Nükleer enerji santralleri nedir?
Nükleer enerji santralleri kömür ile çalışan termik santrallerden çok farklı sayılmaz. Termik santrallerde kömür yakılarak su kaynatılır. Böylece elde edilen buhar gücü ile bir türbin döndürülür ve türbin elektrik üretir. Nükleer enerji santrallerinde ise gerekli ısı atomlarının bir reaktörde bölünmesi ile üretilmektedir.
Kullanılabilir miktarda enerji üreten ilk reaktörler 1950’li yıllarda İngiltere’deki Calder Hall’da kurulmuştur. Bu reaktörler aslında askeri amaç ile plütonyum üretmek ve nükleer enerji konusunda deneyim kazanmak için kurulmuştur. Bunlarda elektrik üretimine 1956 yılında başlanmıştır. Bu reaktörlerin yavaşlatıcıları Fermi’nin reaktöründe olduğu gibi grafitti, yakıt olarak magnezyum alaşımından bir kap içine yerleştirilmiş doğal uranyum metali kullanılıyor ve sistem basınçlı karbondioksit ile soğutuluyordu. Tepkime esnasında meydana gelen ısıyı emmekte olan karbondioksit bunu ısı değiştiricilerine taşımakta ve ısı burada elektrik üretmeye yarayan türbo-alternatörleri çalıştıracak buharı elde etmek için kullanmaktadır. Bu reaktörlere magnox tipi adı reaktör adı verilmektedir. Daha sonra bunların benzeri olan başka reaktörler yapılmıştır. Geliştirilmiş Gaz Soğutmalı Reaktör (AGR) tipi ortaya çıkmıştır.
ABD’li bilimciler 1950 yılların başlarında denizaltılarda güç kaynağı olarak kullanılmak üzere küçük reaktörler geliştirmeye başlamışlardır. ABD’lilerin elinde yüksek miktarda zenginleştirilmiş uranyum bulunuyordu. Yavaşlatıcı olarak da su kullanmayı düşünmüşlerdir. Aslında su nötronları soğurur, yani içinde tutar ve zincirli tepkimeyi devam ettirmeye yarayan nötronların azalmasına sebep olur. Ama nötronları yavaşlatma konusunda grafitten daha çok etkilidir. Denizaltılar için küçük reaktörler yapmayı başarmış olan ABD’li bilimciler sonraki dönemlerde ucuz elektrik üretebilecek bir reaktör geliştirmek için çaba göstermişlerdir. Bunun neticesinde Basınçlı Su Soğutmalı Reaktör (PWR) ve Kaynar Sulu Reaktör (BWR) tasarlanıp geliştirilmiştir.
PWR tipi reaktörlerde yakıt olarak %3 oranında U-223 içerecek şekilde zenginleştirilmiş olan ve özel alaşımdan yapılmış bir kutu içine yerleştirilmiş uranyum dioksit kullanılır. Yine yavaşlatıcı ve soğutucu olarak sudan faydalanma yoluna gidilir. Pompalanan su önce reaktörlerde dolaştırılır daha sonra ısı değiştiricisine aktarılır, reaktörde ısınan su, ısı değiştiricisindeki ikinci bir su devresinde buhara dönüştürülür ve buhar elektrik üreten türbinleri çalıştırır. BWR tipi reaktörde reaktörün kat kısmı yani zincirleme tepkimenin meydana geldiği bölüm PWR’nin ki ile aynıdır. Ama bunlarda ikinci bir su sisteminden söz edilemez ve reaktörün soğutma devresinden çıkan buhar doğrudan türbinlere beslenir.
Modern nükleer reaktörlerde yakıt elemanları olan uranyum çubukları reaktörün içine demetler şeklinde yerleştirilir. Çubuklar kafes şeklinde düzenlenir. Böylece soğutma sıvısı yada gazının bunların arasından akarak ısıyı emmesi ve taşıması sağlanır. Yakıt elemanlarının arasındaki kanallara kolayca norton soğurtabilen ve böylece zincirleme tepkimeleri durdurabilen bir maddeden (örneğin bordan) yapılmış olan “denetim” çubukları yerleştirilir. Bu çubuklar bulundukları kanallardan yükseltilip alçaltılarak enerji üretim miktarı denetim altında tutulabilir. Bütün yakıt elemanları ve denetim çubukları yavaşlatıcı olarak kullanılan malzemeye gömülmüştür. Yavaşlatıcı olarak grafit, su ya da ağır su ( bir hidrojen ,izotopu olan döteryum bakımından zengin su) kullanılabilir. Reaktörün bu kalp kısmı çekirdek bölünmesi sırasında ortaya çıkan ışınımın (radyasyonun) dışarı sızmasını engellemek amacı ile çok kalın bir beton ya da çelik kalkan ile çevrilidir.
“Hızlı” rektörler her uranyum çekirdek bölünmesi tepkimesinde iki ya da üç nötron serbest kalır. Oysa zincirleme çekirdek bölünmesi tepkimesini devam ettirebilmek için bunlardan sadece birine ihtiyaç vardır ve neticede çok sayıda nötron “yedek” olarak kalır. Yedeklerden bir kısmı kaçar, ama bunlar reaktör kalkanı, yavaşlatıcı ve çekirdeği bölünemeyen U-238 tarafından tutulur. Geriye kalanlarda denetim çubukları ile “temizlenir”.
Hızlı reaktörlerde aynı miktar uranyum ile “konveksiyonel” ısı reaktörlerdeki oran ile 50-60 kat daha çok enerji üretilebilir. Hızlı reaktörlerde, ısıl nükleer reaktörlerden bir yan ürün olarak çıkan plütonyum yakılabildiği gibi çekirdeği bölünebilir olmayan ve ısıl reaktörlerce “yakılamayan” U-238’de plütonyuma dönüştürülebilir. İlk ticari amaçlı hızlı reaktör Fransa’nın güneybatısındaki Creys – Malville’de kurulmuştur.