Nükleer Teknoloji Seçenekleri

Bilim r1b 10/06/2021

Günümüzde nükleer enerjiden yararlanmanın uygun yolu, fisyon reaktörlerinin konuşlandırılmasıdır. Her ne kadar füzyon reaktörlerini teknik olarak kullanmak için ihtiyaç duyulan işin fiziği gösterilmiş olsa da, füzyon sistemlerini ticari olarak uygulanabilir sistemlere uyarlamak süre alır. Bununla birlikte rekabetçi enerji mühendisliği alanına getirmek içinde oldukca çaba sarf etmek gerekir.
Bununla beraber, aşırı sıkıntılı koşullar altında performans vermesini hedefleyen malzemeler geliştirmek gerekir. Bu hem fisyon ve füzyon teknolojileri için seçenekler elde eden her iki yolla da ilgilidir. Malzemeler nükleer enerji sisteminin fizibilitesinde kilit rol oynar, öyleki ki, nükleer sistemler için temel sınıflandırma faktörleri ve metrikleri arasındadırlar. Nükleer sistem tipi (fisyon yada füzyon) aşağıdaki gibidir:
• Amaç ve işlevsellik,
• moderatör tipi,
• Soğutucu tipi,
• Yakıt tipi,
• Yapısal araç-gereç seçenekleri,
• Nötron-enerji sınıflandırması,
• Çekirdek tasarım seçenekleri (benzeşik yada ayrışık vb.),
• Enerji dönüşüm proses tipi ve uygulama seçenekleri,
• Çevresel arayüzler,
Nükleer Teknoloji SeçenekleriYakın vadede ve hâlihazırda mevcut ticari seçenek olarak nükleer fisyon sistemlerine odaklanıldığında, ortaya çıkan yeni teknolojilerin yanı sıra iyi araştırılmış birkaç yön vardır. Malzemeler, modern nükleer reaktörlerin ömürlerini uzatmak için olanaklar yaratan etkinleştirici bir rol oynar. Malzemeler hem de ortaya çıkan yeni teknolojileri uygulanabilir kılan kilit faktördür. Dikkate kıymet örnekler olarak, yüksek sıcaklıklar ve yüksek enerji ışınım tesirleri sebebiyle aşırı koşullar altında performans gösteren kazaya dayanıklı yakıtlar ve sağlam yapısal malzemeler sunan oldukca mühim gelişmeler vardır.

