SeyrüseferMühendishaneMakaleler → Nükleer Reaktör

Nükleer Reaktör

Mühendishane - Makaleler
Cumartesi, 01 Mayıs 2004

Nükleer ReaktörDenizin altında çok uzun sürelerle ve çok yüksek sürâtlerle kalabilme hedefinde elde edilen ilk ciddi başarı Abd tarafından inşa edilen Nautilus nükleer denizaltısı ile elde edildi. Nautilus temelde ikinci dünya savaşı sonrasında Almanya'dan elde edilen teknoloji ile tasarımı yapılan boyutları büyütülmüş bir Tip-21 türevi ile Japon I-400 karışımı bir gövdeye nükleer bir enerji santralinin yerleştirilmesiyle inşa edilmiştir.

Doğada mevcut bir madde olan uranyum topraktan çıkartıldığında çeşitli izotoplarının bir arada bulunduğu bir haldedir. Çekirdeğinde 92 proton bulunan uranyumun bu ham halinde, en ağırlarının çekirdeğinde 146 nötron (yaklaşık toplam kütlenin %99.3'ü), orta ağırlıktakilerin (%0.7) 143 nötron ve hafif olanların (<%0.01) 142 nötron mevcuttur. Bu üç izotopun tanımlanması için çekirdeklerindeki proton ve nötron adetlerinin toplanmasıyla adlandırılırlar; uranyum-238, uranyum-235 ve uranyum-234.

Bir reaktörde yakıt olarak kullanılabilmesi için uranyum cevherinin işlenmesi ve içerdiği uranyum-235 izotopu miktarının kütle olarak %0.7'den %5 civarına yükseltilmesi gerekir. Uranyum zenginleştirme olarak adlandırılan bu işlem için çeşitli yöntemler geliştirilmiştir. Zenginleştirildikten sonra uranyum çok yoğun miktarda ısı üretir. Bu ısı buhar üretmek için kullanılarak ve bu buharla da bir buhar türbini işletilir. Bu yöntemin denizaltıların sevk edilmesinde kullanılabileceğini fark eden ve ilk olarak uygulayan da 1954 yılında Abd donanması olmuştur.

Bu günden sonra gerek denizde gerek karada çok çeşitli türde nükleer reaktörler geliştirildi ve kullanıldı. Üstelik bazı odaklar tarafından Türk kamuoyunda insanlara gösterildiğinin aksine, Almanya, İsviçre, Fransa, Abd, Japonya gibi ülkeler başta olmak üzere halen geliştirilmeye devam ediliyor ve artık 4.nesil olarak adlandırılan reaktörler kullanılmaya başlanacak.

Nükleer reaktörler kullandıkları soğutucu türlerine göre sınıflandırılırlar. Reaktör soğutucularından beklenen temel nitelikler; düşük erime noktası, yüksek kaynama noktası, yapı üzeride korozyona sebep olmama, düşük nötron soğurma kesiti, radyasyon dengesi, ısı dengesi, türbin sıvılarıyla etkileşime girmeme, yüksek ısı transfer katsayısı, düşük pompala gücü gereksinimi olarak sayılabilir. Aslına bakılırsa hiçbir soğutucu akışkan bu niteliklerinin hepsini birden karşılayamaz ve hepsinin bazı üstünlükleri ve zaafları mevcuttur. Bu nedenle de pek çok reaktör türü geliştirilmiştir. Başlıca reaktör türleri şunlardır;

  • Basınçlı sulu
  • Kaynar sulu
  • Ağır sulu
  • Süperkritik sulu
  • Organik (difenil, difeniloksit)
  • Sıvı metalli (sodyum, potasyum, kurşun, bizmut ve bunların karışımları)
  • Gazlı (hava, azot, karbondioksit, helyum)
  • Çözünmüş tuzlu

Burada konumuz denizaltılar olduğu için bu reaktör türlerinden sadece ikisi, denizaltılarda kullanıldıklarından, kapsama alanımıza girecektir;

  1. Basınçlı su soğutmalı nükleer reaktörler
  2. Sıvı metal soğutmalı nükleer reaktörler

Basınçlı Su Soğutmalı Reaktörler

1947 senesinde Abd nükleer denizaltı programı başladığında tasarımda kaynar sulu reaktör kullanılması düşünülüyordu fakat o yıllarda bu alandaki zorlukların üstesinden gelinemediğinden nihayetinde basınçlı su soğutmalı bir sistem seçildi. İlk nükleer denizaltı için tasarımı yapılan mark-1 adı verilen basınçlı su reaktörü 1953 senesinde çalışmaya başlamıştır. Bu modelden sonra özellikle ABD'de askeri ve sivil amaçlarla yoğun olarak basınçlı su tipi reaktörler kullanılmıştır. Basınçlı su reaktörlerinde fizyon ısısı soğutucu olarak kullanılan su ile denetim altına alınır.

