Nükleer enerji santrali

Nükleer santral, bir veya daha fazla sayıda nükleer reaktörün yakıt olarak radyoaktif maddeleri kullanarak ısı enerjisi bu enerjiden de elektrik enerjisinin üretildiği tesistir. Radyoaktif maddeler kullanılmasından dolayı diğer santrallerden farklı ve daha sıkı güvenlik önlemlerini teknolojileri içerisinde barındırır.
Einstein; 1905 yılında E=mc2 formülü ile fisyon (atomun iki veya daha fazla çekirdeğe bölünmesi) sonucu açığa çıkabilecek enerji konusunda öngörüde bulunmuştu. Daha sonra 1930 yılında bu öngörü deneysel olarak Otto Hahn, Lise Meitner ve diğerleri tarafından doğrulandı. Dünyadaki ilk nükleer reaktör 1942 yılında Enrico Ferminin yürüttüğü bir proje sonucunda Amerika Birleşik Devletleri'nin Chicago, Illinois kentinde kuruldu.
Elektrik üreten ilk ticari nükleer güç santrali Calder Hall'da (İngiltere) kurulmuş 17 Kasım 1956'da işletime girmiştir. Fisyon kullanılarak üretilen ilk elektrik ise, Aralık 1951'de Arco, Idahodaki Deneysel Üretken Reaktörü'nde elde edilmiştir.
Çalışma Prensibi
Reaktörün merkezinde, ana madde olarak uranyum kullanılmaktadır. Uranyumun parçalanmasından sonra ortaya yüksek miktarlarda enerji çıkmaktadır. Uranyum, bu şekilde fisyon tepkimesine girer. Fisyon tepkimesi ile oluşan yüksek miktardaki enerji, su buharını yüksek sıcaklıklara kadar ısıtır. Oluşan buhar, elektrik jeneratörü türbinlerine iletilir. İletilen buhar türbin şaftını çevirerek elektrik üretimini sağlar. Bu mekanik dönme hareketi sonucunda alternatörlerde elektrik elde edilir. Jeneratörde oluşan elektrik ise iletim hatları denilen iletken teller ile kullanılacağı yere gönderilir. Türbinden çıkan, ısı enerjisi yani sahip olduğu basınç ve sıcaklığı düşmüş olan buhar, tekrar kullanılmak üzere yoğuşturucuda (kondenser) yoğuşturulup su haline dönüştürüldükten sonra, tekrar reaktörün merkezine gönderilir. Yoğuşturucu da su buharının faz değişimini yapabilmek için çevrede bulunan deniz, göl gibi su kaynaklarını soğutucu olarak kullanır.
Güvenlik Sistemleri
Reaktör koruma sistemi
Nükleer reaksiyonu anında sonlandırmak için tasarlanmıştır. Zincirleme tepkimeyi kırarak ısı kaynağını ortadan kaldırır.
Engelleme sistemleri
Engelleme sistemleri çevreye radyoaktif madde salınımını önlemek için tasarlanmıştır. Bazı engelleme sistemleri şunlardır:
Yakıt kaplama
Nükleer yakıt etrafında koruma tabakası olan ve reaktör soğutma devresi boyunca yakıtı korozyondan korumak için tasarlanmıştır.
Reaktör kabı
Nükleer yakıt etrafında koruyucu ilk katmandır ve genellikle bir nükleer reaksiyon sırasında salınan radyasyonun çoğunu yakalamak için yüksek basınçlara dayanacak şekilde tasarlanmıştır.
Birincil çevreleme
Birincil çevreleme sistemi genellikle reaktör kabını içeren büyük bir metal ve beton yapıdan oluşur. Birincil çevreleme sistemi sızıntı ve güçlü iç basınçlara dayanacak şekilde tasarlanmıştır.
İkincil çevreleme
Bazı santrallerde, birincil sistemi kapsayan ikincil çevreleme sistemi vardır. Türbin dahil buhar sistemlerinin çoğu, radyoaktif malzemeleri içerdiğinden bu sistem çok yaygındır.
