Nükleer Güç Santrallerinin Genel Yapısı
Nükleer Güç Santralları ile TermikSantraller birbirleri ile benzer özellikler taşırlar. Her iki santral tipindede elde edilen buharın ısıl enerjisi türbinde mekanik enerjiye ve mekanikenerji de dejeneratörlerde elektrik enerjisine dönüştürülerek elektriküretilir. Bu santraller arasındaki temel fark buharın elde ediliş yöntemidir.Bütün nükleer reaktör tiplerinde bölünmeden açığa çıkan enerji buhar üretimindekullanır ve bu buhar üretimi doğrudan reaktörün korunda ya da buhar üreteçlerindeyapılır. Bu nedenle nükleer reaktörlerdeki bölünme reaksiyonu termiksantrallarda fosil yakıt yakmakla aynı işleve sahiptir. İlk olarak nükleer güçsantrallerini tanıtmadan önce bölünme (fisyon) reaksiyonu mekanizmasınıanlatmakta yarar vardır. Nükleer reaksiyonda açığa çıkan enerji, temelde U235izotopunun ya da herhangi bir bölünmeye yatkın (fisil) izotopun (Pu239, U233)nötronla etkileşmesinden ötürü parçalanması olayı sonucunda açığa çıkanfazlalık bağlanma enerjisidir. Nötronla etkileşen U235 çekirdeği kararsız halegeçerek, kendisinden daha hafif iki çekirdeğe ayrılır ve bu esnada da ortalamaolarak iki nötron açığa çıkarır. Bu reaksiyon sonucu açığa çıkan bölünmeenerjisi yaklaşık 200 MV’dir. Bu enerji buhar üretimi için soğutucuya aktarılırve açığa çıkan nötronlardan biri bölünmeye yatkın başka bir izotopuparçalayarak zincirleme reaksiyonuna sebep olur. Diğer nötron ise reaktöriçindeki diğer malzemeler tarafından yutulur ya da sistemden kaçar. Nükleerreaktörler bu zincirleme bölünme reaksiyonunun kontrollü olarak yapıldığısistemlerdir. Bölünme reaksiyonunun önemini anlamak için 1 kg U235 izotopunun yanması sonucu açığa çıkanenerjinin yaklaşık 1.3 milyon kg kömürünkine eşdeğer olduğunu belirtmekyeterli olacaktır.
Bölünme reaksiyonu sonucu açığa çıkannötronların etkili bir şekilde kullanılabilmesi için bölünmeye yatkınizotoplarla etkileşme olasılıklarını arttırmak gerekir. Bu nedenle bölünmereaksiyonlarından açığa çıkan hızlı nötronlar moderatör adı verilen yavaşlatıcımalzemeler yardımı ile yavaşlatılarak bölünmeye yatkın malzemelerle etkileşimolasılıkları arttırılır. Diğer bir malzeme de yansıtıcı (reflector) dır. Bumalzeme korun etrafına yerleştirilerek nötronların sistemden dışarı kaçmaolasılıklarını azaltmak için kullanılır. Moderatör malzemesi aynı zamandayansıtıcılık işlevini de görebilir
İlk kontrollü bölünme reaksiyonu 1942yılında Amerika Birleşik Devletlerinde inşa edilen CPI Reaktöründegerçekleştirilmiştir. Bu reaktörde yakıt malzemesi olarak doğal uranyum ve moderatorolarak grafit kullanılmıştır. İlk nükleer reaktörde olduğu gibi nükleer reaktörtasarımcılarının reaktör yakıtı için seçimleri doğal uranyum (%0.71 U235,%99.27 U238) ya da %3, %4 oranında zenginleştirilmiş uranyumdur. Eğer yakıtdoğal uranyum seçilirse moderator olarak grafit ya da ağır su kullanılmalıdır
Günümüzde, elektrik üretimi için kullanılansantralların büyük bir bölümü Basınçlı Su Reaktörü (PWR), Kaynar Su Reaktörü(BWR), ve Basınçlı Ağır Su Reaktörüdür (PHWR). Bunlardan ilk ikisi, hafif susoğutmalı termal reaktör sınıfına girer, moderator ve reflektör malzemesiolarak da hafif su kullanılır. Üçüncü reaktör tipi ise dünyada ilk olarakKanada’da elektrik üretimi için kurulan ve soğutucu olarak ağır su kullananBasınçlı Ağır Su Reaktörüdür.
