Basınçlı su reaktörleri ile ilgili makale öncesi Nükleer Güç Santrali veya Reaktöründen kısaca bahsedelim.
Nükleer Güç Santrali Nedir?
Nükleer Reaktörün Çalışma Sistemi
Bir nükleer santraldeki sistemler konvansiyonel güç santralleri ile aynı mantıkla çalışırlar. Isı enerjisinin üretildiği kısımda elde edilen buharın türbin-jeneratörü döndürerek elektrik üretilmesi felsefesi, temel olarak nükleer santrallerde da aynıdır. Nükleer santraller ısı üretmek için nükleer reaksiyonu kullandıkları ve bunun sonucunda çevreye salınmaması gereken radyoaktif maddeler ürettikleri için, bazı ek sistemler kullanırlar. Örneğin, bir çok nükleer santralde nükleer yakıtı barındıran yakıt tüpleri arasından ısınarak geçen su, doğrudan türbine gönderilmeyip, türbin için buhar üretilen ikinci bir çevrimi ısıtmak için kullanılır. Bununla ilgili sistemlere Birincil (Soğutma) Sistem(i) adı verilir. İkincil sistem ise birincil soğutma sistemindeki ısıyı alarak türbin-jeneratörü döndürmek için gerekli olan buharın üretilmesi için kullanılan sistemdir. Her iki sistem de kapalı birer döngü oluşturmuşlardır.
Aşağıdaki şekilde görülen sistem, tipik bir “basınçlı su reaktörü”ne aittir.
 | 1. Reaktör kalbi (reactor core) 2. Kontrol çubuğu (control rod) 3. Reaktör basınç kabı (pressure vessel) 4. Basınçlandırıcı (pressurizer) 5. Buhar üreteci (steam generator) 6. Birincil soğutma su pompası (primary coolant pump) 7. Reaktör korunak binası (containment) 8. Türbin (turbine) 9. Jeneratör – Elektrik üreteci (generator) 10. Yoğunlaştırıcı (condenser) 11. Besleme suyu pompası (feedwater pump) 12. Besleme suyu ısıtıcısı (feedwater heater) |
Nükleer santraller, birincil sistemlerindeki farklılıklara göre değişik şekillerde adlandırılırlar. Dünyadaki 400 den fazla sayıda nükleer santralın yaklaşık olarak yarısı “basınçlı su reaktörü”dür. Basınçlı su reaktörlerininde, birincil sistem yaklaşık 150 atmosferlik bir basınç altında tutularak, içinde bulunan suyun yüksek sıcaklıklara kaynamadan çıkarılması sağlanmıştır. Buna ek olarak “kaynar sulu”, “basınçlı ağır sulu” reaktörler de en çok kullanılan nükleer santral tipleridir.
Basınçlı Su Reaktörleri [1]
“Hacettepe Üniversitesi Nükleer Bilimler Enstitüsü Müdürü, Prof. Dr. Haluk Utku hocamızdan alınan izinle Basınçlı Su Reaktörleri makalesi sitemizde yer verilmiş olup, kendilerine paylaşımları için teşekkür ederiz.”
ABD’de 1957’de yaklaşık 70 Megawatt elektrik gücündeki ve 1960’ta 250 MWe gücündeki Basınçlı Su Reaktörleri ilk ticari Basınçlı Su Reaktörleri (BSR) olarak işletmeye alındılar. 1960’ta, 250 MWe gücünde ilk ticari Kaynar Su Reaktörü de gene ABD’de devreye girmiştir. Bu iki tip nükleer reaktör genel kategoride hafif sulu reaktörler olarak adlandırılırlar. Burada hafif su tabirinden kasıt bildiğimiz H2O formüllü suyun nükleer reaktörde soğutucu ve nötronları yavaşlatıcı olarak kullanılmasıdır. 1960’ı takip eden yıllarda bu iki reaktör tiplerinde diğer ticari nükleer santraller ABD’de devreye alınırken Kanada, Fransa ve Rusya’nın da kendi nükleer santral tiplerini tasarımlayarak işletime aldıklarını görüyoruz. Bu ülkelerden Kanadalıların geliştirdikleri de basınçlı su tipi reaktör olmakla beraber, soğutucu olarak hafif su yerine hidrojenin bir izotopu olan döteryumlu (D2O) su kullanmaları ve diğer teknolojik farklılıklarından ötürü hafif su kullanan BSR’lerden ayrı bir kategoriye yerleştirilir.
