Nükleer Reaktör Nedir? Nükleer Reaktör Nasıl Çalışır?

Nükleer reaktörler farklı boyut ve şekillerde gelirler ve çeşitli farklı yakıtlarla çalıştırılabilirler. Bir nükleer reaktör, bir parçacığın bir atomda ateşlendiği ve daha sonra iki küçük atoma ve bazı ek nötronlara bölündüğü fisyon adı verilen bir süreç olan atomların bölünmesiyle çalıştırılır. Farklı tip reaktörler bulunmaktadır. Bunların en yaygın kullanılanları kaynar su ve basınçlı su reaktörüdür.

Nükleer reaktör içi, dört temel elemandan oluşmaktadır. Bunlar yakıt, moderatör, soğutucu, kontrol çubuğudur. Nükleer reaktörlerin içinde bulunan bu elemanların özellikleri ise aşağıdaki gibidir:

• Yakıt bölünebilir malzeme içerir.
• Moderatör nötronların enerjisini azaltır.
• Soğutma sıvısı ısıyı fisyondan (Fisyon, kütle numarası çok büyük bir atom çekirdeğinin parçalanarak kütle numarası küçük iki çekirdeğe dönüşmesi olayıdır.) uzaklaştırır.
• Kontrol çubukları istenen kontrol değerini korumak için fazla nötronları emer.

En verimli nükleer enerji reaktör tipi Kurşun-Sodyum Soğutmalı Reaktörlerdir. Basınçlı su reaktörü (Pressiruzed Water Reactor) ise hem soğutucu hem de yavaşlatıcı özelliğine sahip olup avantajlı olduğundan en yaygın kullanılan reaktör tipidir.

Gabon Nükleer Reaktörünün farkı Dünya’nın ilk ve tek doğal nükleer reaktörüdür. Gabon Nükleer Reaktörü 2 milyar yıllık bir reaktördür. Doğal nükleer reaktör (Gabon Nükleer Reaktörü), uranyum açısından zengin bir mineral birikintisi, bir nötron moderatörü olarak işlev gören yeraltı suyuyla dolup taştığında oluşmuştur ve bir nükleer zincir reaksiyonu gerçekleşmiştir. Nükleer fisyondan üretilen ısı, yeraltı suyunun kaynamasına neden olmuş, bu da reaksiyonu yavaşlatmış veya durdurmuştur. Mineral birikintisinin soğutulmasından sonra su geri dönmüştür ve her 3 saatte bir tam döngü tamamlanarak reaksiyon yeniden başlamıştır. Fisyon reaksiyonu döngüleri yüz binlerce yıl devam etmiştir ve giderek azalan bölünebilir materyaller artık bir zincir reaksiyonunu sürdüremez hale geldiğinde sona ermiştir. 

Uçak gemileri nükleer reaktör ile çalışabilir. Gerald R. Ford sınıfı uçak gemilerinde (Amerika Birleşik Devletleri Donanması'nın yeni nesil ileri düzey uçak gemisi) elektrik ve tahrik enerjisi sağlamak için kullanılır. Uçak gemilerinin nükleer reaktörleri, zenginleştirilmiş uranyumu bölerek ısı üretmek ve suyu buhara dönüştürmek ve buhar türbinlerini çalıştırmak için geminin elektrik ve motor enerjisini sağlar. En fazla nükleer gemiye ve denizaltıya sahip ülkelerden bazıları ABD, Rusya ve Çin’dir.

Nükleer reaktör sıcaklığı, reaktör teknolojisinin önemli bir parçasıdır. Bir nükleer reaktörde ulaşılan sıcaklık 300 santigrat derece aralığındadır. Bu, suyun normal kaynama noktasından 100 derece daha yüksektir. Ancak suyun kaynama noktası her zaman 100 derece değildir. Basınçlı su reaktörlerinde sıcaklık, soğutucu suyunun basınç kabına giriş ve çıkış sıcaklılarının tasarımına göre değişmektedir. Fakat ortalama olarak giriş sıcaklığı yaklaşık 290°C ve çıkış sıcaklığı ise yaklaşık 330°C civarında bulunmaktadır. Kaynar su reaktörleri basınçlı su reaktörü ile birçok benzerliğe sahiptir. Böylece çekirdekte yaklaşık 285 derecede kaynar. Basınçlı döteryum reaktörlerinin sıcaklığı 300°C civarlarındadır. Gaz soğutmalı reaktörlerde ise sıcaklık 650°C'ye ulaşır. Kurşun-sodyum soğutmalı reaktörlerde sıcaklık yaklaşık 200 derecedir. Florid-toryum reaktörlerde ise sıcaklık 600 derece civarlarındadır.

