Nükleer yakıt çevrimi

Bir nükleer santraldaki sistemler, konvansiyonel enerji santralları ile aynı mantıkla çalışır.


Bu makale BBC Turkish.com'dan alınmıştır.


Isı enerjisinin üretildiği kısımda elde edilen buharın, türbin-jeneratörü döndürerek elektrik üretilmesi felsefesi, temel olarak nükleer santrallarda da aynıdır.

Nükleer santrallar ısı üretmek için nükleer reaksiyonu kullandıkları ve bunun sonucunda çevreye salınmaması gereken radyoaktif maddeler ürettikleri için, bazı ek sistemler kullanırlar.

Uranyumun çıkarılması

Nükleer faaliyetlerin hem kamusal hem de askeri alanda yürütülmesi sırasında başvurulan temel hammadde uranyumdur.

Yeraltından ya da açık madenlerden çıkarılır.

Uranyum, dünyanın hemen her yerinde çıkarılan bir maden, ancak yoğunlaşmış maden filizi halinde pek az yerde bulunabiliyor.

Bir nötronun, uranyum gibi ağır bir element atomunun çekirdeğine çarparak yutulması, bunun sonucunda bu atomun kararsız hale gelerek daha küçük iki veya daha fazla farklı çekirdeğe bölünmesi reaksiyonuna fisyon denir.

Fisyon sonucunda ortaya çıkan nötronların, ortamda bulunan diğer fisyona uygun atomların çekirdekleri tarafından yutularak, onları da aynı reaksiyona sokması ve bunun ardışık olarak tekrarlanması da zincirleme reaksiyondur. Bu işlem sırasında büyük bir enerji açığa çıkar. Bu sürece nükleer fisyon denir.

Bir nükleer enerji santralinde fisyon çok yavaş gerçekleştirilirken, nükleer silahlarda bu çok hızlıdır. Her iki durumda da fisyon, çok sıkı kontrol altında tutulmalıdır.

Nükleer fisyonda en iyi sonuç, Uranyum 235 (ya da plütonyum 239) veya aynı atom numarasına sahip atomlarla farklı sayılarda nötronlardan oluşan izotoplarla elde edilir.

Fizikte, doğal olarak bölünebilme yeteneğine sahip olan maddeye fisil adı verilir. Uranyum-235, zincirleme reaksiyon sırasında bölünme eğilimi gösteren ve enerjiyi ısı olarak açığa çıkarabilen bir "fisil izotop"tur.

Böyle bir durumda U235 atomu iki ya da üç nötrona bölünür. Çevrede başka U235 atomları mevcutsa, bu nötronlar diğer atomlar tarafından yutulur, ardından bu atomların da bölünmesiyle daha fazla nötron açığa çıkar.

Nükleer reaksiyon, zincirleme reaksiyonun devamlılığını sağlamaya yetecek kadar U235 atomu varsa gerçekleşebilir. Bu ihtiyaç "kritik kütle" olarak adlandırılır.

Ne var ki, doğadaki uranyumun sadece binde yedisi (%0.71) bölünebilme yeteneğine sahip (fisil) Uranyum-235 izotopu içerir.


Fisyon Tepkimesi-Animasyon

(Başlamak için Click Here to Begin , yeniden izlemek için ise Restart 'a tıklayın




Dönüştürme

Uranyumdan elde edilen maden filizi, daha sonra özel bir değirmende öğütülerek toz hale dönüştürülür. Bu toz daha sonra kimyasal işlemden geçirilerek saflaştırılır ve rengi ve biçimi nedeniyle "Sarı Pasta" diye adlandırılan katı bir forma çevrilir. Yüzde 60 ila 70'i uranyum olan Sarı Pasta, radyoaktiftir.

Nükleer uzmanlarının temel amacı, U 235 atomlarının miktarını artırmaktır, bu işleme "uranyum zenginleştirme" deniyor. Bunun için, uranyumun önce 230 santigrat dereceye kadar ısıtılarak gaz haline, yani uranyum heksafloride dönüştürülmesi gerekiyor.

