Nükleer enerji santrali

Nükleer enerji santrali (yaygın kullanımda: nükleer santral veya atom santrali; İngilizce: Nuclear Power Plant, kısaltma: NPP), ısı kaynağı olarak bir nükleer reaktörün kullanıldığı bir tür termik santraldir. Nükleer enerji santralleri, nükleer fisyon yoluyla üretilen ısı enerjisini kullanarak buhar üretir; bu buhar, bir jeneratöre bağlı buhar türbinini döndürerek elektrik enerjisi üretir.

Rio de Janeiro, Brezilya'daki Angra Nükleer Santrali

"Cattenom" Nükleer Santrali, Fransa

Eylül 2023 itibarıyla Uluslararası Atom Enerjisi Kurumu (UAEK), dünya genelinde 32 ülkede faaliyette olan 410 nükleer santral bulunduğunu ve 57 santralin inşa aşamasında olduğunu bildirmiştir.^[1][2][3]

Nükleer santraller, işletme, bakım ve yakıt maliyetleri görece düşük olduğu için genellikle baz yük üretimi amacıyla kullanılır.^[4] Bununla birlikte, bir nükleer santralin inşası genellikle beş ila on yıl sürer ve bu durum, özellikle ilk yatırımın finansman yöntemine bağlı olarak, önemli ölçüde maliyet doğurabilir.^[5]

Nükleer enerjinin karbon ayak izi, güneş enerjisi santrali ve rüzgar enerjisi santrali gibi yenilenebilir enerji kaynakları ile karşılaştırılabilir düzeydedir.^[6][7] Nükleer santraller ayrıca güneş ve rüzgar enerjisi santralleriyle karşılaştırıldığında, istatistiksel olarak en güvenli elektrik üretimi biçimleri arasında yer alır.^[8][9]

Tarihçe

Albert Einstein, 1905 yılında geliştirdiği E=mc² formülüyle, nükleer fisyon (bir atom çekirdeğinin iki veya daha fazla parçaya bölünmesi) süreci sonucunda açığa çıkabilecek enerji miktarına ilişkin teorik bir öngörüde bulunmuştur. Bu kuramsal öngörü, 1938 yılında Otto Hahn, Lise Meitner ve Fritz Strassmann tarafından deneysel olarak doğrulanmıştır.

Dünyadaki ilk nükleer reaktör, 1942 yılında Enrico Fermi tarafından yönetilen Chicago Üniversitesi'ndeki Chicago Pile-1 projesi kapsamında Amerika Birleşik Devletleri'nin Illinois eyaletinde kurulmuştur.

Hindistan'daki Kudankulam Nükleer Enerji Santrali

Nükleer enerji kullanılarak üretilen ilk elektrik, Aralık 1951'de ABD'nin Idaho eyaletindeki Arco yakınlarında bulunan Deneysel Üretken Reaktör-I'de (Experimental Breeder Reactor-I, EBR-I) elde edilmiştir. 21 Aralık 1951 tarihinde, bu reaktör ilk kez dört ampulü aydınlatmak için elektrik üretmiştir.^[10][11]

27 Haziran 1954'te, bir elektrik şebekesine ticari olarak elektrik sağlayan ilk nükleer enerji santrali olan Obninsk Nükleer Güç Santrali, Sovyetler Birliği'ndeki Obninsk kentinde hizmete girmiştir.^[12][13][14]

Birleşik Krallık'ta yer alan Calder Hall Nükleer Enerji Santrali, 17 Ekim 1956 tarihinde açılmış ve plütonyum üretimi amacıyla da tasarlanmıştır. Dünyada yalnızca elektrik üretimine yönelik olarak kurulmuş ilk tam ölçekli nükleer enerji santrali ise 18 Aralık 1957 tarihinde ABD'nin Pensilvanya eyaletindeki Shippingport Atom Enerjisi Santrali olarak faaliyet göstermeye başlamıştır.^[15]

Temel bileşenler

Yakıt işleme Radyatif atık sistemi Yakıt ikmal katı Kullanılmış yakıt havuzu RBMK ve CANDU gibi bazı tasarımlarda Çevrimiçi yakıt ikmal makinesi(leri) Güç üretimi Yoğuşturucu Soğutma kulesi Elektrik üreteci Buhar türbini

Reaktör tertibatı Kontrol çubuğu tahrikleri İyon odaları gibi enstrümantasyon Kontrol çubukları Soğutucu Nötron obüs Nötron moderatörü Nötron zehiri Nükleer yakıt Nükleer reaktör çekirdeği Reaktör basınç kabı (Çoğu reaktörde) Başlangıç nötron kaynağı

Güvenlik sistemleri Sınırlama binası Acil durum çekirdek soğutma sistemi Acil durum güç sistemi Temel hizmet suyu sistemi Reaktör koruma sistemi Bekleme sıvı kontrol sistemi Buhar üretimi Kazan besleme suyu pompası Buhar jeneratörleri (basınçlandırıcılara sahip PWR reaktörlerinde)