Bu tip reaktörelere BSR denilmesinin sebebi, Şekil 1’deki güvenlik binası içerisinde kırmızı ile gösterilen soğutma devresinin 150 -155 atmosferlik bir basınç altında çalışmasını temin eden basınçlandırıcısı olması ve soğutucu suyun reaktör kalbinden geçerken bu çalışma basıncında kaynamasına izin verilmemesindendir. Uranyum yakıtın bulunduğu reaktör kalbini içeren basınç kabının yer aldığı bu devreye birinci soğutma sistemi denir.
Birinci devre pompası ile basınç kabına basılan suya, yakıt çubukları arasından geçerken bölünme (fisyon) reaksiyonu sonucu açığa çıkan yüksek miktarda ısı aktarılır ve su buhar üretecine gönderilir. Buhar üretecinde borulardan geçerken birinci devrenin kazanmış olduğu ısı, mavi ile gösterilen ikinci devre suyuna aktarılır. İkinci devrenin basıncı 60 atmosfer civarlarında olup, hemen hemen hiç nem içermeyen kızgın buhar üreteç çıkışından türbinin önce yüksek sonra alçak basınç kademelerinden geçer. Yüksek basınç kademesinden alçak basınca geçişte buhar kalitesi biraz düştüğünden ara ısıtma uygulanır. Dönen türbin, elektrik üretecinde, elektrik üretmini sağlar. Türbin çıkışı buhar yoğunlaştırıcıya gönderilir. Burada soğutma kulelerinden gelen su vasıtası ile yoğunlaşır. Şekil 1’de suyun yoğunlaştırıcıdan tekrar buhar üretecine aktarılmasında tek pompa gösterilmekle beraber esasen bu kısım yoğunlaştırıcı ve besleme suyu pompaları olmak üzere iki grup pompa içerir. Bu iki pompa grubu suyun basıncını kademeli olarak yükseltirken aynı zamanda suyun temizlenmesi ve ön ısıtılmaları da sağlanır. Ön ısıtma, türbin buhar çıkışından gelen bir hatla sağlanır.
Basınç Kabı
Birinci devrenin bahsedilecek ilk bileşeni reaktör kalbinin bulunduğu basınç kabıdır. Şekil 2, güvenlik binası içerisinde montajı yapılmak üzere yerleştirilen bir basınç kabının dış görünümüdür. Bize, yerleştirme aşamasında alınan tedbirler hakkında da fikir verir. Tablo 1’de ise basınç kabının bazı fiziksel özellikleri verilmiştir.
 |  |
Burada 25.5 cm’ye kadar varan et kalınlığı ile basınç kabının yapım malzemesine ilave olarak birkaç mm’lik astar malzemesinin varlığına dikkatinizi çekmek isteriz. Yüksek sıcaklık, basınç, radyasyon altında uzun süreli çalışma şartları, güvenilir olmayı gerektirir. Şekil 3’te gösterildiği gibi kontrol çubukları basınç kabı başlığında, basınca dayanıklı, sızdırmaz girişlerden, içlerinde aşağı-yukarı hareket edecekleri klavuz sistemi ile yakıt bölgesine girerler. Yakıt çubukları yeni bazı tasarımlarda nötron ekonomisini arttırmak amacı ile çarpışmalar sonucu nötronları yakıtların olduğu bölgeye geri yansıtan özellikte malzeme ile çevrilidir. Yakıtlar alt ve üst kısımlarda levhalarla sabitlenmiştir. Tüm sistemi bir arada tutan barel, aşağıdan desteklenerek sabitlenir ve aynı zamanda basınç kabına zırh görevi de görerek maruz kaldığı radyasyon şiddetini azaltır. Basınç kabı ile barel arasındaki boşluğa soğutucu girer, aşağıya yönelir ve yakıtların arasından aşağıdan yukarı doğru akması sağlanır.
