Nükleer Enerji Santralleri Nasıl Çalışır? DETAYLI ANLATIM !!!
Yine ülkemizde elektrik üretimimiz tüketimimizi karşılamıyor mutlaka nükleer santral yapılmalı,geç kaldık. Enerji Bakanı yapılan başvurulardan, ilgiden memnun gibi başlıklar okuyuculara iletilmekte. Tekrar gündeme gelen nükleer santraller, nasıl yapılıyor,nasıl işletiliyor hep beraber okuyup öğrenelim.
Bir nükleer santraldaki sistemler, konvansiyonel enerji santralları ile aynı mantıkla çalışır. Isı enerjisinin üretildiği kısımda elde edilen buharın, türbin-jeneratörü döndürerek elektrik üretilmesi felsefesi, temel olarak nükleer santrallarda da aynıdır. Nükleer santrallar ısı üretmek için nükleer reaksiyonu kullandıkları ve bunun sonucunda çevreye salınmaması gereken radyoaktif maddeler ürettikleri için, bazı ek sistemler kullanırlar. Nükleer yakıt çevriminin ana unsurları hakkında bilgi almak için aşağıdaki linklere tıklayın. Uranyumun çıkarılması Dönüştürme Zenginleştirme Reaktör Yeniden işleme Uranyum bombası Plütonyum bombası.
Fisyon: Uranyumun Çıkarılması
Nükleer faaliyetlerin hem kamusal hem de askeri alanda yürütülmesi sırasında başvurulan temel hammadde uranyumdur. Yeraltından ya da açık madenlerden çıkarılır. Uranyum, dünyanın hemen her yerinde çıkarılan bir maden, ancak yoğunlaşmış maden filizi halinde pek az yerde bulunabiliyor. Bir nötronun, uranyum gibi ağır bir element atomunun çekirdeğine çarparak yutulması, bunun sonucunda bu atomun kararsız hale gelerek daha küçük iki veya daha fazla farklı çekirdeğe bölünmesi reaksiyonuna fisyon denir. Fisyon sonucunda ortaya çıkan nötronların, ortamda bulunan diğer fisyona uygun atomların çekirdekleri tarafından yutularak, onları da aynı reaksiyona sokması ve bunun ardışık olarak tekrarlanması da zincirleme reaksiyondur. Bu işlem sırasında büyük bir enerji açığa çıkar. Bu sürece nükleer fisyon denir.
Bir nükleer enerji santralinde fisyon çok yavaş gerçekleştirilirken, nükleer silahlarda bu çok hızlıdır. Her iki durumda da fisyon, çok sıkı kontrol altında tutulmalıdır. Nükleer fisyonda en iyi sonuç, Uranyum 235 (ya da plütonyum 239) veya aynı atom numarasına sahip atomlarla farklı sayılarda nötronlardan oluşan izotoplarla elde edilir. Fizikte, doğal olarak bölünebilme yeteneğine sahip olan maddeye fisil adı verilir. Uranyum-235, zincirleme reaksiyon sırasında bölünme eğilimi gösteren ve enerjiyi ısı olarak açığa çıkarabilen bir “fisil izotop”tur. Böyle bir durumda U235 atomu iki ya da üç nötrona bölünür. Çevrede başka U235 atomları mevcutsa, bu nötronlar diğer atomlar tarafından yutulur, ardından bu atomların da bölünmesiyle daha fazla nötron açığa çıkar. Nükleer reaksiyon, zincirleme reaksiyonun devamlılığını sağlamaya yetecek kadar U235 atomu varsa gerçekleşebilir. Bu ihtiyaç “kritik kütle” olarak adlandırılır. Ne var ki, doğadaki uranyumun sadece binde yedisi (%0.71) bölünebilme yeteneğine sahip (fisil) Uranyum-235 izotopu içerir.
Dönüştürme Uranyumdan elde edilen maden filizi, daha sonra özel bir değirmende öğütülerek toz hale dönüştürülür. Bu toz daha sonra kimyasal işlemden geçirilerek saflaştırılır ve rengi ve biçimi nedeniyle “Sarı Pasta” diye adlandırılan katı bir forma çevrilir. Yüzde 60 ila 70’i uranyum olan Sarı Pasta, radyoaktiftir. Nükleer uzmanlarının temel amacı, U 235 atomlarının miktarını artırmaktır, bu işleme “uranyum zenginleştirme” deniyor. Bunun için, uranyumun önce 230 santigrat dereceye kadar ısıtılarak gaz haline, yani uranyum heksafloride dönüştürülmesi gerekiyor. Yıkıcı etkilere yol açabilen reaktif bir gaz olduğundan, uranyum heksafloridin çok dikkatli kullanılması da şart. İçinde tutulacağı dönüştürme tesisinin boruları ve pompalarının da alüminyum ve nikel alaşımından özel olarak inşa edilmesi gerek. Bu gaz, ayrıca istenmeyen kimyasal reaksiyona yol açmamak için petrol ve yağ benzeri sıvılardan da uzak tutulmalı.