Sistemler

Kaynar su reaktörü (BWR)

Nükleer santrallerde elektrik enerjisi üretimi, geleneksel termik santrallerde olduğu gibi dolaylı yolla gerçekleşir. Nükleer reaktörde meydana gelen nükleer fisyon süreci, reaktör içindeki soğutucu akışkanı ısıtır. Bu soğutucu, reaktör tipine bağlı olarak su, gaz veya sıvı metal olabilir. Isıtılan soğutucu, buhar üreteçine yönlendirilerek burada su buhara dönüştürülür. Elde edilen basınçlı buhar, genellikle çok kademeli bir buhar türbinine gönderilir. Türbinden çıkan düşük basınçlı buhar, bir yoğuşturucuda yoğuşturularak sıvı hâle getirilir. Yoğuşturucu, ikinci bir devreyle çalışan ve genellikle soğutma kulesi ya da doğal bir su kaynağından gelen soğuk suyla ısı alışverişi yapan bir ısı eşleyicisidir. Yoğuşturulan su, yeniden buhar üretecine pompalanır ve çevrim sürdürülür. Bu işlem, Rankine çevrimi olarak adlandırılan termodinamik döngüye karşılık gelir.

Reaktör, santralin merkezinde yer alır. Nükleer reaktör çekirdeğinde gerçekleşen fisyon tepkimeleri sonucunda ısı açığa çıkar. Bu ısıyla reaktöre pompalanan soğutucu ısıtılır. Isıtılan akışkanın taşıdığı ısı, buhar türbininden geçirilen ve elektrik üretecine güç sağlayan buharı üretmekte kullanılır.

Nükleer reaktörlerde enerji üretimi için genellikle uranyum kullanılır. Uranyum, doğada bol bulunan ve kayalarda, deniz suyunda yaygın olarak rastlanan ağır bir metaldir. Doğal uranyum, başlıca iki izotoptan oluşur: Yaklaşık %99,3'ünü uranyum-238 (U-238), %0,7'sini ise uranyum-235 (U-235) oluşturur. U-238 izotopunda 146, U-235 izotopunda ise 143 nötron bulunur.

Bu iki izotop farklı fiziksel ve nükleer özellikler gösterir. U-235 kolaylıkla bölünebilir ve yüksek miktarda enerji açığa çıkarır; bu nedenle fisyon tepkimeleri için tercih edilir. U-238 ise bölünemez ve daha uzun bir yarı ömüre sahiptir. Bu nedenle U-235'e göre daha az radyoaktiftir.

Fisyon tepkimesi sırasında ortaya çıkan radyoaktivite nedeniyle reaktör çekirdeği kalın duvarlı bir koruyucu muhafaza ile çevrilidir. Bu muhafaza, radyasyonu emerek çevreye radyoaktif madde sızmasını önler. Birçok santral, iç kazalara ve dış etkilere karşı güvenlik sağlamak amacıyla reaktörü çevreleyen kalın beton kubbelerle inşa edilmiştir.^[16]

Basınçlı su reaktörü (PWR)

Basınçlı su reaktörü (PWR) sistemlerinde, buhar türbini nükleer sistemden fiziksel olarak ayrıdır. Böylece radyoaktif suyun türbin sistemine karışması önlenmiş olur. Buna karşılık, kaynar su reaktörü (BWR) tasarımlarında reaktörden çıkan buhar doğrudan türbinden geçirilir; bu nedenle türbin, santralin radyolojik açıdan denetlenen bölgesi içerisinde yer alır. PWR sistemlerinde, buhar üreteçlerinde oluşabilecek sızıntılar, çıkış buharı üzerinde çalışan radyasyon izleme aygıtlarıyla erken evrede saptanabilir.

Elektrik üreteci, buhar türbini tarafından üretilen dönme hareketini elektrik enerjisine dönüştürür. Bu amaçla yüksek güce sahip senkron üreteçler kullanılır. Reaktörün soğutma sistemi, çekirdekten aldığı ısıyı santralin diğer bölümlerine taşır. Bu ısı genellikle kazanlarda buhar elde etmekte kullanılır ve elde edilen buhar bir veya birden fazla buhar türbini aracılığıyla elektrik üretiminde değerlendirilir.^[17]

Acil durumlarda, sistemdeki aşırı basınç artışlarını denetlemek amacıyla emniyet valfleri devreye girer. Kaynar su reaktörlerinde fazla buhar bastırma havuzuna yönlendirilerek burada yoğuşturulur. Bu havuz, bir ısı değiştirici yardımıyla ara soğutma devresine bağlanır.

Ana yoğuşturucu, buhar türbininden çıkan ıslak buharı soğutarak yoğuşturur. Bu aygıt genellikle borulu ısı eşleyici biçimindedir. Soğutma devresi, içinden nehir, göl veya deniz gibi doğal kaynaklardan gelen soğuk suyun geçtiği binlerce borudan oluşur.