Yıkıcı etkilere yol açabilen reaktif bir gaz olduğundan, uranyum heksafloridin çok dikkatli kullanılması da şart. İçinde tutulacağı dönüştürme tesisinin boruları ve pompalarının da alüminyum ve nikel alaşımından özel olarak inşa edilmesi gerek. Bu gaz, ayrıca istenmeyen kimyasal reaksiyona yol açmamak için petrol ve yağ benzeri sıvılardan da uzak tutulmalı.

Zenginleştirme

Zenginleştirmenin amacı, uranyum içindeki, nükleer fisyon sırasında en iyi sonucu veren, fisil U235 atomlarının miktarını artırmaktır.

Nükleer reaktörde kullanılacak uranyumun, yüzde 2 ila 3 oranında U235 atomu içerecek şekilde zenginleştirilmesi gerekir. Silahlarda kullanılan uranyum ise yüzde 90 ya da daha fazla oranda U235 içerir.

Uranyum zenginleştirmede en sık kullanılan sistem, gaz santrifüjleridir. Uranyum heksaflorid gazı (HF6) sesten hızlı dönen santrifüjlere doldurulur.

Yoğun U238 izotopu, daha hafif olan U 235'ten ayrışır.

Yoğun izotoplar, santrifüjün tabanına çökerken, merkeze yığılan hafif U235 parçacıkları da ayrı bir yere toplanır.

Zenginleştirilmiş U235, ardından bir kaç defa daha farklı santrifüjlerde kimyasal işlemlerden geçirilir.

Tüm U235'in çıkarılması ardından, kalan U238, tüketilmiş uranyum - DU adını alır. Tüketilmiş uranyum, ağır ve biraz da radyoaktif bir metaldir, mermi yapımında ve diğer cephanelerde kullanılır.

Diğer bir zenginleştirme yöntemi, bir gazın havada veya başka bir gaz içinde yayılması, yani difüzyon olarak adlandırılıyor. Uranyumun içerdiği iki izotoptan U235 gözenekli bir bariyerden çok daha hızlı yayılır. Santrifüj yönteminde olduğu gibi bu işlem de pek çok kez tekrarlanır.

Reaktör

Nükleer santrallerin çalışma sistemi şöyledir:

Nükleer fisyon sırasında ısı açığa çıkar, bu ısı, suyu ısıtarak türbinleri çalıştıracak buhara dönüştürür.

Tipik bir nükleer reaktör yaklaşık 2, 5 cm çapında silindirciklerden zenginleştirilmiş uranyum yani yakıt pelletleri kullanır. Bu pelletler, uzun yakıt çubukları içine yerleştirilir. Bu çubuklar toplu halde basınçlı reaktör çemberinde saklanır.

Pek çok enerji santralinde, bu çubuk demetleri soğuk kalmaları için su altında tutulur. Diğer bir soğutma yöntemi de karbondioksit ya da sıvı metal içinde saklamaktır.

Santralde işleyebilmesi için uranyum filizinin süperkritik kütle halinde olması gerekir. Bunun için, uranyumun, devamlı zincirleme reaksiyona imkan verecek ölçüde zenginleştirilmiş olması gerekiyor.

Bu işlemler için reaktör çemberi için kontrol çubukları yerleştirilir. Bu çubuklar, genellikle kadmiyum olmak üzere reaktör içindeki nötronları emen bir maddeden yapılır.

Çubuklara az nötron girişi olursa, zincirleme reaksiyonun sayısı da az olur, bu da fisyon sürecini yavaşlatır.

Dünyada 400'den fazla nükleer enerji santrali bulunuyor. Bu santrallerde, dünyanın enerji ihtiyacının yüzde 17'si karşılanıyor. Nükleer reaktörler, denizcilikte ve denizaltılara enerji sağlamak için kullanılıyor.

Yeniden işleme

Yeniden işleme nükleer atıkları, içerdikleri kullanılabilir yakıtı çıkarmak için kimyasal işlemden geçirmektir.

Kullanılmış yakıt çubuklarının dış metal kaplaması, sıcak nitrik asitte eritilmeleri öncesinde çıkarılır. Bu sayede reaktörde yeniden kullanılacak uranyum (%96), yüksek oranda radyoaktif atık (%3) ve plütonyum (%1) üretilir.

