Bu maddedeki üslubun, ansiklopedik bir yazıdan beklenen resmî ve ciddi üsluba uygun olmadığı düşünülmektedir. Maddeyi geliştirerek ya da konuyla ilgili tartışmaya katılarak Vikipedi'ye katkıda bulunabilirsiniz.
Nükleer santraller, işletme, bakım ve yakıt maliyetleri, maliyet spektrumunun alt ucunda olduğundan dolayı genellikle temel yük için kullanılır.[5] Ancak, bir nükleer santral inşa etmek genellikle beş ila on yıl sürer ve bu ilk yatırımların nasıl finanse edildiğine bağlı olarak önemli finansal maliyetlere yol açabilir.[6]
Einstein 1905 yılında E=mc2 formülü ile fisyon (atom çekirdeğinin iki veya daha fazla parçaya 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 Fermi'nin yürüttüğü bir proje sonucunda Amerika Birleşik Devletleri'nin Chicago, Illinois kentinde kuruldu.
Bir nükleer reaktörden gelen ısının elektrik üretmek için kullanılması ilk kez 21 Aralık 1951'de Deneysel Üretici Reaktör I'de gerçekleşti ve dört ampulü çalıştırdı.[11][12]
Dünyanın ilk tam ölçekli enerji santrali olan Calder Hall nükleer enerji santrali, Birleşik Krallık'ta 17 Ekim 1956'da açıldı ve plütonyum üretmesi de amaçlanmıştı.[16] Dünyanın yalnızca elektrik üretimine adanmış ilk tam ölçekli enerji santrali, 18 Aralık 1957'de şebekeye bağlanan ABD'nin Pensilvanya kentindeki Shippingport Atom Enerjisi Santrali'ydi.
Temel bileşenler
Yakıt işleme
Radyatif atık sistemi
Yakıt ikmal katı
Kullanılmış yakıt havuzu
RBMK ve CANDU gibi bazı tasarımlarda Çevrimiçi yakıt ikmal makinesi(leri)
Buhar jeneratörleri (basınçlandırıcılara sahip PWR reaktörlerinde)
Sistemler
Elektrik enerjisine dönüşüm, geleneksel termik santrallerde olduğu gibi dolaylı olarak gerçekleşir. Nükleer reaktördeki fisyon, reaktör soğutma sıvısını ısıtır. Soğutma sıvısı, reaktörün türüne bağlı olarak su, gaz veya hatta sıvı metal olabilir. Reaktör soğutma sıvısı daha sonra bir buhar jeneratörüne gider ve buhar üretmek için suyu ısıtır. Basınçlı buhar daha sonra genellikle çok aşamalı bir buhar türbinine beslenir. Buhar türbini buharı boşaltıp kısmen yoğunlaştırdıktan sonra, kalan buhar bir kondansatörde yoğunlaştırılır. Kondansatör, nehir veya soğutma kulesi gibi ikincil tarafa bağlı bir ısı eşanjörüdür. Daha sonra su, buhar jeneratörüne geri pompalanır ve döngü tekrar başlar. Su-buhar çevrimi Rankine çevrimine karşılık gelir.
Nükleer reaktör, istasyonun kalbidir. Reaktörün çekirdeği, merkez kısmında nükleer fisyon nedeniyle ısı üretir. Bu ısıyla, reaktöre pompalanan soğutucu ısıtılır ve böylece reaktörden enerji alınır. Nükleer fisyondan gelen ısı, türbinlerden geçen ve elektrik jeneratörlerine güç veren buharı yükseltmek için kullanılır.
Nükleer reaktörler genellikle zincirleme reaksiyonu beslemek için uranyuma dayanır. Uranyum, dünyada bol miktarda bulunan ve deniz suyunda ve çoğu kayada olan çok ağır bir metaldir. Doğal olarak oluşan uranyum iki farklı izotopta bulunur: %99,3'ü oluşturan uranyum-238 (U-238) ve yaklaşık %0,7'si oluşturan uranyum-235 (U-235). U-238'in 146 nötronu ve U-235'in 143 nötronu vardır.
