37 3.1 GİRİŞ Bütün enerjilerin kaynağı olan güneşteki enerjinin nükleer reaksiyonlardan kaynaklandığı bilinmektedir. Nükleer reaksiyonlarda atom çekirdeği içinde bulunan proton ve nötronların alınıp verilmesi söz konusudur. Kimyasal reaksiyonlarda ise sadece elektron alış verişi olmaktadır. Nükleer reaksiyonlarda belirli bir kütle azalmasına eşdeğer enerji ısı olarak açığa çıkar. Bu enerji Albert Einstein in ünlü formülü; E= m c 2 ( m: kütle, c: ışık hızı) ile hesaplanabilir. Kütlenin enerjiye dönüşümü fizyon ve füzyon tepkimesi ile olmaktadır: 1) Fizyon (parçalanma) tepkimesi: Uranyum gibi bazı ağır çekirdekler nötronlarla bombardıman edilirse yeni ve tamamen farklı iki çekirdeğe bölündüğü görülmektedir. Çekirdekler birbirinden hızla ayrılırken öteki çekirdeklere sürtünerek ısı enerjisi oluştururlar: on 1 + 92 U 235 56Ba 137 + 36 Kr 97 + 2 o n 1 + Q Burada Q=200 MeV kadar bir enerjidir. (1 MeV=1.6x10-13 Joule) 2) Füzyon (kaynaşma) tepkimesi: Füzyon enerjisi konusunda üzerinde durulduğu gibi küçük çekirdeklerin kaynaşarak daha büyük çekirdekler oluşturması ve bu arada büyük bir ısı enerjisi açığa çıkmasıdır. Ancak bu çekirdeklerin kaynaşabilmesi bir kaç milyon derece sıcaklıktaki plazma ortamına ihtiyaç vardır. Bu ortam, omik ısıtma, lazerle ısıtma ve hızlı elektron demetiyle ısıtma yöntemleriyle yapay olarak hazırlanabilmektedir. Kullanılan hafif çekirdekler ise Helyum ve izotoplarıdır. 3.2 ATOM ENERJİSİ ELDE ETMEDE KULLANILAN MADDELER Doğal Uranyum izotoplarından U 238 yavaş nötronlarla parçalanmaz. Hâlbuki U 235 parçalanır. Bazen U 238 bir nötron yakalayarak U 239 a ve tekrar bozunmasıyla Pu 239 a dönüşür. Bu son çekirdek bozunmaya son derece uygundur. İşte kolayca parçalanan Pu 239 gibi çekirdeklere fissil madde, U 238 gibi zor bozulanlara ise fertil madde denir. Bazı reaktörlerde nötron sayısı ve hızı dolayısıyla tepkime hızını kontrol altında tutmak için moderatör veya yavaşlatıcı adı verilen grafit ve ağır su (D 2 O: döteryum) gibi maddeler kullanılır. Ortamdaki fazla nötronlar ise Kadmiyum çubuklarla soğurulur. Atomun Parçalanması Çekirdeklerin ister kendi kendine isterse insan eliyle,, gibi parçacıklar salarak kararlı hâle (kurşun) dönmesi olayına radyoaktiflik denir. Bunlardan ilkine doğal, ikincisine de yapay radyoaktiflik denir. Genellikle ağır çekirdeklerde rastlanan bu olay 1 H 3, C 14, K 40 gibi küçük çekirdeklerde de görülmektedir. Bunlardan C 14 ün özelliği eskiden jeolojide yaş tayininde kullanılmasıdır. Doğal radyoaktif seriler Thoryum, Neptünyum, Uranyum ve Aktinyum olmak üzere dört tanedir ve bunların son çekirdekleri Pb 208, Pb 209, Pb 206, Pb 207 dir.
