Nükleer Santral nedir? Nasıl çalışır?

Nükleer santral, yakıt olarak radyoaktif maddeleri kullanarak elektrik enerjisi üretilen tesise verilen isimdir. Radyoaktif maddeler kullanılmasından dolayı, daha fazla önlem alınması gerekmektedir.

Nükleer Santral nedir? Nasıl çalışır?

Teknolojinin gelişmesi, insanların enerjiye git gide daha fazla ihtiyac duyması ws gibi durumlar farklı enerji üretme sistemlerini de beraberinde getiriyor.. Şüphesiz ki çağımızın en büyük sorunlarından biri de enerji üretimidir.. Artık bir çok yerde Elektrik santrallerini görebilmek mümkün hale gelmiştir. Enerji santralleri hakkında bir çok bilgiye rastlamak mümkün ancak bu tip santrallerin doğaya zararları hala tartışılır bir konudur. Bir yandan tartışma konusu olan bu zararlar diğer yandan ise her geçen gün yeni sistemlerin çıkması teknıloji ile varsa bile bu zararların en aza indirildiğidir. Peki Nükleer Santral Nedir? Nasıl Çalışır? hep beraber inceleyelim.

 

Nükleer Santral Nedir?

Nükleer santral, yakıt olarak radyoaktif maddeleri kullanarak elektrik enerjisi üretilen tesise verilen isimdir. Radyoaktif maddeler kullanılmasından dolayı, daha fazla önlem alınması gerekmektedir. Nükleer enerji sayesinde, dünyanın yaklaşık %17 elektrik ihtiyacı karşılanmaktadır. Dünya çapında 400 civarında nükleer santral bulunmakta ve bunların 100’den fazlası sadece Amerika’da yer almaktadır ,öyle ki, Amerika enerjisinin %15’ini buradan karşılamaktadır. Örneğin Fransa Uluslararası Atom Enerjisi Ajansı verilerine göre elektrik enerjisinin %75’ini nükleer enerjiden sağlamaktadır.

Nükleer santral nasıl çalışır?

Reaktörde, elde edilen ısı enerjisi suya aktarılır, su almış olduğu bu enerji sayesinde faz değiştirir ve kızgın buhar haline dönüşür. Nükleer Güç Santrallerinin ısı üretilen kısmı hariç diğer bütün bölümleri bir termik santral ile aynıdır. Bütün Termik güç santrallerinde yakıtın yanması ve NGS’ler de de zincir reaksiyonu sonucunda ortaya çıkan ısı enerjisinin kaynattığı suyun buhar basıncının oluşturduğu kuvvet, jeneratörler sayesinde elektrik enerjisine çevrilir. Bkz.en alltaki şema.
Biraz daha açarak bilgi vermek gerekirse;
NGS’lerde, termik santrallerden tek farklı olan ve ısı enerjisi üretilen bölümüne kor denilir. Korda, uranyum atomunun çekirdeğinin nötronlarla parçalanması sırasında bir miktar maddenin enerjiye dönüşmesi sırasında ortaya çıkan muhteşem ısı enerjisi kullanılır. Madde, E=mC2 bağıntısıyla hesaplanan ısı enerjisine dönüşür. Burada C, ışığına boşluktaki hızıdır.

NGS de enerji üretimi bildiğimiz su veya yakıt santrallerinden farklı olarak, ısıyı elde etmek için, nükleer reaktör yani atomu parçalandığı zaman açığa çok büyük enerji çıkaran, ağır radyoaktif element olan Uranyum’ lu sistemler kullanır. Uranyum, fiziksel olarak çeliğe çok benzeyen, çelikten daha sert ve daha yoğun bir metaldir. Bu özelliğinden dolayı zırh delici roket başlığı yapımında çok kullanılır.

Uranyumun 235 atom numaralı izotopu radyoaktiftir. Doğal uranyum içinde 235 izotopu miktarı çok azdır. Diğer izotopları radyoaktif değildir. Bu nedenle 235 izotopunun diğerlerinden ayrılması gerekmektedir. Bu işleme zenginleştirme denilir. Zenginleştirme sonucunda içinde 235 izotop oranı arttırılmış uranyuma da zengin uranyum denilir.