Nükleer santrallerin çalışma sistemi şöyledir: Nükleer fisyon sırasında ısı açığa çıkar, bu ısı, suyu ısıtarak türbinleri çalıştıracak buhara dönüştürür. Tipik bir nükleer reaktör yaklaşık 2, 5 cm çapında silindirciklerden zenginleştirilmiş uranyum yani yakıt pelletleri kullanır. Bu pelletler, uzun yakıt çubukları içine yerleştirilir. Bu çubuklar toplu halde basınçlı reaktör çemberinde saklanır. Pek çok enerji santralinde, bu çubuk demetleri soğuk kalmaları için su altında tutulur.
Diğer bir soğutma yöntemi de karbondioksit ya da sıvı metal içinde saklamaktır. Santralde işleyebilmesi için uranyum filizinin süperkritik kütle halinde olması gerekir. Bunun için, uranyumun, devamlı zincirleme reaksiyona imkan verecek ölçüde zenginleştirilmiş olması gerekiyor. Bu işlemler için reaktör çemberi için kontrol çubukları yerleştirilir. Bu çubuklar, genellikle kadmiyum olmak üzere reaktör içindeki nötronları emen bir maddeden yapılır. Çubuklara az nötron girişi olursa, zincirleme reaksiyonun sayısı da az olur, bu da fisyon sürecini yavaşlatır. Dünyada 400’den fazla nükleer enerji santrali bulunuyor. Bu santrallerde, dünyanın enerji ihtiyacının yüzde 17’si karşılanıyor. Nükleer reaktörler, denizcilikte ve denizaltılara enerji sağlamak için kullanılıyor.
Zincirleme reaksiyonun devamlılığı, yeterli U235 atomu varsa sağlanır. Bu devamlılık için gereken ihtiyaç ise “kritik kütle” olarak adlandırılır. İşte nükleer bomba üretiminde çalışanların amacı da çok büyük miktarlarda ısı açığa çıkarabilecek bir zincirleme reaksiyon için gerekli “süper kritik kütle”ye ulaşmaktan geçiyor. Bunun en basit yollarından biri, silah tasarımıdır. Uranyum veya Plütonyumdan oluşan kritik kütleden alınan küçük bir parça (kurşun ya da mermi olarak adlandırılır) konvansiyonel bir patlayıcı ile büyük kütleye (küre ya da fıçı olarak adlandırılır) doğru ateşlenir. İki kütle bir araya geldiğinde süperkritik kütleye ulaşılır ve nükleer patlama gerçekleşir.
Bu işlem, bir saniyeden daha kısa bir sürede tamamlanır. Uranyum bombası yapmak için önce yüksek oranda zenginleştirilmiş uranyum heksaflorid, uranyum okside çevrilir, ardından uranyum metalden külçeler üretilir. Bunun için basit kimyasal ve mühendislik faaliyetleri yeterli. En basit ve en güçlü fisyon silahı atom bombasıdır. 50 kilotonluk bir patlama gücüne sahiptir. Bu güç, nükleer füzyonun özelliklerini güçlendiren bir yöntemle bu güç daha da artırılabilir. Füzyon sırasında küçük kütleli atom çekirdekleri birleşir ve daha büyük çekirdek oluşur. Bunun için çok yüksek sıcaklık ve basınç sağlanır. Hidrojen ve izotopları, 100 milyon santigrat derece çok yüksek sıcaklıkta füzyon uğrar. Bu sıcaklık için önce atom bombasına ihtiyaç vardır. Nükleer füzyonla açığa çıkan nötronlar daha büyük bir patlamayı getirecek fisyona yol açar. Bu fisyon- füzyon-fisyon sistemiyle hidrojen bombasında karşılaşıyoruz.