Bu tip reaktörlerde iki devreli bir ısı iletme çevrimi kullanılır. Birinci çevrim reaktör ile buhar üreticisi arasında ikinci çevrim ise buhar üreticisi ile buhar türbini arasında işler. Birinci çevrimde akışkan sıcaklığı 290oC civarındadır. Sistemde bulunan basınç arttırıcı araç akışkan basıncını 150 atmosfer civarında tutarak kaynamaya engel olur. Sovyet Lira (Alfa) sınıfının hizmetten kaldırılmasından sonra bugün dünyada mevcut tüm nükleer denizaltılarda kullanılan reaktörler basınçlı su tipindedir. Genel olarak söyleyebiliriz ki;

  • Su teknolojisi iyi bilinen bir teknolojidir
  • Su ucuzdur
  • Su nötron enerjisinin azaltmak açısından çok etkindir
  • Yüksek ısı kapasitesine sahiptir
  • Isı katsayısı negatiftir
  • Olağan sızntılara tahammül edebilir
  • Fizyon ürünleri çevrime karışmaz
  • Soğutucunun radyoaktivitesi saf tutulabildiği sürece kısa ömürlüdür
  • Dönüşüm oranı yüksek olabilir
  • Super ısıtılmış buhar için ayrı bir ısıtıcı kullanarak mümkün olabilir

Basınçlı su reaktörlerinin başlıca zaafları ise aşağıdaki gibidir;

  1. Kaynamadan yüksek sıcaklıklar elde edebilmek için yüksek basınç altında tutulması gereklidir
  2. Yakıt elemanlarının imalatı pahalıdır
  3. Metalik yakıt elemanlarında sıcaklık sınırlıdır
  4. Çekirdekte fizyon ürünleri faaliyeti yüksektir
  5. Saf sıcak su yüksek derecede koroziftir, bu nedenle birinci çevrimde özel ve pahalı maddeler kullanmak gereklidir
  6. Yakıt en azından bir miktar zenginleştirilmelidir
  7. Isı değiştirici ve kontrol çubuklarına ihtiyaç vardır
  8. Isı transferi sadece orta derecede etkindir
  9. Yakıtın yeniden işlenmesi oldukça güçtür
  10. Çekirdeğin boşaltılıp doldurulması için reaktörün kapatılması gereklidir
  11. Birinci çevrimde sızıntı olduğunda su buhara karışır
  12. Belirli şartlar altında su uranyum, toryum ve yapısal metallerle reaksiyona girer
  13. Düşük ısı transfer verimi sebebiyle ısı değiştirici, pompalar ve boru tesisatı göreceli olarak büyüktür. Bu da daha fazla ses izi anlamına gelir.

Sıvı Metal Soğutmalı Reaktörler

Sıvı metal temelli nükleer reaktörler alanında önde gelen ülkeler Rusya ve İsviçre'dir. Rusya bu tip reaktörleri bazı denizaltılarında da kullanmıştır ve İsviçre günümüzde kara temelli yeni nesil sıvı metal reaktörler üzerinde yoğun olarak çalışmaktadır. Abd donanması da geçmişte bir denizaltısında sıvı metal reaktör denediyse de karşılaşılan sorunlar sonucunda daha sonra bu programı iptal etmiştir.

Sıvı metal soğutmalı reaktörlerde kullanılan başlıca soğutucular; sodyum, potasyum, sodyum-potasyum karşımı, bizmut ve kurşun-bizmut karışımıdır. Kara reaktörlerinde genellikle sodyum, potasyum ve bunların karışımları kullanılır. Sodyum temelli bir sıvı metal soğutmalı reaktör çalışma şeması aşağıda görülebilir.

Sıvı Metal Nükleer Reaktör

Resim.1) Bir sıvı metal soğutmalı nükleer reaktör çevrimi

Bazı korozyon ve erozyon sorunlarının giderilmesinden sonra kurşun-bizmut soğutmalı reaktörlere sahip Lira (Alfa) sınıfı 8 Sovyet denizaltısı 20 sene boyunca güç üretmiştir. Kurşun-bizmut içindeki oksijen seviyesinin denetim altında tutulması korozyon dayanımı açısından çok önemlidir.

Sıvı metalli reaktörler çalışma hayatları boyunca soğutucularının çok iyi ısı transfer nitelikleri sebebiyle çok az yakıt çubuğu arızası yaparlar. Kurşun-bizmut-ötektik soğutucunun ürettiği radyoaktivite (polonyum- Po-210, yarı ömrü 138 gün olan bir alfa ışınımı) havuz sınırları içinde tutulur. Sıvı metaller sıra dışı ısı iletme niteliklerine sahiptir, modern türbinlerin ihtiyaç duydukları niteliklerdeki buharı çok yüksek sıcaklıklarda çalıştıklarından (birinci çevrimde, sodyumlu bir reaktör için akışkan sıcaklığı 565oC civarındadır, bu değer basınçlı su reaktörlerinin yaklaşık iki katıdır ve kurşun-bizmut reaktörlerinde daha da yüksektir) rahatça üretebilirler.

İlave olarak düşük basınçta çalıştıklarından çok düşük pompa gücüne ihtiyaç duyarlar ve akışkan metal temelli olduğundan elektromanyetik pompalar kullanılabilir ki bu durum bir nükleer denizaltının ses izi için çok önemli bir husustur. Aynı güç için bir sıvı metal reaktörün güç/ağırlık ve güç/hacim oranı diğer tüm reaktör türlerinden daha yüksektir.

Diğer taraftan yüksek ısıl gerilmeler reaktör sisteminin yapısal tasarımını güçleştirir. Soğutucunun oksijenle ve ikinci çevrimdeki suyla temasının önlenmesi ciddi önlemler gerektirir, yakıt üzerindeki işlemler güçtür, donma ihtimaline karşı soğutucuyu tekrar eritmeye yönelik önlemler mevcut olmalıdır.

Bugün için donanmalrında nükleer tahrikli sevk sistemi kullanan ülkeler;

  1. Abd
  2. Rusya
  3. Fransa
  4. İngiltere
  5. Çin
  6. Hindistan

olarak sıralanmaktadır. Yakın gelecekte Brezilya, Pakistan ve Arjantin'in de bu listeye eklenmesi beklenebilir.

 







Telif Hakkı © 1997-2017 [uskudar.biz] - sürüm 5.5.1 - Bütün Hakları Saklıdır. Kullanım şartları için tıklayın!
Joomla! GNU/GPL lisansı altında özgür bir yazılımdır.