Bu sistemde Uranyum elementinin atom çekirdekleri parçalandığı için bu enerjiye nükleer enerji adı verilir. Ve bu sistemde zararlı olan nükleer enerjinin kendisi olmayıp, eğer açığa sızarsa, doğa ve insan dahil tüm canlılık için çok büyük radyasyon tehlikesi taşıyan, uranyum elementidir. Bütün nükleer reaktör tiplerinde bölünmeden açığa çıkan enerji, buhar üretiminde kullanır ve bu buhar üretimi doğrudan reaktörün Kor’unda ya da buhar üreteçlerinde yapılır. Ağır radyoaktif (Uranyum gibi) atomların bir nötronun çarpması ile daha küçük atomlara bölünmesi (fizyon) sonucu çok büyük bir miktarda enerji açığa çıkar. Yani nükleer santraller,uranyumu “fizyon” yöntemiyle parçalar. Bu parçalanma reaktörlerin içinde gerçekleştirilir. Ama uranyum tehlikeli bir element olduğundan bu işlem çok özel kalkanlı bölümlerde gerçekleştirilir ve ömrü biten kapsüller de daha sonra atılmaz, özel koşullarda saklanır. Nükleer santrallerde, nükleer maddelerin çevreye bırakılmamasını ve aynı zamanda nükleer reaksiyon sonucunda oluşan ısının her durumda reaktörden alınmasını garantiye alacak şekilde birçok güvenlik önlemi alınmaktadır. Nükleer maddelerin dışarıya salınmaması için kademeli koruma önlemleri, oluşan ısı fazlalığının alınması için ise yine kademeli ve yedekli sistem ve bileşenler bulunmaktadır. Nükleer yakıt (yani Uranyum), seramik formunda, yaklaşık 1 cm çap ve yüksekliğinde silindirik parçaların arka arkaya dizilmesiyle yine silindirik biçimde kapalı sızdırmaz tüpler içindedir. Bu tüplerin binlercesinin, aralarından soğutucu suyun geçmesine izin verecek şekilde bir araya getirilmesi ile de reaktör Kalp’i oluşturulmuştur. Bu Kalp ise paslanmaz çelikten yapılan bir basınç kabının içinde bulunur (Basınçlı veya Kaynar Sulu reaktörlerde). Basınç kabı ve buna bağlı sistemler ise reaktör korunak binası adı verilen betondan yapılmış kubbemsi yapının içinde bulunurlar. Dolayısıyla, yakıt içinde bulunan radyoaktif maddelerin dışarıya salınmalarını, seramik yakıt, yakıt tüpü, basınç kabı, çelik gömlek ve beton korunak binası, kademeli olarak engellemiş olurlar. Bu devir daimi kontrol altına almak ya da durdurmak için yakıt çubuklarının arasına “kontrol çubukları“ yerleştirilir. Bu kontrol çubukları, açığa çıkan nötronları absorbe eder. Reaktör eğer devre dışı bırakılmak, yani kapatılmak isteniyorsa da söz konusu kontrol çubuklarının aktif hale getirilmesi gerekiyor. Böylece yeni atom çekirdeği parçalanmalarının önüne geçilir. Reaktör soğumaya başlar. Ancak bu soğuma işlemi, reaktörün kapasite ve enerji üretim miktarına bağlı olarak belirli bir zaman almaktadır. Soğumanın devam edebilmesi için elektrikli pompalar vasıtasıyla su devir daiminin devam ettirilmesi gerekmektedir. Elektrik kesintisi durumunda ise, durum kritik hâl alır. Reaktördeki basınç ve sıcaklık artmaya devam eder. Acil durum Kalp soğutma sistemi devre dışı kalır. Eğer bu süreç durdurulamazsa yüksek basınç ve aşırı ısınma nedeniyle nükleer yakıt çubuklarının hasar görmesi, hatta tümüyle tahrip olması mümkündür. İşte bu tahrip sürecine “NÜKLEER ERİME“ denir. Buradaki tehlike şu ki, eğer çeşitli nedenlerle bu koruma sisteminde, özellikle yakıtı soğutma sisteminde arıza meydana gelirse, yakıt ısısı istenen düzeyde tutulamaz, bu durumda kapsüllerdeki enerji hat safhaya ulaşarak patlamaya yol açar. Sürekli artan enerji, kapsülleri de eritirse, uranyum suya ve çevreye yayılır ve en önemlisi etrafa müthiş derecede radyasyon yayılır. Nükleer Erime durumunda, yakıt çubuklarının muhtevası, yani uranyum ve parçalanmayla ortaya çıkan cesium gibi radyoaktif parçacıklar reaktörün kalbine sızar. Bu ise reaktör içinde kontrol edilemeyecek nükleer patlamalar meydana gelme tehlikesini de beraberinde getirir. Patlamalar, reaktör içindeki ısı ve basıncın daha da artmasına yol açabildiğinden, bu süreç kontrolden çıkarsa, o zaman reaktörde büyük bir patlama meydana gelmesi de kaçınılmaz olur. İşte 25 yıl önce Çernobil nükleer santralindeki patlama da aynen bu şekilde meydana gelmiştir. Böyle bir patlamanın ardından reaktördeki tüm radyoaktif parçacıkların atmosfere karışmasını önlemek artık imkansız hâle gelir. Fukuşima nükleer santralinde de benzer bir felaket meydana gelmiş, depremin ardından elektrik kesintisi meydana gelmiştir. Dizel elektrik jeneratörleri de hemen çalıştırılamayınca, kaldı ki, jeneratörler devreye girse bile çalışma süresi son derece kısıtlı olduğundan Reaktör suyunun ısısı sürekli artmıştır. Buharlaşmaya başlayan su, reaktör içindeki basıncın da yükselmesine neden olmuş, vanalar açılarak hafif radyoaktif buharın bir bölümü dışarı verilmeye çalışılmış ancak bunda da kısmen başarılı olunmuş, aynı zamanda tüm Pasifik bölgesi, büyük bir nükleer facianın eşiğinden dönmüştür.
 