Nükleer reaktörler patlayamaz. Nükleer reaktörlerde yakıt, kontrolsüz bir zincirleme reaksiyona izin verecek kadar kompakt olmadığı için nükleer bir patlama meydana gelmez. MIT reaktörü (MIT Reaktörü (MITR) deneysel tesistir. Düz, kanatlı, alüminyum kaplı plaka tipi yakıt elemanları kullanan, hafif su soğutmalı ve ılımlı, ağır su yansıtmalı bir nükleer reaktördür.), nötronları diğer bölünebilir atomlara ulaşmadan önce yavaşlatan çok sayıda su ve çekirdek yapısal malzemeye sahiptir. Kontrolsüz bir tepki bile bir patlamaya neden olmayacak kadar yavaş gerçekleşir. Reaktör, sıcaklık arttıkça (yani, negatif bir sıcaklık katsayısına sahiptir) kendi kendine kapanmak isteyecek şekilde tasarlandığından ve ayrıca sistem basınç altında olmadığı için bir termal patlama meydana gelmez. Yakıtın yapısı, reaktör tipi ve tasarımlarından dolayı bu patlama olasılığı fiziksel olarak mümkün değildir. Bir nükleer santralin Hiroşima veya Nagazaki'ye atılan bombalar gibi patlaması mümkün değildir. Nükleer santrallerde yaşanan kazalar, bu alandaki güvenlik çalışmalarını daha da önemli kılmıştır.

Evde nükleer reaktörün yapımı mümkündür. Nükleer reaktörler, öldürücü derecede voltaj seviyeleri içermektedir. Yüksek voltaj güvenliğine dair bilgi sahibi olunduğundan veya kalifiye bir elektrik danışmanına sahip olunduğundan emin olunması gerekmektedir. Fakat uzmanlar, uzak durulması gerektiğini söylemektedir.

Bilgisayar yazılım şirketi Microsoft’un başkanı ve en büyük hissedarı olan Gates, Çin ile ürettiği nükleer reaktörün çok daha ucuz ve emniyetli olacağını ve çevreye zarar vermeyeceğini dile getirmiştir. Gezgin dalga (travelling-wave) olarak bilinen yeni reaktör çevreci ve insansız ilk reaktördür. Bill Gates, Çinli yetkililerle birlikte Pekin’de yaptığı basın toplantısında, elektrik santrallerinde kullanılacak yeni reaktörün uranyum zenginleştirilmesine gerek göstermeyeceğini de vurgulamıştır. Bu reaktörün en önemli özelliği, reaktör tükenmiş uranyumla çalışacağı için hem silah üretiminde kullanılamayacak hem de canlılar için tehlike oluşturmayacak olmasıdır.

Çernobil Faciası, 26 Nisan 1986 tarihinde Sovyetler Birliği'ne bağlı Ukrayna Sovyet Sosyalist Cumhuriyeti'nin Pripyat şehri yakınlarındaki Çernobil Nükleer Santrali'nin 4 numaralı reaktöründe gerçekleşen nükleer kazadır. Çernobil Nükleer Reaktörü’nün patlama nedenleri şunlardır.

• Akşam vardiyasındaki personelin gerekli tecrübeye sahip olmaması
• Santral yöneticisinin güvenlik testinde aşırı ısrarcı olması
• Güvenlik testi başlatılıp İlk etapta, nükleer reaktörün gücü azaltılmaya başlatıldıktan sonra bu süreçte reaktörün gücünün tahmin edilenden çok daha hızlı azalması ve reaktör kapanması
• Reaktörün çekirdeğinde nötron zehri olan Ksenon 135 birikmesi
• Güvenlik testini yapabilmesi için santral yöneticisi reaktördeki tüm kontrol çubuklarını dışarı çıkarması(Kontrol çubukları nükleer tepkimeleri kontrol etmeyi sağlar.)
• Nükleer reaktörün maliyetinin düşük olabilmesi için iki çubuğun tek bir çubukta birleştirilmesi