Yakıt
Yakıt 1800 C gibi yüksek sıcaklığa dayanabilmesi için Şekil 4’te görülen biçimi ile seramik uranyum dioksit (UO2) peletler olarak imal edilirler. Peletler boyu yaklaşık 3.7 m’yi bulan bir çubuk oluşturacak tarzda üst üste dizilir ve dışarı ile temasının kesilmesi için zirkonyum alaşımlı zarf malzemesi ile çevrelenir. Yakıt ile zarf arası küçük bir hacim boş bırakılır ki buraya uranyumun bölünmesi sonucu oluşabilen gazlar birikebilsin. Çubuklar yakıt elemanları halinde Şekil 5’te görüldüğü gibi bir arada tutulur. Tablo 2’de verildiği bir yakıt elemanı reaktörün gücüne ve tasarıma bağlı olarak 14×14-17×17’lik olmak üzere farklı sayıda çubukları bir arada tutacak tarzda imal edilirler. Şekil 5’teki eleman aynı zamanda kontrol çubuklarını da içeren bir yakıt elemanıdır. Tablo 2’de yakıtdaki U-235 izotopunun ağırlıkça zenginliği verilmektedir. Yeni tasarımların yakıt zenginliği %4.95’lere kadar ulaşabilmektedir. Klasik basınçlı su reaktörlerinde bu oran %3.5 civarlarına kadardır.
 |  |
Ayni tabloda yanma miktarının da bir ton doğal uranyum başına 33.000 ile 60.000 megawat.gün arasında değiştiğini görüyoruz. Yüksek yanma miktarı, gene kazanılan deneyimle geliştirilen yeni tasarımlarda söz konusudur. Yeni geliştirilen malzemelerle yakıt ekonomisi yüksek oranda artırılmıştır. Bir nükleer santralde kullanılan yakıtın maliyeti toplam maliyetin %20-22’sini oluşturur. Şekil 6 bir yakıtın cevher olarak çıkarılmasından, reaktörde kullanıldıktan sonra depolanması vb. safhalardaki maliyetini verir. Burada dikkat edilmesi gereken kullanım sonrası maliyetin toplam yakıt maliyetinin yarısından fazla olmasıdır. Bu da esasen kullanılmış yakıtların uzun süre güvenli bir biçimde depolanması ve işlenmesi için gösterilen özenin bir yansımasıdır.
Şekil 6. Uranyum dioksit yakıtın maliyeti.
Birinci Soğutma Devresi
Giriş bölümünde birinci soğutma devresinin buhar üreteçleri, pompalar ve bir adet basınçlandırıcı içeridiğinden bahsetmiştik. Reaktörün gücüne göre buhar üreteçlerinin sayısı 2-4 arasında değişir ve her bir buhar üreteci bir soğutma çevrimi oluşturur. Her bir çevrimdeki soğutucu debisi saate 20.000-25.000 m3 arasında değişir. Suyun reaktör basınç kabına giriş sıcaklığı 285 oC civarı olup, çıkış 320 oC civarındadır. Reaktör basınç kabını ısı almış olarak terk eden soğutucu, bu ısıyı buhar üretecinde, üretecin tasarımına bağlı olarak sayıları 2.600 ile 15.000 arasında değişen borulardan geçerken, ikinci devre soğutucusuna aktarır. Üreteçteki boruların içerisindeki basınç, yukarıda giriş bölümünde de bahsedildiği gibi, 150-155 atmosfer civarında iken ikinci devrenin basıncı 60 atmosfer civarlarındadır ve ikinci devredeki soğutucu üreteci terk ederken artık kızgın buhar halinde türbine yönlendirilir.