Çalışmanın şematik açıklaması;

Resimdeki gibi basitleştirilmiş bir şema üzerinde bir NGS’nin parçalarını ve nasıl çalıştığını anlayabiliriz. Kor ya da reaktör denilen kapalı kısımda uranyum atomunun çekirdekleri maddeye dönüşerek çok büyük miktarda ısı enerjisi oluşturur.

Nükleer Santralin Çalışma ŞemasıŞekildeki kırmızı ile gösterilen borulardan çok fazla ısınmış olarak kordan alınan su, buhar üreticisine gider ve oradaki suyu kaynatarak tekrar korun içine geri döner. Bir miktar radyasyon içeren birinci devredeki su, sistemden dışarı çıkartılmaz. Kor ile buhar üreticisi arasında kapalı devrede dolaştırılır.

Buhar üreticisinde oluşan yüksek ısıdaki su buharı buhar türbinlerine giderek, türbini çalıştırdıktan sonra yoğuşturucuya gönderilerek biraz daha soğutulur ve buhar üreticisine geri döner. İkinci devre dediğimiz bu sistemdeki su da, buhar üretici ile yoğuşturucu arasında kapalı devrede dolaştırılır. Türbin çalıştığında türbine bağlı olan jeneratör elektrik üretmeye başlar. Üretilen elektrik dışarıya gönderilir.
Son devre olarak göl, ırmak veya denizden alınan soğuk su yoğuşturucuya alınarak, buradaki fazla ısı enerjisi alınır ve denizden alınan su geri gönderilir. Radyasyon içeren birinci devre ile temiz olan ikinci ve üçüncü devrelerin birbirinden ayrılmasının amacı, radyasyonun kordan dışarı çıkmamasını sağlamak içindir.
Acil durum Kalp Soğutma Sistemi denilen bölmede ise çok miktarda soğuk su depolanmıştır. Reaktörün kalbi de denilen korda aşırı ısınma olursa buradaki çok miktardaki soğuk su, koru acil olarak soğutmak amacıyla kullanılabilir.
Büyük ve modern NGS’lerde kor ve yardımcı sistemleri 1-2 metre kalınlıktaki beton fanuslar içine yerleştirilir. Bazı NGS’lerde koruma kabı denilen bu fanuslar iç içe geçer şekilde iki tane yapılmıştır. Herhangi bir kaza anında veya korun kontrol edilemediği her durumda koruma kabı kapakları kapatılır ve reaktör ölüme terk edilerek çevreye zarar vermesi önlenebilir.
Amerika’daki en büyük nükleer kazası olan (Three Mile Island NGS) korun aşırı ısınması sonucu oluşan kor erimesi kazasında, böyle bir koruma kabı olduğu için sadece üç kişi ölmüş ve kor kontrolden çıkınca koruma kabı kilitlenip, reaktör kapatılabilmiştir.
Koruma kabı olmayan başka bir NGS olan Çernobil’deki reaktörde aynı tür bir kaza sonucunda o meşhur Çernobil kazası meydana gelmiştir.
 

Benzer diğer bir şema ve resimleri;
 

Nükleer Santral



Nükleer Santrallerin Problemleri nelerdir?

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 üretiminde iyi yapıldığında nükleer enerji son derece temiz olarak nitelendirilebilir. Bunun yanında birtakım sorunlar da mevcuttur.

Nükleer enerji üretiminde altının çizilmesi gereken önemli engeller ve sorunlar şunlardır:
 

  • 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 fizyon 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.