Çekirdek alıcı
Tam erime durumunda, yakıt büyük olasılıkla binanın beton zemini üzerine sona erer. Birincil çevrelemede zemin genellikle nükleer erimeye karşı yeterli koruma sağlayan betondan oluşur. Bu büyük bir sıcaklığa dayanabilir. Buna rağmen çekirdeğin betonu eriteceği endişesi sebebiyle, "çekirdek tutucu" icat edilmiştir. Bugün, tüm yeni Rus tasarımı reaktörler çevreleme binanın alt çekirdek alıcıları ile donatılmıştır.
Nükleer Enerji Nedir?
Enerji Yoğunluk Oranları
Hidrolik enerji yoğunluğu (~0.001 kJ/gr)
Kimyasal enerji yoğunluğu (~40 kJ/gr)
Atom Enerjisi
Atomun yapısının araştırılması ile başlayan süreç insanoğlunu hidrolik ve kimyasal enerjiden kat kat daha yoğun olan nükleer enerjiyi kullanma imkanına kavuşturmuş ve insanoğlunun uzaya açılmasının önündeki en büyük engellerden birini ortadan kaldırmıştır.
Nükleer enerjinin kullanılması bugün için alternatifsiz olarak gözükmektedir. Özellikle uzay çalışmalarında nükleer enerjinin önemi kıyaslanamayacak derecede büyüktür.
Kütle enerjisi (~90 trilyon kJ/gr)
Nükleer Enerji Nasıl Oluşur?
1- Fisyon yani ağır atom çekirdeklerinin parçalanmasıyla açığa çıkan çok güçlü enerjiler ile nükleer enerji elde edilir. Bunları günlük yaşamımızda kullandığımız elektrik enerjisine çevirmenin yolu nükleer enerji santralleridir.
235U + 1n - 236U - 140Cs + 93Rb + 31n
2- Füzyon reaksiyonunda küçük kütleli çekirdekler birleşip büyük bir çekirdek oluştururlar. Güneş ve yıldızların enerji üretimleri füzyon reaksiyonlarına dayanır. Diğer bir deyişle evrenin oluşumundaki enerji kaynağı füzyon reaksiyonlarına dayanır. Füzyon çevre dostu, temiz bir enerjidir. Füzyon yakıtı hidrojenin izotopları döteryum (D) deniz suyundan, trityum (T) ise yapay olarak elde ediliyor.
D + D - He + n + enerji
T + D - He + n + enerji
Bu reaksiyonların gerçekleşebilmesi için T = 100 milyon C sıcaklığa kadar erişilmesi gerekir. Güneşin yüzey sıcaklığı 6000 C dir.
Bir ton deniz suyu yaklaşık olarak 33 g döteryum içerir.
1 g döteryum-trityum füzyon reaksiyonundan elde edilecek enerji yaklaşık 160 Milyon kJ dur.
E=mc2
Nükleer tepkimeler; parçalanma ürünlerinin toplam kütlesi, ilk çekirdeğin kütlesinden daha küçük olduğunda açığa enerji çıkarırlar. E=mc2 formülü uyarınca kayıp kütle, ürünlerin kinetik enerjisi biçiminde ortaya çıkar.
1 kg U-235 izotopunun fisyon tepkimesi sonucu açığa çıkan enerjinin yaklaşık 1.3 milyon kg kömürünkine eşdeğerdir. Yaklaşık 22 milyar kJ enerji ortaya çıkar.
Zincirleme Reaksiyon
Zincirleme reaksiyon, fisyon sonucunda ortaya çıkan nötronların, ortamda bulunan diğer fisyon yapabilen atomların çekirdekleri tarafından yutularak, onları da aynı reaksiyona sokması ve bunun ardışık olarak tekrarlanmasıdır. Kontrolsüz bir zincirleme reaksiyon, çok kısa bir süre içinde çok büyük bir enerjinin ortaya çıkmasına neden olur. Atom bombasının patlaması bu şekildedir.
Nükleer santrallerde zincirleme nükleer reaksiyonlar sürekli kontrollü ve güvenli bir şekilde oluşur.
Radyasyon
İnsanlar doğal çevreden ve yapay kaynaklardan sürekli radyasyon alarak yaşarlar.
Doğal radyasyon = %88
Yapay radyasyon = %12
Nükleer santralin etki alanında yaşayan bir kişinin alacağı ek radyasyon, tek bir göğüs röntgeni çektirmekle alınacak radyasyonun ellide biri kadardır.