Nükleer reaktör kapatılabilir. Bir nükleer santrali kapatmak için, reaktörün sürekli olarak kritik olmayan bir duruma (alt kritiklik) getirilmesi ve üretmeye devam eden ısının güvenli bir şekilde boşaltılması gerekir. Bir nükleer reaktörü kapatmak için zincirleme reaksiyonun durdurulması gerekir. İlk etapta bir zincir reaksiyonu elde etmek için, üretilen nötronların yeteri kadarının bozunmayı bekleyen çekirdeğe yeteri kadar ulaşması gerekir.

Toryum ile nükleer reaktör çalıştırılabilir. Toryum doğada uranyumdan daha bol bulunur. Bölünebilir olmaktan ziyade verimlidir ve yalnızca geri dönüştürülmüş plütonyum gibi bölünebilir bir malzeme ile birlikte yakıt olarak kullanılabilir. Toryum yakıtları, çeşitli nükleer reaktörlerde kullanılmak üzere bölünebilir uranyum-233'ü üretebilir. Dünya toryum rezervlerinde ilk sırayı 846 bin tonla Hindistan alır. 744 bin tonla Türkiye ikinci, 606 bin tonla Brezilya üçüncüdür. Devamında ise 521 bin tonla Avustralya yer alır.

Dünya üzerinde en yaygın kullanılan reaktör tipi, zirkonyum alaşımlı kutularda yakıt olarak zenginleştirilmiş (yaklaşık %3,2 U235) uranyum dioksit kullanan Basınçlı Su Reaktörüdür. Yaygın kullanılmasının nedenlerinden birisi hem soğutucu hem de yavaşlatıcı etkisinin olmasıdır. Bu reaktör tipi, enerji üretimi için yaklaşık 300 çalıştırılabilir reaktör ve deniz tahriki için kullanılan birkaç yüz reaktör ile en yaygın tiptir.

Yakıt yüklendikten sonra normalde birkaç yıl boyunca reaktör çekirdeğinde kalır. 1000 MWe'lik bir basınçlı su reaktörü için bir yılda yaklaşık 27 ton uranyum (50.000'den fazla yakıt çubuğuna yerleştirilmiş yaklaşık 18 milyon yakıt paleti) gereklidir.

Radyoaktif veya nükleer atık, nükleer reaktörlerden, yakıt işleme tesislerinden, hastanelerden ve araştırma tesislerinden kaynaklanan bir yan üründür. Nükleer reaktörlerin ve diğer nükleer tesislerin hizmetten çıkarılması ve sökülmesi sırasında da radyoaktif atık üretilir. Nükleer atık ve nükleer reaktör ilişkisi aşağıdaki gibidir.

• Nükleer reaktörlerden üretilen elektrik, az miktarda atıkla sonuçlanır.
• Uranyum değirmeni artıkları, kullanılmış nükleer reaktör yakıtı ve diğer nükleer atıklar gibi radyoaktif atıkların yaratır.
• Nükleer atıkların, nükleer reaktörlerde yeniden kullanım gibi uygulamada çeşitli yönetim stratejileri vardır.​
• Nükleer atıklar, bir reaktörden çıkarıldıktan sonra, kullanılmış yakıt grupları ilk olarak bir depolama havuzunda soğur.

Nükleer enerji mühendisleri, çalışma kapsamı olarak nükleer reaktörleri de içine alır. Nükleer reaktörler ve nükleer enerji mühendislerinin ilişkisi aşağıdaki gibidir:

• Nükleer enerji mühendisi bir nükleer reaktörün içinde ve dışında meydana gelen karmaşık fiziksel ve radyasyon taşıma olaylarını analiz eder.
• Nükleer enerji mühendisleri, nükleer reaktör güvenliği ve sistem analiziyle ilgilenir.
• Nükleer reaktör alanında yüksek lisans yapıp daha kapsamlı bilgiye sahip olan mühendisler gelişmiş reaktörlerde ve araştırma reaktörlerinde yakıt verimliliğini kolaylaştırmak için nükleer yakıt analizi yaparlar.