Tüm nükleer santrallerde plütonyum üretilir, ancak askeri olanlarda daha fazla üretilmektedir.

Yeterli plütonyum üretilmesini sağlayacak bir yeniden işlem santrali ve bir reaktör, sıradan görünüşlü bir binanın içinde olabilir.

Bu durum, nükleer silah üretmek isteyen bir ülke için plütonyum üretmeyi denemeyi de cazip kılıyor.

Uranyum bombası

Zincirleme reaksiyonun devamlılığı, yeterli U235 atomu varsa sağlanır. Bu devamlılık için gereken ihtiyaç ise "kritik kütle" olarak adlandırılır. İşte nükleer bomba üretiminde çalışanların amacı da çok büyük miktarlarda ısı açığa çıkarabilecek bir zincirleme reaksiyon için gerekli "süper kritik kütle"ye ulaşmaktan geçiyor.

Bunun en basit yollarından biri, silah tasarımıdır.

Uranyum veya Plütonyumdan oluşan kritik kütleden alınan küçük bir parça (kurşun ya da mermi olarak adlandırılır) konvansiyonel bir patlayıcı ile büyük kütleye (küre ya da fıçı olarak adlandırılır) doğru ateşlenir. İki kütle bir araya geldiğinde süperkritik kütleye ulaşılır ve nükleer patlama gerçekleşir.

Bu işlem, bir saniyeden daha kısa bir sürede tamamlanır.

Uranyum bombası yapmak için önce yüksek oranda zenginleştirilmiş uranyum heksaflorid, uranyum okside çevrilir, ardından uranyum metalden külçeler üretilir. Bunun için basit kimyasal ve mühendislik faaliyetleri yeterli.

En basit ve en güçlü fisyon silahı atom bombasıdır. 50 kilotonluk bir patlama gücüne sahiptir. Bu güç, nükleer füzyonun özelliklerini güçlendiren bir yöntemle bu güç daha da artırılabilir.

Füzyon sırasında küçük kütleli atom çekirdekleri birleşir ve daha büyük çekirdek oluşur. Bunun için çok yüksek sıcaklık ve basınç sağlanır. Hidrojen ve izotopları, 100 milyon santigrat derece çok yüksek sıcaklıkta füzyon uğrar. Bu sıcaklık için önce atom bombasına ihtiyaç vardır.

Nükleer füzyonla açığa çıkan nötronlar daha büyük bir patlamayı getirecek fisyona yol açar. Bu fisyon- füzyon-fisyon sistemiyle hidrojen bombasında karşılaşıyoruz.

Plütonyum bombası

Plütonyumun nükleer silahlarda uranyuma destek olan çeşitli avantajları vardır. Bir bomba yapımı için sadece 4 kilogram plütonyuma ihtiyaç vardır. Bu oranda plütonyum içeren bir cihaz 20 kilotonluk enerjiyle ateşlenebilir. Yılda 12 kg plütonyum üretmek için ise nispeten küçük bir yeniden işlem tesisi yeterli gelmektedir.

Merminin patlayıcı taşıyan kısmı olan savaş başlığı, berilyum gibi bir maddeyle kaplı küre şeklinde plütonyumdan oluşur, nötronlar buradan fisyon işlemine itilir.
Kritik kütleye erişilmesi ve reaksiyonun başlaması için daha az miktarda plütonyum yeterlidir.

Bir terör örgütünün nükleer patlayıcı üretmek için zenginleştirilmiş uranyuma nazaran plütonyum kullanması daha kolaydır.

Uzmanlar, terör örgütlerinin, ham plütonyum bombası üretmek için, 1995'te Tokyo metrosuna atılan sinir gazının ardındaki AUM tarikatından daha gelişmiş olmalarının gerekmediğine inanıyor.

Böyle bir nükleer saldırı için 100 ton TNT kullanılması gerekiyor. Bu rakam, bugüne dek düzenlenen bombalı terör saldırılarının en büyüğünde kullanılandan 20 kat daha fazla.

BBC Turkish