26.3 C
İstanbul
26 Haziran 2019
Fizik Popüler Bilim Yüksek Enerji Fiziği

Nükleer Fizik: Nükleer Reaktörler

1938-1939 yılları arasında, Hahni Strassman, Meitner ve Frisch isimli bilim insanları, nötronların uranyumda fisyona sebep olabildiğini keşfetti. Bu fisyon sonrasında oluşan ürünler arasında nötron da vardı ve nötronların sayısı, birden daha fazlaydı. Bilim insanları bu mekanizma sayesinde bir zincirleme reaksiyon yaratmanın mümkün olduğunu anladılar. Bu mekanizma, günümüzdeki nükleer güç santrallerinde (nükleer reaktörlerde) kullanılan mekanizmanın temelini oluşturmaktaydı.

1940 yıllarında, nükleer reaktörlerin ilk tasarımları ortaya çıktı ve günümüze kadar birçok farklı tasarım, farklı ülkelerde kullanılmaya başlandı.

Nükleer Fisyonda Açığa Çıkan Enerji

^{235}\textrm{U} fisyonunda açığa çıkan ürünler, ortalama 165 MeV, çıkan nötronların her birisi ise 2.5 MeV enerjiye sahiptir. Bu ürünlerin yanı sıra, açığa çıkan gama ışınları, ortama 7 MeV enerjiye sahiptir. Bu da demektir ki, toplamda 177 MeV enerji, nükleer fisyon sırasında açığa çıkar.

Açığa çıkan enerji, fisyon sonucu oluşan ürünlerin kinetik enerjisine gider. Bu parçacıkların kinetik enerjisi, diğer atomlarla olan etkileşimler sonucunda, ısıya dönüşür. Bu ısı, nükleer reaktörlerin çalışma mekanizmasının kilit taşıdır.

{235}^U‘un fisyonundan oluşan ürünlere örnek olarak, Ba, Kr, Sr, Cs, I ve Xe verilebilir. Bu örnekler için reaksiyonları şöyle yazabiliriz:

^{235}\textrm{U}+ n \rightarrow ^{144}\textrm{Ba}+^{90}\textrm{Kr}+2n+\sim 200MeV

^{235}\textrm{U}+ n \rightarrow ^{141}\textrm{Ba}+^{92}\textrm{Kr}+3n+170MeV

^{235}\textrm{U}+ n \rightarrow ^{94}\textrm{Zr}+^{139}\textrm{Te}+3n+197MeV

Bu reaksiyonlarda, proton ve nötron sayısı toplamı korunmaktadır ancak toplam atom kütlelerine bakarsak, ufak bir fark olduğunu görebiliriz. Bu fark, açığa çıkan enerjiye eşittir.

Dünya genelinde aktif olarak kullanılan nükleer reaktörlerin %79’u, “basınçlı su reaktörü” ve “kaynar su reaktörü” tipindedir.

Ülkemizde inşaatı süren Akkuyu Nükleer Güç Santrali de, basınçlı su tipindedir. Bu yazımızda da, temel prensipleri anlatmak adına, basınçlı su tipi reaktörleri ele alacağız.

Basınçlı Nükleer Reaktör Modeli. 1)Kontrol Çubuğu, 2)Moderatör ve Soğutucu, 3)Buhar Üretici 4)Türbin, 5) Yoğunlaştırıcı, 6)Soğutma kulesi

Nükleer Reaktörün Temel Bileşenleri

1.Yakıt

Tahmin edebileceğimiz gibi, bir nükleer reaktörün en temel bileşenlerinden birisi, onun çekirdeğidir. Çekirdek, fisyon yapabilen yakıt içermektedir. Basınçlı su tipi reaktörlerde kullanılan yakıt uranyumdur ve genel olarak UO_2 formundadır. Bu UO_2,  %2-4 oranında ^{235}\textrm{U} ile zenginleştirilmiştir.

Yakıt, zirkonyum alaşımların içerisinde tutulur. Bu yapı da,  yakıt çubuğu dediğimiz bileşeni oluşturur. 1000MWe sınıfı basınçlı nükleer reaktörlerde, ortalama 51.000 adet yakıt çubuğu bulunur.

2. Yavaşlatıcı (Moderatör)

Reaktörlerde gerçekleşen fisyon sonucu, kinetik enerjisi yüksek olan nötronlar oluşur. Ancak, bu hızlı nötronların uranyum çekirdeğine fisyon yaptırma ihtimali, yakalanma ya da saçılma ihtimallerinden oldukça düşüktür. Bu sebepten dolayı, kendi kendine sürebilen bir zincir reaksiyon, hızlı nötronlarla ve doğal uranyumla pek de olası değildir.

İşte, tam da bu sebepten dolayı, nötronları yavaşlatacak bir maddeye ihtiyaç duyarız. Genellikle, su kullanılarak (Basınçlı nükleer reaktörlerde su kullanılır), nötronlar yavaşlatılır. Bu enerji seviyesine termal enerji (1eV’nin çok daha altı), bu enerjiye sahip nötronlara da termal nötron denir.

3.Soğutucu

Fisyon gerçekleştiğinde, fisyon kaynaklı oluşan tüm enerji, kinetik enerji olarak yayılır. Bu enerji, hızlı şekilde ısıya dönüşür ve bu ısıyı reaktörden uzaklaştırmak için, soğutucu gereklidir.

Basınçlı nükleer reaktörlerde, moderatör ve soğutucu tektir ve sudur.  Soğutucu, ısıyı sistemden alıp sistemi soğuturken ısınır. Isınan soğutucu madde, doğrudan ya da ikinci bir devreyi ısıtmak yardımıyla, türbinleri beslemek için kullanılabilir.