38 Yapay radyoaktiflikle ilgili ilk deneyler Madam ve Pierre Curie ler tarafından Radyum un parçalanmasıyla yapılmıştır. Yine Rutherford tarafından yapılan ilk çekirdek dönüşümü: 7N 14 + 2 He 4 9F 18 + 8 O 17 + 1 H 1 + Q şeklinde olmuştur. Bir U 235 çekirdeği serbest nötronlarla bombardıman edilirse bir serbest nötron bir U 235 çekirdeğine çarparak onu titreşime uğratır. Böylece ilk titreşim sonunda hafif elementler (Berilyum, Kripton) meydana gelirken ayrıca iki adet nötron serbest kalır. Bu serbest nötronlarda diğer çekirdekleri farklı bir çekirdeğe dönüştürülebilirse bu işleme kendi kendine bölünme veya zincir tepkimesi denir (Şekil- 3.1). Şekil-3.1 Zincirleme tepkime ve nötronların yavaşlatılması Hız ile dağılan yeni çekirdekler çarpışarak kinetik enerjilerini ısı enerjisine çevirirler. Böylece nükleer enerji ısı enerjisine dönüşür. Buna göre bir U 235 atomunun parçalanmasıyla açığa çıkacak enerji yaklaşık 200 MeV tur. Bir kg U 235 atomunun parçalanmasıyla açığa çıkacak enerjinin ısı değeri 1.96x10? Kcal dir. Bu enerji bir büyük yolcu gemisini denizlerde 6 ay dolaştırabilecek miktardadır. 2 1D + 2 1D 3 1T + 1 1H + 4.03 MeV 1D + 2 3 1D 2 He + n + 3.27 MeV 2 1D + 3 1T 4 2He + n + 17.6 MeV 2 3.3 NÜKLEER REAKTÖRLER Nükleer tepkimeler sonucu açığa çıkan ısı enerjisinin reaktör kalbinden alınmasına göre reaktörleri, gaz soğutmalı, ağır su soğutmalı, hafif su soğutmalı ve hızlı üretken reaktörler diye sınıflandırabiliriz. Soğutucu olarak kullanılan gazlar genellikle He ve CO 2 dir. Hızlı üretken reaktörlerde ise sıvı sodyum kullanılmaktadır.
39 1) Reaktör kalbi: Burada uranyum yakıt çubukları, zincirleme reaksiyonu kontrol eden kontrol çubukları ve moderatör olarak kullanılan sıvı bulunur. 2) Koruma zırhı: Nükleer reaktörlerin çalışması esnasında çok yüksek radyoaktif maddeler fizyon ürünü olarak çıkar. Çevrenin radyoaktif maddelerden korunması için reaktör kalın beton ile çevrilir. Ayrıca beton duvarın iç kısmına radyoaktif maddeleri absorbe (soğurma) etmek için iki sıra hâlinde termik kalkanlar mevcuttur. Şekil-3.2 Gaz (CO 2 ) soğutmalı reaktör kesiti (EdF-2) Şekil-3.3 Gaz (CO 2 ) soğutmalı EdF-2 nükleer reaktörü
40 Şekil-3.4 Nükleer santral çevrimi Şekil-3.5 Sıvı sodyum soğutmalı EBR 2 reaktörü
41 3) Termik kalkanlar: Silindirik şekilde olup çelik plâkalardan yapılmışlardır. Kalkanların görevi reaksiyon sırasında reaktör kalbine geri dönmeyen nötronları ve x ışınlarını absorbe etmektir. Bu esnada çok ısınırlar, bu sebeple kalkanların soğutulması gereklidir. 4) Kontrol çubukları: Zincirleme reaksiyonun hızını kontrol altında tutmak için Boran ve Kadmiyum gibi maddelerden yapılmış kontrol çubukları kullanılır. Bu maddeler çok sayıda nötron absorbe edebilirler. Çubuklar reaktör içinde otomatik olarak hareket ettirilirler. 5) Isı değiştiriciler (eşanjör): Fizyon olayının nükleer reaktör kalbinde oluşturduğu ısı enerjisinden yararlanılarak gerekli su buharının elde edildiği yerdir. Burada buhar türbini için gerekli niteliklere sahip kızgın buhar elde edilir. 6) Kondenser (yoğunlaştırıcı): Türbinden çıkan kullanılmış çürük buharı tekrar yoğunlaştırıp besleme suyu üretir. 7) Pompa: Kondenserde yoğunlaştırılan suyu tekrar kazana basar. Tek veya çift pompa kullanılabilir. 8) Buhar türbini: Kazandan elde edilen kızgın buharla çalışarak alternatörü döndürür. Termik enerjiyi kinetik enerji hâline dönüştürür. 9) Alternatör: Türbine bağlı olarak elektrik enerjisi üretir. Tesisat Şemaları Şekil-3.6 Su soğutmalı bir reaktör Şekil-3.7 Kaynar su reaktörü
