücü sandard 630 MW(e), PWR ve BWR modeli için 600 MW(e) alınarak, işlemler apılmış ve her üç sanral modeli için bir kıaslama çizelgesi ablo 1 de oluşurulmuşur. Burada uranumun spesifik gücü P = 30 kw/kg dır. Basınçlı su reakörlerinin işleim deneleri ülkeden ülkee s farklılıklar gösermekedir. PWR modeli için oralama ıllık ük fakörleri %65-87 arasındadır. BWR modelinde oralama ıllık ük fakörleri %70 lerin üzerindedir. Hesaplamalarda hafif sulu reakörlerinin ük fakörü %80, CANDU modelinin ük fakörü %70 alınmışır. Sanralın ük fakörü ne kadar büük olursa, ıllık üreiği enerjide o kadar fazla olur. Doğal uranumun fiaı 60$, zenginleşirilmiş aze akı fiaı 100$ ve kullanılmış akı fiaı (aık asfiesi şeklinde) 47$ olarak hesaplamalarda kullanılmışır [9].

7 ablo 1. Üç nükleer sanral modeli için akı malielerinin kıaslanması CANDU PWR BWR P ( MWe ) i ( on ) ( on ) C ($) M ($) I ($) Yk ( cen/ kwh ) Faiz oranı ile iskono haddi %7 ve sermae ifa fakörü C = olarak ele alındığında üç ip nükleer sanralın kwh başına akı malielerinin değişmediği, arıca uranumun spesifik gücü P = 22.5 kw/kg olduğunda da sonuçların anı kaldığı s görülmekedir. Her üç sanral modeline genel olarak bakığımızda; ıllık akı ükleme mikarı açısından CANDU modelinin diğer modellere göre aklaşık üç kaı değere sahip olduğu görülür. PWR ve BWR ipi nükleer sanralları kendi aralarında kıasladığımızda ilk üklemeden gelen ıllık sabi masraflar hariç diğer hesaplama sonuçlarına göre, PWR modeli daha ekonomik sonucu vermekedir. Yine PWR modeli nükleer sanralde ünie gücü 900 vea 1200 MW(e) olması durumunda üm hesaplama krier değerleri armasına rağmen elde edilen kwh başına akı maliei hemen hemen anı kalmakadır. Perol krizinden sonra aran perol fialarına paralel olarak uranum fiaları da 1980 li ıllara kadar hızla armış ve daha sonra oraa çıkan arz fazlalığı nedenile, %50 den fazla düşüş gösermişir [10]. Buna göre akı fiaları 1990 öncesindeki gibi üksek sevielerde olsadı, akı fiaı 400$ ve kullanılmış akı fiaı (aık asfiesi şeklinde) 50$ olarak hesaplamalarda kullanılırsa; PWR ve BWR modellerindeki elekrik üreim maliei 3 cen/kw-saa e ükselecekir. Bu durumda diğer alernaiflerle karşılaşırıldığında nükleer elekrik, üksek aırım maliei ve düşük akı maliei ile ifade olunabilir. Yani nükleer enerjii ekonomik kılan fakör düşük akı fialarıdır.

8 1995 ılında ABD de, işlemedeki 109 Nükleer Sanralın sermae paı hariç elekrik üreim maliei (sökme, aık depolama dahil) kw-saa başına 2 cen olmuşur. Bu üreim malieini ABD de 1.1 cen/kw-saa e düşüren işlemeler de bulunmakadır. Bunun üzerine cen/kw-saa sermae paı eklense bile üreim malieleri doğal gaz ve ermik sanralları ile rekabe edebilmekedir. İhal kömür ile elekrik üreim maliei 4.6 cen/kwh ve doğal gaz ile cen/kwh ir [11]. III. SONUÇLAR Nükleer sanraller genel olarak ilk aırım malieleri üksek, akı ve işleme giderleri düşük sanrallerdir. Yaırım malieleri ise, elekrik malieinin arısından fazlasına denk gelmekedir. Yine de, nükleer sanrallardan elde edilen elekrik, ermik ve hidrolik sanrallara göre daha ucuz olmakadır. Nükleer Sanrallerin arihi gelişim sürecinde, karşılaşılan asarım sorunlarının giderilerek, daha kompleks konrol sisemlerile donaılması sonucu, her üç sanral modeli de güvenlikli çalışma bakımından eşdeğer kabul edilebilir. Burada hesaplanan malieler, belirli bir reakör ipi ve çalışma koşulları göz önüne alındığında doğrudan ahmin malielerdir. ablo 1 e göre kwh başına akı maliei açısından incelenen modelleri kıasladığımızda, sanralların kuruldukan sonraki kwh elekrik üreiminin anı olmasına karşılık; aırım malieleri bakımından birbirlerile kıaslanabilir değerleri verdiği sonucuna varılır. En agın icari nükleer sanral (PWR ve BWR) modellerinde, enerji üreim kapasiesi üksek olan MW(e) lik ünielerin kurulması malie açısından daha verimli olacakır. CANDU modelinin kurulum maliei çok üksek, ünie başına enerji üreim kapasiesi düşükür.

9 KAYNAKLAR [1]. ombakoğlu M., Hafif ve Ağır Su soğumalı Nükleer Reakörler, Mühendis ve Makina, 404, [2]. Glorian D., Spiegelberg-Planer R., hermal Generaing Plan (100 MW+) Avalibili and Unavabili Facors 1995, Word Energ Council, Performance of hermal Generaing Plan, pp 1-26, Sepember [3] Aşık O., Nükleer Reakörler ve ürkie için Ugun Reakörün Seçimi, Dumlupınar Üniversiesi, Lisans ezi,1999. [4]. ürkie Aom Enerjisi kurumu Başkanlığı, CANDU Nükleer Reakörü, Nükleer Güvenlik Dairesi, [5]. Sencer A., Enerji Sorunu, Alernaif Enerji Kanakları ve Nükleer Elekrik Sanralları, [6]. Baran C., Nükleer Yakı İdaresi, [7]. Şahin S., Nükleer Enerji ve Nükleer Sanraller, ürkie Elekrik Kurumu Eğiim Dairesi Bşk., [8]. Abers N., Baülken A, Nükleer Reakör Mühendisliği I emel Bilgiler, s , 1990 [9]. Soer A. E., Zabunoğlu O., Reakör Sonrası Yakı Çevrimi Senarolarının Ekonomik Olarak Karşılaşırması, ürkie Aom Enerjisi Kurumu Yaınları. [10]. Yücel B. F., Enerji Ekonomisi,s , Febel Ld.Şi, 1994 [11]. Sarıcı L., Savruk N, Erdemir Z., Soru ve Cevaplarla Nükleer Sanrallar ve Çevre, EAŞ Nükleer Sanrallar Daire Başkanlığı, 1999.

10 İNDİSLER B u akıın ısıl değeri ( MWd / on ) C s kwh başına ıllık sabi masraflar ($/kwh) C ıllık akı masrafı ($) E ıllık enerji üreimi ( kwh ) I K K 1 K 2 LF N i N faizler sabi masraf oranı depoda bekleen aze akıın bekleme süresi (3 a) kullanılmış akıın bekleme süresi (4 a) ük fakörü kullanılmış akıın fiaı ($/kg) aze akıın fiaı ($/kg) P e sanralın gücü ( MWe ) P i M Y k Y d i m η sanralın ermik gücü ilk ükleme mikarı ıllık akı ükleme mikarı ilk üklemeden gelen ıllık sabi masraflar kwh başına akı maliei oplam aırım iskono haddi faiz oranı sanral ömrü (30 ıl) sanralın genel verimi