Bazı nükleer reaktörler, türbinlerden çıkan buharı yoğuşturmak için soğutma kulesi kullanır. Bu buhar, radyoaktiviteye maruz kalmamıştır.

ABD'nin Arizona eyaletinde, Phoenix kentinin yaklaşık 97 kilometre (60 mi) batısında yer alan Palo Verde Nükleer Santrali, soğutma amacıyla doğal su kaynaklarını kullanmayan tek nükleer enerji santralidir. Bu tesis, atıksu arıtma tesisinden elde edilen geri dönüştürülmüş kanalizasyon suyunu soğutma devresinde kullanır.^[18]

Buhar üreteçindeki ve reaktördeki su düzeyleri, besleme suyu sistemi tarafından denetlenir. Kazan besleme suyu pompası, suyu kondensat sisteminden çekerek basıncını artırır ve basınçlı su reaktörlerinde buhar üreteçlerine, kaynar su reaktörlerinde ise doğrudan reaktöre gönderir.

Nükleer santrallerde sürekli güç temini, güvenli çalışmayı sağlamak açısından yaşamsal öneme sahiptir. Bu nedenle çoğu santral, en az iki bağımsız dış elektrik iletim hattı ile şebekeye bağlanır. Ayrıca bazı santrallerde, türbin kaynaklı elektrik, santral iç sistemlerine doğrudan iletilir. Bu, istasyon servis trafosu aracılığıyla gerçekleştirilir; elektrik üreteci çıkış gücü, yükseltici trafoya ulaşmadan önce bu trafolar yoluyla santral iç yüklerine aktarılır.

Dünya işletme durumu

Nükleer santraller, dünya genelinde yaklaşık 440 reaktör aracılığıyla küresel elektrik üretiminin yaklaşık %10’unu sağlamaktadır. Düşük karbonlu elektrik üretiminin önemli kaynakları arasında yer almakta olup, bu kategorideki dünya arzının yaklaşık dörtte birini karşılamaktadır. 2020 yılı itibarıyla nükleer enerji, toplamın %26’sını oluşturarak düşük karbonlu enerji kaynakları arasında ikinci sırada yer almıştır. Günümüzde nükleer enerji tesisleri, 32 ülke veya bölgede faaliyet göstermektedir.^[19] ve etkileri, özellikle Avrupa'da, bölgesel iletim şebekeleri aracılığıyla bu ulusların ötesine uzanır.^[20]

2022 yılında nükleer santraller 2545 teravat-saat (TWh) elektrik üretti. Bu rakam 2021 yılında üretilen 2653 TWh'ye göre ufak bir azalma göstermektedir. On üç ülke elektriğinin en az dörtte birini nükleer kaynaklardan üretmiştir. Özellikle Fransa elektrik ihtiyacının yaklaşık %70'ini nükleer enerjiden karşılarken, Ukrayna, Slovakya, Belçika ve Macaristan güçlerinin yaklaşık yarısını nükleerden sağlar. Daha önce elektriğinin dörtte birinden fazlasını nükleerden karşılayan Japonya'nın da benzer seviyelerde nükleer enerji kullanımına geri dönmesi beklenmektedir.^[21][19]

Son 15 yıl içerisinde Amerika Birleşik Devletleri’ndeki nükleer santrallerin operasyonel performansında kayda değer bir artış gözlenmiştir. Bu gelişme, reaktörlerin kullanım oranlarını ve verimliliğini artırmış, fiilen inşa edilmeyen 19 adet 1000 MWe kapasiteli reaktöre eşdeğer elektrik üretimi sağlanmasına imkân tanımıştır.

Fransa’da ise nükleer santraller, 2022 yılı itibarıyla ülkenin toplam elektrik üretiminin yüzde altmışından fazlasını karşılamaya devam etmektedir. Daha önce nükleer enerjiden elde edilen elektrik üretim payının 2025 yılına kadar yüzde ellinin altına düşürülmesi planlanmışken, bu hedef 2019 yılında 2035’e ertelenmiş, 2023 yılında ise tamamen iptal edilmiştir.

Rusya, çeşitli ülkelerdeki projeleriyle dünyanın en fazla nükleer santralini ihraç etmeye devam etmektedir. Temmuz 2023 itibarıyla Rusya, yabancı satıcılar tarafından inşa edilen 22 reaktörden 19'unu inşa etmekteydi^[22] ancak, Rusya'nın Ukrayna'yı işgali nedeniyle bazı ihracat projeleri iptal edildi.^[23]

Bu arada Çin nükleer enerjide ilerlemeye devam etmektedir: 2023 sonuna kadar inşa halinde 25 reaktörü bulunan Çin, dünyada aynı anda en fazla reaktör inşa eden ülke konumundadır.^[22][24]

Güvenlik Sistemleri

Ana madde: Nükleer reaktör güvenlik sistemleri

2006'daki Çernobil reaktöründeki 4 numaralı bina, daha sonra inşa edilen güvenlik elemanları dahil.

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 düşer. 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.^[25]

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 6.000 °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.