42 Şekil-3.8 Hızlı üretken reaktör 3.4 NÜKLEER SANTRALLERDE YAKITIN HAZIRLANMASI Nükleer santrallerde uranyum, toryum ve plütonyum atomları kontrollü olarak parçalanması ile ısı enerjisi elde edilmektedir. Nükleer santrallerde atomlara zenginleştirme işlemi yapılır. Bu işlem örneğin uranyum (u-235) izotopunun doğadaki miktarı %0,7 kadardır. Geriye kalan % 99,3 lük kısmı enerji üretiminde doğrudan kullanılmayan kısımdır. Kullanılmayan kısım u-238 olarak isimlendirilir. U-235 in doğadaki uranyum elementi içersindeki miktarının artırılması için işlemler yapılır. Bu işlemlere zenginleştirme adı verilir. Bir nükleer santral kurmak için zenginleştirilmiş uranyuma ihtiyaç vardır. Şekil-3.9 Uranyum zenginleştirilmesi
43 3.5 YAKIT ÇUBUKLARI VE REAKTOR Bir miktar zenginleştirilmiş uranyum (%3), boyu 4 m çapı yaklaşık 1 cm olan silindir boru içersine yerleştirilir. Bu silindir borulara yakıt çubuğu adı verilir. Böyle çubuklarının yaklaşık 280 adedi bir araya getirilerek yakıt demeti oluşturulur. Yakıt demetleri reaktör kazanı içersine yerleştirilir Şekil-3.10 Nükleer yakıt çubukları ve reaktör kalbine yerleştirilmesi Nükleer reaksiyonun daha kolay olabilmesi ve üretilen ısının reaktörden alınarak kullanılabilmesi için reaktör su ile doldurulur. Nükleer reaktörlerde uranyum elementinin bir izotopu olan U-235 parçalanması ile enerji ısı olarak açığa çıkar. 3.6 KONTROL ÇUBUKLARI Üretilecek enerjinin miktarı reaktör kazanının üzerindeki kontrol çubukları ile sağlanır. Kontrol çubukları yakıt çubukları arasında hareket ettirilerek zincirleme reaksiyonun hızını kontrol altında tutarız. Şekil-3.11 Kontrol çubukları ile reaktör güç kontrolü
44 3.7 NÜKLEER SANTRALİN ÇALIŞMASI Nükleer santrallerde uranyum, toryum ve plütonyum atomları kontrollü olarak parçalanması ile zincirleme reaksiyon başlatılır. Reaksiyonla beraber yüksek miktarda ısı enerjisi ortaya çıkar. Bu ısı ile reaktör içerisindeki su ısınır. Şekil-3.13 Nükleer reaktör kalbinin üstten görünüşü Isınan su, pompalar vasıtası ile buhar üretecine getirilir. Burada başka bir suyu kaynatırken kendiside soğur. Soğuyan su tekrar yakıt çubuklarına gelir. Bu işlem devam eder. Buhar üretecinde üretilen buhar türbinlere gönderilir. Enerji burada mekanik enerjiye dönüştürülür. Türbine bağlı alternatörler vasıtası ile elektrik enerjisine dönüştürülür. Etkisi azalmış buhar akarsu veya denizden alınan soğuk su ile soğutma kulelerinde yoğunlaştırılarak tekrar suya dönüştürülür buradan buhar üreticisine gönderilir. Şekil-3.14 Basınçlandırıcı
45 Şekil-3.15 Nükleer santralin prensip şeması Şekil-3.16 Deniz veya göl kenarındaki nükleer santralin prensip şeması 3.8 NÜKLEER SANTRALLERIN KURULABİLECEĞİ YERLER Nükleer santraller, hidroelektrik ve kömür yakıtlı santrallerin aksine teknik olarak her yere kurulabilirler. Ancak üretilen elektriğin ekonomik olabilmesi için santralin kurulduğu yerin bazı özelliklerde olması gerekir. 1- Deprem riskinin en düşük olduğu yerler, 2- Taşıma koşullarının uygun olması (kara, deniz yolu vb), 3- Soğutma gereksinimi olduğu için akarsu ve denize yakınlığı, 4- Meteorolojik koşulların uygunluğu hava koşuların oluşturduğu dezavantajları ortadan kaldıracak uygun güvenlik önlemlerin ortaya konması,