Performans Koşulları ve Araç-gereç Seçenekleri

Araç-gereç seçimi için birçok seçenek bulunur, modern nükleer reaktörler, çoğunlukla kaynaması engellenen (basınçlı su reaktörlerinde) yada kaynamasına izin verilen (kaynar su reaktörlerinde) hafifçe su (hafifçe su reaktörleri) kullanır. Su kullanan tüm nükleer reaktörler, lüzumlu performans özelliklerini elde etmek için birincil sistemlerini basınçlandırır. Tazyik seviyeleri, kaynar su reaktörlerinde ortalama 6 MPa’dan basınçlı su reaktörlerinde 15 MPa’ya kadar değişmiş olur. Bir takım modern ticari nükleer reaktör, ağır su (CANDU reaktörleri) kullanır. Birincil soğutma sıvısı seçenekleri için alternatif seçenekler, erimiş sodyum şeklinde sıvı metaller ve helyum şeklinde gazlardır. Reaktör tipleri sırasıyla sıvı metal soğutmalı reaktörler ve gaz soğutmalı reaktörler olarak adlandırılır. Sıvı metal seçimine bağlı olarak, emek harcama sıvısı enerji dönüşüm döngüsünü birincil döngüde indüklenen yüksek radyoaktivite seviyelerinden yalıtmak için pahalı bir ara döngü gerekebilir.
Mühim seviyede değişik bir seçenek, erimiş tuz reaktörlerinde bulunan sıvı tuz konfigürasyonları tarafınca sunulur. Tüm bu gelişmiş reaktör seçeneklerinde, araç-gereç etkileşimleri, uyumluluk ve lüzumlu özellikleri sunarken iç koşulları destekleme ve bunlara dayanma kabiliyetlerindeki performans, modern seçeneklerle rekabet halinde ticari fizibilite seviyelerini artırmaya yönelik başarıya ulaşmış gelişmeler için yaşamsal ehemmiyet taşır. Moderatörler ve yapısal malzemeler hem katı hem de sıvı seçenekleri ihtiva eder. Grafit, berilyum, çelikler ve kompozitler katı biçim seçenekleri içinde yer alırken. Hafifçe, ağır su yada sıvı tuzlar sıvı biçim seçenekleri arasındadır. Moderatörlerin ve yapısal malzemelerin seçimi, iç koşullar ve performans özellikleri tarafınca yönlendirilir. Bir çok süre, malzemelerin uyumlu kalması ve uzun süreler süresince aşırı koşullar altında performans göstermesi beklenir.
Bazı araç-gereç seçimleri, diğerlerinde bulunmayan benzersiz özellikler ve fırsatlar sunar. Mesela sıvı metallerin yüksek kaynama noktaları ve oldukca düşük buğu basınçları şeklinde özelliklerinden dolayı basınçlandırma lüzumlu değildir yada oldukca düşüktür. Bu, bir sistemde lüzumlu performans özelliklerini elde etmek için basınçlandırma gerektiren hafifçe su ve gazlara kıyasla mühim bir fark ve avantaj sunar. Belirtildiği şeklinde, hafifçe su sistemlerindeki tipik basınçlar 6 ile 15 MPa, gaz sistemlerindeki tipik basınçlar 4 ile 7 MPa arasındadır. Bu tazyik seviyelerini destekleme ihtiyacı, bileşenler için kaplar ve bağlantı boruları dahil olmak suretiyle birincil sistemler için yapısal malzemeler üstünde gereksinimler doğurur. Basınçlandırma ihtiyacının olmaması, malzemelere olan talebin mühim bir gevşemesidir. Bilhassa, sıvı tuzlar, nükleer yakıta uzun soluklu direkt yakınlığa dayanmak için katı yapısal malzemelerin gereksinimlerini ortadan kaldırarak gelişmiş nükleer sistemleri daha da ileri götürür. Bu, sistem ömrü açısından olmasıyla birlikte sistem güvenlik noktasından da mühim avantajlar sunar. Erimiş tuz reaktörleri, öteki nükleer reaktör konfigürasyonlarında bulunmayan tuz ortamlarını destekleyen benzersiz teknolojiler gerektirir.