 |  |
 |  |
Şekil 7. Üst-sol, birinci soğutma devresi. Üst-sağ, buhar üreteci. Aşağıda solda basınçlandırıcı ve sağında ise birinci devre pompası gösterilmektedir. (Kaynak: Westinghouse, ABD ve KEPCO, Kore)
Şekil 7 üst-sol, birinci soğutma devresini gösterir. Üst-sağ tarafta ise buhar üreteci gösterilmektedir. Üreteçlerin yüksekliği 18 ile 22 metre arasındadır. Üretecin alt kısmında kırmızı renkte olan bölge, içinden birinci devre suyunun geçtiği U-biçiminde tüplerdir. Su borulara alttan giriş yapar ve boruyu dolaşarak ikinci devre suyuna ısıyı aktarır ve gene altta diğer taraftan çıkış yapar. Üretecin üst kısmında sarı tonun hakim olduğu yer buhar ayırıcılarıdır. Bu kısım, buhardaki nemin tekrar aşağıya dönüş yapmasını sağlayacak tarzda tasarımlanmıştır. Böylelikle çıkan buharın nemden arınmış, kuru, kızgın buhar olması sağlanır. Bu tip üreteçlerde tüp sayısı 2600-5000 arasında değişir ve yeni tasarımlarda korozyona karşı dayanıklı Inkonel 690 çelik kullanılır. Diğer bir U tipi tasarımda, üreteç yatay olarak imal edilmiştir. Bir başka tasarımda ise buhar üreteci U-tipi olmayıp, düz borular kullanılır ve tek geçişli üreteçler olarak adlandırılırlar. Bu tiplerde 15.000’e kadar varan boru olup, birinci devre suyu yukarıdan giriş yapar ve aşağıdan çıkarken, ikinci devre soğutucusu ters yönde geçiş yapar.
Şekil 7 alt-solda, basınçlandırıcıyı görüyorsunuz. Basınçlandırıcının işlevi birinci devrenin basıncını sabit tutmaktır. Su-buhar hacmi dengesi ile çalışır ve gücü 1.8 MW’a kadar ulaşan ısıtıcı ile su püskürtme devresi içerir. Sistem basıncı artarsa püskürtme devresi çalışır ve buhar hacmi azaltılır. Basınç azalırsa ısıtıcı devreye girer. Alt-sağda ise genellikle bir devrede dört adet bulunan pompa gösterilmektedir. Bu pompalar şaft gücü 4.5 MW ile 7.5 MW arasında değişen çok güçlü pompalardır.
Güvenlik Binası
Güvenlik Binası Şekil 1’deki gösterimde olduğu gibi birinci soğutma devresi ve bileşenlerinin tamamının bulunduğu yaklaşık 40-45 metre yükseklikte bir yapıdır. Binalar çelik kafes-betonarme binalar olup kalınlıkları 1.3 metreyi bulur. Olması muhtemel en büyük kazada oluşabilecek basınca dayanacak tarzda inşa edilirler. Bu tür durumlarda bina duvarlarından dışarı gazın nüfuz ederek dışarı çıkmasını önlemek amacı ile iç kısım, çelik astar ile kaplıdır. Bir savaş uçağının çarpması deneysel testleri ve Boeing 767-400 tipi yolcu uçağının çarpması ile ilgili ABD’de yapılan analizler, böylesi durumlarda binanın çökmeyeceğini ve sağlam kalacağını göstermektedir. Şekil 8, 11 Eylül 2001’de New York’ta uçak çarpması sonucu yıkılan ikiz kulelerin (WTC), gene hedef alınan pentagon binasının ve bir reaktör güvenlik binası ile harcanmış yakıtların depolandığı yerin boyutlarını mukayese edebilmek amacı ile verilmiştir.
Şekil 8. Binaların temsili olarak mukayeseli görüntüsü.
Kaynak: 1- Prof. Dr. Haluk Utku, H. Ü. Nükleer Bilimler Enstitüsü, Ankara (Özel izin alınmıştır.)