Farklı izotopların farklı davranışları vardır. Örneğin, U-235 bölünebilir, yani kolayca bölünebilir ve çok enerji yayar, bu ise U-235'i nükleer enerji için ideal yapar. Öte yandan, U-238 aynı element olmasına rağmen bu özelliği yoktur. Ayrıca farklı izotopların farklı yarı ömürleri vardır. U-238, U-235'ten daha uzun yarı ömre sahiptir, bu nedenle zamanla bozunması daha uzun sürer. Bu ayrıca U-238'in U-235'ten daha az radyoaktif olduğu anlamına gelir.
Nükleer fisyon radyoaktivite yarattığından, reaktör çekirdeği koruyucu bir kalkanla çevrilidir. Bu muhafaza radyasyonu emer ve radyoaktif malzemenin çevreye salınmasını önler. Ayrıca birçok reaktör, reaktörü hem iç kazalara hem de dış etkilere karşı korumak için bir beton kubbe ile donatılmıştır.[17]
Buhar türbininin amacı buhardaki ısıyı mekanik enerjiye dönüştürmektir. Buhar türbininin bulunduğu motor bölmesi genellikle yapısal olarak ana reaktör binasından ayrılır. Çalışır durumdaki bir türbinin tahribatından kaynaklanan döküntülerin reaktöre doğru uçmasını önleyecek şekilde hizalanır.
Basınçlı su reaktöründe buhar türbini nükleer sistemden ayrılır. Buhar jeneratöründeki bir sızıntıyı ve dolayısıyla radyoaktif suyun geçişini erken bir aşamada tespit etmek için, buhar jeneratörünün çıkış buharını izlemek üzere bir aktivite ölçer takılır. Buna karşılık, kaynar su reaktörleri radyoaktif suyu buhar türbininden geçirir, böylece türbin nükleer santralin radyolojik olarak kontrol edilen alanının bir parçası olarak tutulur.
Elektrik jeneratörü, türbin tarafından sağlanan mekanik gücü elektrik gücüne dönüştürür. Yüksek nominal güce sahip düşük kutuplu AC senkron jeneratörler kullanılır. Bir soğutma sistemi, reaktör çekirdeğinden ısıyı alır ve onu istasyonun başka bir alanına taşır; burada termal enerji, elektrik üretmek veya diğer yararlı işler yapmak için kullanılabilir. Genellikle sıcak soğutucu, bir kazan için ısı kaynağı olarak kullanılır ve buradan gelen basınçlı buhar, bir veya daha fazla buhar türbini ile çalışan elektrik jeneratörünü çalıştırır.[18]
Acil bir durumda, boruların patlamasını veya reaktörün patlamasını önlemek için emniyet valfleri kullanılabilir. Valfler, basınçta çok az artışla sağlanan tüm akış hızlarını elde edebilecek şekilde tasarlanmıştır. Kaynar su reaktörü durumunda, buhar bastırma odasına yönlendirilir ve orada yoğunlaşır. Isı eşanjöründeki odalar ara soğutma devresine bağlanır.
Ana kondenser, türbin-jeneratör egzozundan gelen ıslak buharı, sıvı su ve doygunluk koşullarında buhar karışımını alıp onu tekrar alt soğutulmuş sıvı suya yoğunlaştıran ve böylece kondensat ve besleme suyu pompaları tarafından reaktöre geri pompalanabilen büyük çapraz akışlı kovan ve borulu ısı eşanjörüdür.[19]
Ana kondenserde, türbinin ıslak buhar egzozu, diğer tarafta çok daha soğuk su akan binlerce boruyla temas eder. Soğutma suyu genellikle nehir veya göl gibi doğal bir su kaynağından gelir. Phoenix, Arizona'nın yaklaşık 97 kilometre (60 mi) batısında çölde bulunan Palo Verde Nükleer Üretim İstasyonu, soğutma için doğal bir su kütlesi kullanmayan tek nükleer tesistir, bunun yerine Phoenix metropol alanından gelen arıtılmış kanalizasyon suyu kullanır. Soğutma su kaynağından gelen su, ya daha yüksek bir sıcaklıkta su kaynağına geri pompalanır ya da daha fazla kullanım için soğuduğu veya kulenin tepesinden yükselen su buharına karıştığı soğutma kulesine geri döner.[20]
Buhar jeneratöründeki ve nükleer reaktördeki su seviyesi besleme suyu sistemi kullanılarak kontrol edilir. Besleme su pompasının görevi, suyu kondensat sisteminden almak, basıncı artırmak ve basınçlı su reaktörü durumunda buhar jeneratörlerine veya kaynar su reaktörleri durumunda doğrudan reaktöre basmaktır.