BASINÇLI SU REAKTÖRÜ (PWR)
Basınçlı su reaktörleri ticari olarakelektrik üretimi için ABD’de kullanılan ilk reaktör tipidir. Bu türreaktörlerde korda üretilen enerji birincil devre soğutucu vasıtasıyla kordançekilir. İkincil devrede buhar üreteçlerinden alınan buhar türbinlerindegenişletilerek jeneratörde elektrik üretilir. Birincil devre basıncı, soğutucusuyun kaynamasını engellemek için, 15-16 MPa civarındadır. Soğutucunun koragiriş sıcaklığı 290-300 C,çıkış sıcaklığı ise 320-330 Ccivarındadır. Reaktör korundan çıkan soğutucu türbinlerde kullanılan buharınüretimi için buhar üreteçlerine gönderilir. Reaktörlerin birincil soğutucudevreleri iki, üç ya da dört tane benzer döngüden oluşur. Her bir döngüde birbuhar üretici, bir reaktör soğutucu pompası ve bağlantı boruları bulunur.Ayrıca reaktör basıncını kontrol edebilmek için bir basınçlayıcı bu döngülerdenbiri üzerinde bulunur.
Yakıt içinde fisyondan açığa çıkan nötronlarsoğutucuda yavaşlatılarak zincirleme fisyon reaksiyonunu sağlarlar. Aynı andaaçığa çıkan kinetik enerjinin büyük bir kısmı yakıt içinde ısıl enerjiyedönüşür ve bu enerji ısı iletimi ile soğutucuya aktarılır, bir kısmı ise hızlınötronlar tarafından moderasyon anında moderator vazifesi de gören soğutucuyaaktarılmıştır.
Reaktör koru dayanıklı bir çelikten yapılmışsilindirik bir basınç kabı içerisinde yerleştirilmiştir. Basınç kabı bu tipreaktörlerin ömrünü kısıtlayan en önemli bileşendir.
Hemen hemen bütün reaktör tiplerinde reaktörbasınç kabı ve soğutucu sistemleri koruma kabı adı verilen çelik bir kabuğuniçindedir. Bu çelik kabuk betondan yapılmış ikinci bir koruyucu yapınıniçerisinde yer alır. Bu sistem dış etkilerden reaktör sistemini korumak ya dareaktörden bir kazadan dolayı açığa çıkabilecek radyasyonun çevreye sızmasınıönlemek için tasarlanmıştır.
KAYNAR SU REAKTÖRÜ (BWR)
Kaynar su reaktörü dünyada basınçlı sureaktöründen sonra en yaygın olarak kullanılan reaktör tipidir. Kaynar su reaktörleri (BWR) birçok yönden PWRreaktörüne benzemekle birlikte, temel fark reaktör koru içinde kaynama olayınaizin verilmesidir. BWR tipi reaktörlerin diğer hafif sulu reaktörlere göreüstünlüğü reaktör koru içinde doğrudan elde edilen buharın türbinleregönderilmesidir. Bu nedenden dolayı BWR reaktörleri doğrudan çevrim ileçalışır. Basıncın PWR tipi reaktörlere göre daha düşük olması nedeniyle (7 MPa)basınç kabı et kalınlığı daha düşüktür.
BASINÇLI AĞIR SU REAKTÖRÜ (PHWR)
Basınçlı Ağır Su Reaktörleri, Basınçlı SuReaktörleri ile benzer özellikler taşırlar. Ağır su reaktörü olarakadlandırılmalarının nedeni moderator ve soğutucu için ağır su (D20)kullanmalarıdır. Bu tür reaktörlerin en yaygın olarak kullanıldığı ülkeKanada’dır. Kanadalılar son 40 yılda CAND
U (CANada Deuterium Uranium) adınıverdikleri Kanada reaktörünü tasarlayıp geliştirerek Basınçlı Ağır Su Reaktörüteknolojisinde lider olmuştur.
ANDU reaktörlerinde yakıt olarak doğaluranyum kullanıldığı için zenginleştirme tesislerine ihtiyaç yoktur. Düşükbasınçta moderator, ağır su (D20) ve yatay silindir şeklinde bir reaktör kabıvardır. Reaktör kabının içinde yatay şekilde geçen 380 adet yakıt kanalıbulunur. Yakıt kanalları doğal uranyum yakıt ve ağır su soğutucusundan oluşur.Yakıt kanalındaki yakıt elemanları basınç tüpü içindedir.