Plütonyumun nükleer silahlarda uranyuma destek olan çeşitli avantajları vardır. Bir bomba yapımı için sadece 4 kilogram plütonyuma ihtiyaç vardır. Bu oranda plütonyum içeren bir cihaz 20 kilotonluk enerjiyle ateşlenebilir. Yılda 12 kg plütonyum üretmek için ise nispeten küçük bir yeniden işlem tesisi yeterli gelmektedir. Merminin patlayıcı taşıyan kısmı olan savaş başlığı, berilyum gibi bir maddeyle kaplı küre şeklinde plütonyumdan oluşur, nötronlar buradan fisyon işlemine itilir. Kritik kütleye erişilmesi ve reaksiyonun başlaması için daha az miktarda plütonyum yeterlidir. Bir terör örgütünün nükleer patlayıcı üretmek için zenginleştirilmiş uranyuma nazaran plütonyum kullanması daha kolaydır. Uzmanlar, terör örgütlerinin, ham plütonyum bombası üretmek için, 1995’te Tokyo metrosuna atılan sinir gazının ardındaki AUM tarikatından daha gelişmiş olmalarının gerekmediğine inanıyor. Böyle bir nükleer saldırı için 100 ton TNT kullanılması gerekiyor. Bu rakam, bugüne dek düzenlenen bombalı terör saldırılarının en büyüğünde kullanılandan 20 kat daha fazla.
Nükleer Reaktörde Elektrik Nasıl Üretilir?
Elektrik,bakır gibi iletken bir telin manyetik bir alan içinde hareket ettirilmesi ile üretilir. Elektrik jeneratörü, bir mıknatıs içinde dönen sarılı iletken tellerin bulunduğu, ve bu tellerin mıknatıs içinde dönmesiyle elektrik akımı üreten bir makinadır. Evlerimizde,iş yerlerimizde, endüstride gereksinim duyduğumuz büyük miktardaki elektrik enerjisini elde etmek için, elektrik jeneratörlerini döndürecek büyük güç santrallarine ihtiyaç duyarız.
Çoğu güç santralı, jeneratörü döndürmek için ısı üretiminde bulunurlar. Fosil yakıtlı santraller ısı üretimi için doğal gaz, kömür ve petrol yakarlar. Nükleer santrallar da uranyum yakıtını parçalayarak ısı üretirler. Ancak bütün bu değişik tip santraller ürettikleri ısıyı, suyu buhar haline dönüştürmek için kullanırlar.
Oluşan buhar ise elektrik jeneratörüne bağlı olan türbine verilir. Su buharı,türbin şaftı üzerinde bulunan binlerce kanatçık üzerinden geçerken daha önce üretilen ısıdan almış olduğu enerjiyi kullanarak, türbin şaftını döndürür. İşte bu dönme, generatörün elektrik üretmek için gereksinim duyduğu mekanik harekettir. Jeneratörde oluşan elektrik ise iletim hatları denilen iletken teller ile kullanılacağı yere gönderilir. Türbinden çıkan, enerjisi diğer bir deyişle basınç ve sıcaklığı azalmış buhar ise yoğunlaştırıcı (kondenser) denilen bölümde soğutulup su haline dönüştürüldükten sonra, tekrar kullanılmak üzere santralin ısı üretilen bölümüne geri gönderilir. Yoğunlaştırıcıda soğutma işini sağlayabilmek için deniz, göl veya ırmaklarda bulunan su kullanılır.
Nükleer Reaktörü Soğutma
Su kaynaklarından uzak bölgelerde ise santralın hemen yanında bulunan ve uzaktan bakıldığı zaman geniş dev bacalara benzeyen soğutma kuleleri kullanılır. Bu kulelerin üzerinde görülen beyaz duman ise su buharıdır.Elektrik üretmek için kullanılan diğer bir yöntem ise hidrolik santrallardir. Bu yöntem ile barajlarda biriktirilen su, bir su türbinini üzerinden geçirilir ve türbine bağlı elektrik jeneratörü döndürülerek elektrik üretilir. Yukarıda bahsedilen bu yöntemler büyük miktarlarda elektrik enerjisini üretmek için kullanılırlar. Bunların yanı sıra rüzgar, güneş ve jeotermal enerji kullanarak da elektrik üretilmektedir. Ancak bu tür kaynaklardan üretilen enerji miktarı asıl ihtiyacımızı kendi başına karşılamaktan uzaktır.
Nükleer Enerjiden Elektrik Üretme
Nükleer Reaktörün Soğutulması