Tesise sürekli güç sağlanması, güvenli bir işletim sağlamak için kritik öneme sahiptir. Çoğu nükleer santral, yedek olması için en az iki ayrı dış güç kaynağına gerek duyar. Bunlar genellikle yeterince ayrılmış ve birden çok iletim hattından güç alabilen birçok trafo tarafından sağlanır. Ayrıca bazı nükleer santrallerde türbin jeneratörü, harici güç gerektirmeden, santral çevrimiçiyken santralin yüklerine güç verebilir. Bu, jeneratör çıkışından gelen gücü yükseltici trafoya ulaşmadan önce kullanan istasyon servis trafoları aracılığıyla gerçekleştirilir.
Dünya işletme durumu
Nükleer santraller, dünya çapında yaklaşık 440 reaktörden kaynaklanan küresel elektriğin yaklaşık %10'unu üretmektedir. Az karbonlu elektriğin önemli bir sağlayıcısı olarak kabul edilirler ve bu kategorideki dünya arzının yaklaşık dörtte birini oluştururlar. 2020 itibarıyla nükleer enerji, toplamın %26'sını oluşturarak az karbonlu enerjinin ikinci büyük kaynağı oldu.[21] Nükleer enerji tesisleri 32 ülke veya bölgede faaliyet göstermektedir[22] ve etkileri, özellikle Avrupa'da, bölgesel iletim şebekeleri aracılığıyla bu ulusların ötesine uzanır.[23]
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][22]
Son 15 yılda, Amerika Birleşik Devletleri nükleer santrallerinin operasyonel performansında önemli bir iyileşme gördü. Bu reaktörlerin kullanımını ve verimliliğini artırdı, fiili olarak inşa edilmeyen 19 yeni 1000 MWe reaktöre eşdeğer çıktı elde etti.
Fransa'da nükleer santraller hala bu ülkenin 2022'deki toplam güç üretiminin yüzde altmışından fazlasını üretmektedir. Önceki hedefi olan nükleer enerjiden elektrik üretim payını 2025'e kadar yüzde elliden aşağıya düşürmeyi hedeflerken, bu hedef 2019'da 2035'e ertelendi ve sonunda 2023'te iptal edildi.
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[24] ancak, Rusya'nın Ukrayna'yı işgali nedeniyle bazı ihracat projeleri iptal edildi.[25]
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.[24][26]
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.[27]
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.
^Rueter, Gero (27 Aralık 2021). "How sustainable is wind power?". Deutsche Welle. Erişim tarihi: 28 Aralık 2021. Bugün yeni inşa edilen bir kara rüzgar türbini, ürettiği her kilovatsaat (kWh) için yaklaşık dokuz gram CO2 üretir... Denizdeki yeni bir açık deniz santrali kWh başına yedi gram CO2 yayar... Güneş enerjisi santralleri, üretilen her kWh için 33 gram CO2 yayar... Doğal gaz kWh başına 442 gram CO2, taş kömüründen elde edilen elektrik 864 gram ve linyit veya kahverengi kömürden elde edilen elektrik 1034 gram üretir... Nükleer enerji, uranyum madenciliğinin ve nükleer reaktörlerin inşası ve işletilmesinin neden olduğu emisyonlar göz önüne alındığında, kWh başına yaklaşık 117 gram CO2'ye denk gelir.