Nükleer Santrallerin Çalışma Prensibi
Nasıl Çalışır?
NGS’lerde, termik santrallerden tek farklı olan ve ısı enerjisi üretilen bölümene 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.
Bütün termik güç santrallerinde yakıtın yanması ve NGS’lerde de zincir reaksiyonu sonucunda ortaya çıkan ısı enerjisinin kaynattığı suyun buhar basıncının oluşturduğu kuvvet, jeneratörler sayesinde elektrik enerjisine çevrilir.
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. Diğer izotopları radyoaktif değildir. Doğal uranyum içinde 235 izotopu miktarı çok azdır.1000 kg doğal uranyumun içinde yaklaşık 7 kg 235 izotopu vardır. 235 izotopu radyoaktif olduğu için reaktörlerde yakıt olarak kullanılabilir. Sadece Kanada yapımı reaktörler doğal uranyumu olduğu gibi kullanabilir. Bu nedenle 235 izotopunun diğerlerinden ayrılması gerekmektedir. Bu işleme zenginleştirme denilir. Zenginleştirme sonucunda içinde 235 izotop oranı arttırılmış uranyuma da zengin uranyum denilir.
Zenginleştirme işleminin tersine seyreltilme denilir. İngilizcesi “dilute” olan bu kelime Türkçeye “dilute” kelimesinin karşılığı olan “sulandırma” olarak geçmiştir. Bilindiği gibi “sulandırma” içinde su olan bir karışıma daha çok su katma işlemidir. Mesela; koyu olan çorbaya su katılarak “sulandırma”, ya da fazla katılaşmış reçele su katarak “sulandırma” gibi.
Nasıl ki, bir taş parçası bir camı parçalarken, daha hızlı olan bir mermi camı parçalamadan delip geçebiliyorsa bir nötron da aynı şekilde bir uranyum atomuna çarptığında, atomun çekirdeğini çok hızlı ise delip geçer çok hızlı değilse parçalar.
Bir nötron eğer bir uranyum çekirdeğini parçalayabilirse, genellikle iki farklı atom ve 3 kadar yeni nötron oluşur. Oluşan 3 nötron 3 çekirdeği parçalarsa 9 nötron oluşur. 9 nötron da benzer şekilde 37 nötron oluşturur. Zincirleme reaksiyon dediğimiz bu işlem aslında atom bombasıdır. Çok kısa sürede bütün kütle enerji dönüştüğü için ortaya çok büyük miktarda ısı enerjisi çıkar. Atom bombasının yıkıcılığı buradan gelir.
Zincir reaksiyonunun frenlenebilmiş (KONTROL EDİLEBİLEN) hali NGS’lerde ısı kaynağı olarak kullanılır. Zincir reaksiyonları mikroskoplarla bile görülemeyecek kadar çok küçük olan atomların merkezindeki 100 000 kat daha küçük bir çekirdekte oluştuğu için, doğal olarak kontrol edilmesi ileri teknoloji gerektiren bir işlemdir. Her aklına gelenin NGS yapamamasının nedeni budur.
Çalışma Animasyonu
Nükleer Reaksiyon Anı
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.
NGS korunda oluşan nötronların büyük bir kısmı dışarıya kaçabilir çünkü nötronlar maddelerin içinden çok kolay geçebilirler. Nötronların dışarıya fazla kaçmaması için kor içine nötronları yavaşlatan maddeler konulurken, korun dış yüzeyine de gelen nötronları içeri yansıtacak bazı maddeler yerleştirilir. Zincir reaksiyonunu 100 nötronla başlatmışsak, ilk parçalanmada yaklaşık 300 nötron oluşacağından bunların 200 tanesinin diğer atomlarla çarpışmamasını sağlayabilirsek, ilk reaksiyona giren 100 nötron sonucunda yine 100 nötron oluşur. Zincir reaksiyonun kontrol edilmesinin prensibi budur.
100 nötron çapınca, 100’den fazla nötron oluşuyorsa, reaksiyon hızlanır, 100’den az nötron oluşuyorsa reaksiyon yavaşlar.
Fazla olan nötronların sayısını azaltmak için ya bunların kor dışına kaçmasına izin verilir, ya da kor içine nötronları daha çok çeken bazı maddeler sokulur. Kontrol çubuğu dediğimiz bu parçalar korun içine sokulduğunda oluşan nötronları yutacakları için atomlara çarpıp onları parçalayacak nötron sayısı hızla azalır. 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.
Şekildeki 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.