46 3.9 DÜNYADA NÜKLEER SANTRALLER Nükleer enerji günümüz elektrik ihtiyacının yaklaşık %17 sini karşılamaktadır. Bazı ülkeler enerjilerinin büyük bir kısmını nükleer santrallerden üretmektedir. Örneğin Fransa Uluslararası Atom Enerjisi Ajansı verilerine göre elektrik enerjisinin %75 ini nükleer enerjiden sağlamaktadır. Amerika ise enerjisinin %15 ini buradan karşılamakta fakat bazı bölgelerinde santraller daha yoğun biçimde enerji üretimi yapmaktadır. Dünya çapında 400 den fazla nükleer santral bulunmakta ve bunların 100 den fazlası sadece Amerika da yer almaktadır. Şekil-3.17 Dünyada nükleer santrallerin bulunduğu ülkeler Dünyadaki Nükleer Santrallerin % 62 si G-7 Ülkelerinde Yer Alıyor Dünyada kurulu 438 nükleer santralin 272 isi (% 62) sanayileşmiş 7 ülkenin oluşturduğu G-7 ülkelerinde yer alıyor. G-7 üyesi ülkelerden İtalya da nükleer santral bulunmaz iken, Fransa da 59, Almanya da 17, Japonya da 55, ABD de 104, İngiltere de 19 ve Kanada da 18 santral var. Sanayileşmiş 6 ülkede bulunan 272 nükleer santralden elde edilen 254 bin 365 MW enerji, dünyada kurulu gücü 371 bin 562 MW olan 438 santralden elde edilen enerjinin yüzde 68 ini oluşturuyor.
47 3.10 NÜKLEER SANTRALLERİN PROBLEMLERİ NELERDİR? İyi inşa edilmiş bir nükleer santral elektrik üretiminde önemli avantajlara sahiptir. Taş kömürü kullanan elektrik santralleri ile karşılaştırdığımızda çok daha temizdir ve atmosfere daha az radyoaktif atık bırakır. Taş kömüründen atmosfere çıkan tonlarca karbon, sülfür ve diğer elementler iyi çalışan bir nükleer santrale oranla çok daha fazla miktarda kirletici etki oluşturmaktadır. Bu bakımdan enerji üretimi iyi yapıldığında nükleer enerji son derece temiz olarak nitelendirilebilir. Bunun yanında birtakım sorunlar da mevcuttur. Uranyumun çıkartılması ve daha sonra zenginleştirilmesi sürecindeki rafine etme çalışmaları çok büyük miktarlarda radyoaktif kirlenmeye sebep olmaktadır. Düzgün çalışmayan nükleer santraller büyük sorunlara neden olabilir. Buna örnek olarak Çernobil felaketi verilebilir ve bu felakette tonlarca radyoaktif atık atmosfere bırakılmıştır. Santraldeki fisyon tepkimeleri çok iyi kontrol edilmeyi gerektirir ve hata toleransları çok azdır. Hiçbir nükleer santralin tamamen güvenli olduğundan söz edilemez ve mutlaka uzman ekipler tarafından ve emniyet katsayısı yüksek tutularak üretim yapılmalıdır. Bu da bizim gibi nükleer santral inşasına yeni adım atmak isteyen ülkeler için ciddi sorunların ortaya çıkma riskini artırmaktadır. Ortaya çıkan radyoaktif atıkların doğaya zarar vermeyecek şekilde taşınması ve gözetim altında uzun yıllar güvenle saklanması gerekmektedir. 3.11 NÜKLEER ENERJİDE ATIK Atık maddeler radyoaktifliklerinin azalması dinlenmeye bırakılır. Daha sonra az ve orta radyoaktif atıklar, beton ve asfaltla sarıldıktan sonra özel bölgelere yerleştirilir. Yüksek etkinlikli atıklar sıkıştırılıp yalıtıldıktan sonra derinlere gömülür.