Nüleer Reaktörler

Fizyon enerjisinin kontrollü bir şekilde ortaya çıkarıldığı
sistemlerdir. Genel olarak nükleer reaktörleri iki sınıfa ayırabiliriz.
Ticari olarak ısı ya da elektrik kaynağı olarak nükleer reaktörler iki
şekilde kullanılır. Ayrıca sentetik element üretiminde, tıpta, nükleer
füzelerin yapımında kullanılır.

Elektrik enerjisi üretiminde kullanılan reaktörlerde, ağır bir nükleer
yakıtın bulunduğu, öz tankı vardır. Çoğu reaktörde nötronları yavaşlatıp
zincir reaksiyonu başlatabilmek için moderatör ortamlar vardır.

Reaktörlerde, düşük güçlü reaktörler dışında, üretilen ısının taşınması
için soğutucu sıvılar kullanılır. Reaksiyon hızını kontrol edebilmek
içinde kontrol üniteleri vardır. Nükleer reaktörlerin çalışmasında,
radyoaktif yan ürünlerin kullanılmasında ve tehlikeli atıkların
atılmasında çok katı güvenlik kuralları uygulanır.



Nükleer reaktörler, içerisinde nükleer reaksiyonların kontrollü bir
şekilde yürütüldüğü ortamlardır. Çok büyük enerjiler açığa çıkaran iki
tür nükleer reaksiyon vardır. Bunlar büyük atom çekirdeklerinin
parçalanması (fizyon) veya küçük atom çekirdeklerinin birleşmesi
(füzyon) reaksiyonlarıdır. Bu yüzden nükleer reaktörler, içerisinde
gerçekleşen reaksiyon türüne göre iki gruba ayrılabilirler:

1. Fizyon reaktörleri

2. Füzyon reaktörleri

Hâlihazırda füzyon reaksiyonu ile çalışan bir nükleer reaktör mevcut
değildir. Fikir olarak Haziran 1942’de ortaya atılan füzyon olayı ancak
1952’de bomba olarak denenebilmiştir. Bu büyük gücün kontrol altına
alınması, başka bir deyişle füzyona dayanan bir nükleer reaktörün
yapılması ise henüz gerçekleştirilememiştir. Ancak, bu konudaki
çalışmalar bütün hızıyla devam etmektedir.

Günümüzde farklı şekillerde tasarlanmalarına rağmen temel olarak fizyon
reaksiyonuna dayanan yüzlerce nükleer reaktör mevcuttur. Atom bombasında
çok kısa sürede gerçekleşen fizyon reaksiyonu, nükleer reaktörlerde
daha uzun sürede gerçekleştirilerek olay kontrol altına alınır.

Nükleer reaktörü oluşturan en önemli elemanlardan birincisi uranyum
yakıttır. (239Pu’da yakıt olarak kullanılabilir.)Uranyum radyoaktif
özelliği düşük olan bir elementtir. Reaktörde reaksiyona girmeden önce
lastik bir eldivenle bile tutulabilir. Ancak, fizyon reaksiyonu
sonucunda oluşan ürünlerin çoğu oldukça radyoaktiftir. Nükleer reaktör
çalışmaya başladıktan sonra ne içine girmek ne de reaktörden çıkan yakıt
atıklarına yaklaşmak imkansızdır.

Yakıt olarak kullanılacak uranyumun reaktöre girmeden önce her türlü
safsızlıktan arındırılması gerekir. Ayrıca yapısındaki 235U oranı %3
dolayına yükseltilmiş yani izotopik olarak zenginleştirilmiş uranyum
daha kullanışlıdır. Günümüzde yakıt olarak UO2 tercih edilmektedir.
Uranyum dioksit önce toz haline getirilip sonra 1 cm çap ve
yüksekliğinde küçük silindirler şeklinde sıkıştırılır. Daha sonra
fırında pişirilerek seramik yakıt lokması haline getirilen bu
silindirler 4 m uzunluğunda ince bir metal zarf içine yerleştirilerek
yakıt çubukları elde edilir. Büyük bir reaktörde bu yakıt çubuklarından
yaklaşık 50.000 tane vardır.

Reaktörün ikinci temel elemanı nötron yavaşlatıcısıdır. Bunun için ise
su kullanılır. Uranyum yakıt reaktörde bir su banyosuna daldırılmış
çubuklar şeklindedir. Fizyon reaksiyonu sonucunda oluşan nötronlar yakıt
çubuklarından su banyosuna geçerler. Su tarafından yavaşlatılan
nötronların fizyon yapma yeteneği artar. Bu yavaş nötronların yeniden
uranyum yakıt ile çarpışmaları ise fizyon olayının zincirleme reaksiyon
şeklinde sürmesini sağlar.

Fizyon reaksiyonu sonucunda oluşan büyük ısının, yakıtın kızışmasını
önlemek için ortamdan transfer edilmesi gerekir. Bunun için ise
nötronları yavaşlatmak için ortamda bulunan suyun bir pompa ile
devredilmesi sağlanır. Yaklaşık 300°C’de olan sıcak su borular yardımı
ile soğuk su içeren bir hazneden geçirilir. Bu esnada ısı transferi ile
soğuk su ısınarak buhar oluşur. Elde edilen buhar bir buhar türbininden
geçirilerek ısı enerjisi elektrik enerjisine dönüştürülür.

Nükleer reaktörlerin en önemli elemanlarından bir diğeri ise kontrol
çubuklarıdır. Reaktörün kontrolü ortamdaki nötron sayısının kontrolü ile
mümkündür. Eğer, fizyondan doğan nötronların oluşma hızı uranyum yakıt
tarafından yakalanma hızına eşit ise reaktör aynı güçte çalışmaya devam
eder. Ortamdaki nötronların sayısı arttıkça güç yükselir, azaldıkça güç
düşer. Ortamda nötron kalmazsa reaksiyon durur. Bunun için, reaktöre
kadmiyum veya bordan yapılan ve nötronları soğuran kontrol çubukları
yerleştirilir. Bu çubuklar reaktörde istenilen derinliğe indirilerek
reaksiyon kontrol altında tutulur.