Araç-gereç Seçimi ve Sistem TasarımıNükleer Teknoloji Seçenekleri

Nükleer enerji sistemlerinde araç-gereç seçimi, reaktör çekirdeklerinde ulaşılabilir nötron enerjilerini belirler. Netice olarak, bu sistemleri termal, süratli nükleer reaktörler yada sistemler olarak tanımlar. Modern nükleer filo, ağırlıklı olarak termal reaktörlerden oluşmaktadır, sadece seneler içinde bir takım süratli reaktör inşa edilmiş ve işletilmiştir, ek olarak bugün birkaç süratli reaktör iş koşturmacasındadır. Termal reaktörler araç-gereç seçenekleri olarak su, ağır su, helyum, karbondioksit ve grafit, süratli reaktörler sodyum, kurşun ve çelik kullanır. Gelecekteki sürdürülebilir nükleer enerji yolları için süratli reaktörlerin önemini göz önünde bulundurarak, sıvı metallerin ısı yok etme kabiliyetlerini hesaba katan öteki çekirdek içi araç-gereç seçeneklerine bakılırsa avantajları vardı. Bu sıvı metallerin avantajlarından bazıları aşağıdaki gibidir:
• Muhteşem ısı aktarma özelliklerine haizdir,
• Sıvı halde kaldıkları geniş ısı aralıkları ile karakterize edilir ve gaz soğutmalı reaktörlerin yüksek ısı performans eşleştirme özelliklerini sunabilirler,
• Helyum ve ağır tuzlar, süratli reaktörler için soğutucu türleridir,
• Nükleer ışınım hasarına karşı muhteşem bir dirence haizdir,
• Soğutma sistemindeki ısı gradyanlarının düşük olması sebebiyle yüksek termal iletkenliğe ve düşük özgül ısıya haizdir. Yüksek kaynama sıcaklıklarıyla birleştiğinde, süratli reaktör konfigürasyonlarında mahalli sıcak noktalar naturel olarak en aza indirilir,
Zorluklar açısından, sıvı metaller kimyasal olarak etken ve aşındırıcıdır, ek olarak hususi ve çoğu zaman maliyetli yapısal malzemelerin ve işleme teknolojilerinin kullanılmasını gerektirirken, minik miktarlarda bile bulunan oksijen, sodyumu Na 2’ye oksitler. Hemen sonra soğuk duvarlara çökerek tıkanma problemlerine niçin olur. Sodyumun nispeten yüksek donma noktası, düşük güçte emek harcama yada uzun soluklu kapatma esnasında soğutucunun donmasını önlemek için elektrikli yada öteki ısıtıcıların kullanılmasını gerektirir. Ek olarak, sıvı metaller evrensel olarak mevcut değildir ve maliyetlidir, dolayısıyla tüm bu zorluklar mühendislik zorluklarıdır. Sıvı metal ortamında çalışmak suretiyle tasarlanmış gelişmiş malzemelerin kullanımı ile üstesinden gelinmiş ve çözülmüştür. Gaz soğutucuları, gelişmiş nükleer reaktörler için başka bir seçenektir. Reaktör basınçlarında oldukca minik moderasyon kabiliyetleri olduğundan, termal reaktörlerde grafit yada ağır su şeklinde ayrı moderatörlere gereksinim vardır.
Nükleer Teknoloji Seçenekleriİşletimde hiçbir süre gaz soğutmalı süratli reaktör olmamasına karşın, endüstride bir takım gaz soğutmalı süratli reaktör teknolojisi geliştirmek ve uygulamak için mühim çıkarlar vardır. Gaz halindeki soğutucular çoğu zaman temin edilebilir, ucuz, güvenli ve yönetilebilirdir. Yüksek reaktör çıkış sıcaklıklarına haiz emek harcama modlarına izin vererek, yüksek tesis termal verimlilikleri sağlarlar. Ek olarak, gazlı soğutucular, yüksek verimli direkt termodinamik çevrimlere izin verir ve saflaştırıldıklarında ciddi bir aktivasyon problemi oluşturmazlar. Bununla beraber gazlar, zayıf ısı aktarma özelliklerine ve düşük hacimsel ısı kapasitelerine haizdir. Ek olarak sıvı soğutuculardan daha çok pompalama gücü ve daha büyük kanallar, pompalama gereksinimlerini azaltmak için ise basınçlandırma gereklidir. Bilhassa He şeklinde düşük moleküler kütleli gazlar için sızdırmaz sistemlere gereksinim vardır.
Zayıf ısı transferi sebebiyle, reaktörden yüksek ısı uzaklaştırma oranları elde edilecekse, yüksek yakıt sıcaklıkları gerekir. Bu yüzden, araç-gereç seçiminin ve araç-gereç mevcudiyetinin, hem teknoloji açısından hem de ticari uygulama açısından nükleer reaktör fizibilitesini belirleyen kilit faktörler olduğu iddia edilebilir. Her neyse ki, malzemelerdeki ilerlemeler bugün oldukca çeşitli nükleer reaktörleri mümkün kılıyor.

Kaynakça:
iaea.org/sites/default/files/gc/gc64-inf2.pdf
energy.mit.edu/wp-content/uploads/The-Future-of-Nuclear-Energy-in-a-Carbon-Constrained-World.pdf

Yazar: Hasret Güvenç Ağaoğlu

#nükleer enerji nedir #Nükleer enerji ve radyasyon #Nükleer enerjinin Kullanım Alanları #Nükleer fiziğin uygulama alanları nelerdir #Nükleer teknoloji Nedir #Nükleer Teknoloji ve Radyasyon Güvenliği
Bir yorum bırak
Mail adresiniz kimseyle paylaşılmayacaktır.