Kaynar su reaktörlerinde, moderatör ve aynı zamanda da soğutucu olarak kullanılan su, belirli bir sıcaklığa ulaştığında (yaklaşık 285 °C), buharlaşır ve bu buhar, türbinleri besler. Bu sayede elektrik üretimi gerçekleşir.

Basınçlı nükleer reaktörlerde ise, moderatör ve soğutucu olarak kullanılan su, oldukça yüksek sıcaklıklara kadar kaynamadan ulaştırılabilir. Bu sayede, taşıdığı ısıyı ikinci bir devreye aktaran soğutucu, dolaylı yoldan türbinleri beslemiş olur.

4.Kontrol Çubukları

Eğer ki, nükleer reaktörler hakkında bir film, belgesel ya da dizi izlediyseniz, kontrol çubukları size tanıdık gelecektir. Kontrol çubukları, nükleer reaktörlerin en kritik bileşenlerinden birisi olduğu için, tekrar tekrar isimlerini duymanız oldukça normaldir.

Nükleer reaktörlerde, zincirleme reaksiyon şeklinde gerçekleşen fisyonun oranını, ya da başka bir deyişle, nötron akışını kontrol etmek oldukça önemlidir.

Bu kontrol, adından da anlayabileceğiniz gibi, kontrol çubuklarıyla gerçekleştirilir. Bu çubuklar, nötron tutucu materyal içermektedir. Bu materyal, kadmiyum, hafniyum ya da bor olabilir.

Kontrol çubukları sayesinde, ortamdaki nötron yoğunluğu azaltılabilir, bu sayede de güç seviyesinin kontrol edilebilmesi sağlanır.

A Pressurized Water Reactor (PWR) diagram

Basınçlı Nükleer Reaktör (BNR)

Standart bir BNR’de 150-200 adet yakıt düzeneği, her bir düzenekte de 200-300 adet yakıt çubuğu bulunmaktadır. Bu sayede, ortalama 90 ton Uranyum içermektedir.

Reaktörün içerisindeki su, 325 °C sıcaklığa ulaşmaktadır. Bu sıcaklıkta suyun kaynamaması için, iç basınç, açık hava basıncının yaklaşık 150 katına çıkartılmaktadır. Sistemdeki, soğutucu madde aynı zamanda moderatör görevi görür.

Gerçekleşen fisyon sonucu oluşan ürünlerin kinetik enerjisini, diğer atomlarla olan etkileşimler sayesinde ısıya dönüşür ve soğutucu madde bu sayede ısınır. Isınan soğutucu madde (bu tip reaktörler için su), ikinci bir devreyle birleştiği ısı değişim kısmına gider.

Sistemde bulunan ikinci devrenin iç basıncı daha düşüktür. İkinci devreden ısı değişim kısmına gelen su, soğutucu maddeden aldığı ısı sayesinde buhar haline geçer ve türbinleri besler. Bu sayede, elektrik üretimi gerçekleşmiş olur.

Ege Can KARANFİL


Referanslar

  1. Prof. Dr. Selahattin Özdemir, Health Physics ders notları
  2. TAEK, “Bölüm 02. Nükleer Enerjinin Temel Prensipleri”
    <http://www.taek.gov.tr/tr/2016-06-09-00-43-55/135-gunumuzde-nukleer-enerji-rapor/838-bolum-02-nukleer-enerjinin-temel-prensipleri.html>
  3. TAEK, “Zincirleme Reaksiyon Nedir? Nasıl Kontrol Edillir?”
    <http://www.taek.gov.tr/tr/sik-sorulan-sorular/136-nukleer-enerji-ve-nukleer-reaktorler-sss/929-zincirleme-reaksiyon-nedir-nasil-kontrol-edillir.html>
  4. Energy Education, “Pressurized Water Reactor”
    <https://energyeducation.ca/encyclopedia/Pressurized_water_reactor>
  5. World Nuclear Association, “Nuclear Power Reactors”
    <http://www.world-nuclear.org/information-library/nuclear-fuel-cycle/nuclear-power-reactors/
    nuclear-power-reactors.aspx>
  6. Simon Fraser University “Basic Principles of Nuclear Reactor”
    <http://www.sfu.ca/phys/346/121/lecture_notes/lecture26_nuclear_reactors.pdf>
  7. Union of Concerned Scientists, “How Nuclear Power Works”
    <https://www.ucsusa.org/nuclear-power/nuclear-power-technology/how-nuclear-power-works>
  8. OECD Nuclear Energy Agency, “Technical and Economic Aspects of Load Following with
    Nuclear Power Plants”
    <https://www.oecd-nea.org/ndd/reports/2011/load-following-npp.pdf>
  9. Professor Emeritus Jan-Olov Liljenzin, “Principles of Nuclear Power”
    <http://jol.liljenzin.se/KAPITEL/CH19NY3.PDF>

Görseller

  1. https://www.governmenteuropa.eu/belgian-nuclear-reactors/90817/ 
  2. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Nuclear_fission_reaction.svg
Bize destek olarak daha çok içerik üretmemize katkıda bulunun!

Related posts

Özel Görelilik: Müonlar ve Uzunluk Büzülmesi

Ege Can Karanfil

Bilim İnsanları Tahtayı Çelik Kadar Güçlü Yapmanın Yolunu Buldu!

Rasyonalist

Gözlem Yapmak: Amatör Astronomiye Basit Bir Giriş

Kemal Cihat Toprakçı

Yorum Bırakın