19.7: Nükleer Güç

Kontrollü nükleer fisyon reaksiyonları elektrik üretmek için kullanılır. Nötronlarla bombardıman yoluyla uranyum veya plütonyum fisyonu yoluyla güç üreten herhangi bir nükleer reaktör altı bileşene sahiptir: fisyonlanabilir malzeme, bir nükleer moderatör, bir nötron kaynağı, kontrol çubukları, reaktör soğutma sıvısı ve bir kalkan ve muhafaza sisteminden oluşan nükleer yakıt.

Nükleer Yakıtlar

Nükleer yakıt, kendi kendini devam ettiren bir zincir reaksiyonu sağlamak için yeterli miktarda bulunması gereken uranyum-235 gibi bölünebilir bir izotoptan oluşur. Çoğu basınçlı su reaktöründe, her yakıt düzeneği, yüksük boyutlu, seramik kaplı, zenginleştirilmiş uranyum (genellikle UO₂) yakıt peletleri içeren yakıt çubuklarından oluşur. Modern nükleer reaktörler 10 milyon kadar yakıt peleti içerebilir.

Uranyum-235 yararlı bir yakıttır, çünkü fisyon başına ortalama birden fazla nötron üretir, ancak doğal bolluğu ağırlık olarak yaklaşık yüzde 0,7'dir. Çoğu güç reaktörü, yakıtlarının ağırlık olarak en az yüzde 3 ila 5 uranyum-235'e zenginleştirilmesini gerektirir.

Nükleer Moderatörler

Nükleer reaksiyonlarla üretilen nötronlar, U-235 fisyonunu güvenilir bir şekilde sağlamak için çok hızlı hareket ederler. İlk önce yakıt tarafından absorbe edilmek ve ek nükleer reaksiyonlar üretmek için yavaşlatılmalıdırlar. Bir nükleer moderatör, nötronları fisyona neden olacak kadar düşük bir hıza yavaşlatan bir maddedir. Eski reaktörler, moderatör olarak yüksek saflıkta grafit kullanırlardı. Modern reaktörler genellikle moderatör olarak ağır su veya hafif su kullanırlar.

Nötronlar, hidrojen çekirdeklerine benzer bir boyuta sahip olduklarından, su moleküllerindeki hidrojen atomlarına çarptıklarında, önemli miktarda kinetik enerji kaybederler. Ağır su daha iyi bir moderatördür, çünkü döteryum zaten bir nötrona sahiptir ve hidrojen-1'in bazen yapacağı gibi başka bir nötronu emmesi olası değildir. Su ve grafit gibi moderatörler, nötronları çekirdekte eşit bir dağılımda tutmak için bir nötron reflektörü olarak da işlev görürler.

Nötron Kaynağı

Uranyum-238 ve uranyum-235 kendiliğinden parçalanmasına rağmen, süreç tahmin edilemez ve bu içsel kaynaklar çok az nötron üretir. Bu nedenle, bir reaktör fisyon zincir reaksiyonunu başlatmak için bir nötron yayıcı gerektirir. Zincir reaksiyonunun başlatılması için nötron üretmek üzere bir reaktöre amerikyum-249 veya plütonyum-239 gibi bir alfa yayıcı ile eşleştirilmiş berilyum-9 gibi bir nötron kaynağı monte edilir.

Kontrol Çubukları

Reaktörün güç seviyesi, k ile gösterilen nötron çarpma faktörü ile tanımlanır. Bir nesilde fisyon tarafından üretilen nötron sayısının, önceki nesilde fisyon tarafından üretilen nötron sayısına oranıdır.

k 1'den küçük olduğunda, reaktör subkritiktir ve enerji çıkışı azalır; k 1'e eşit olduğunda, reaktör kritiktir ve enerji çıkışı sabittir; ve k 1'den büyük olduğunda, reaktör süperkritiktir ve enerji çıkışı artar.

Nükleer reaktörler, zincir reaksiyon hızını güvenli bir seviyede tutan mevcut yavaş nötron sayısını ayarlayarak nükleer yakıtın fisyon oranını kontrol etmek için kontrol çubukları kullanır. Kontrol çubukları bor, kadmiyum, hafniyum veya nötronları emebilen diğer elementlerden yapılır.

Kontrol çubuğu tertibatları reaktör çekirdeğindeki yakıt elemanına yerleştirildiğinde, yavaş nötronların daha büyük bir kısmını emer, böylece fisyon reaksiyonunun hızını yavaşlatır ve üretilen gücü azaltır. Tersine, kontrol çubukları çıkarılırsa, daha az nötron emilir ve fisyon oranı ve enerji üretimi artar. Acil bir durumda, zincir reaksiyonu, tüm kontrol çubuklarını yakıt çubukları arasındaki nükleer çekirdeğe tamamen sokarak kapatılabilir.

Reaktör Soğutucuları

Basınçlı bir su reaktöründe, reaktör soğutma sıvısı, fisyon reaksiyonu tarafından üretilen ısıyı, elektriğe dönüştürüldüğü harici bir kazan ve türbine taşımak için kullanılır. Kirlenmiş soğutucunun buhar türbinine ve soğutma kulesine transferini önlemek için genellikle iki ısı değiştirici soğutma sıvısı döngüsü kullanılır. Çoğu zaman, su, bir soğutucu olarak kullanılır. Özel reaktörlerdeki diğer soğutucular arasında erimiş sodyum, kurşun, kurşun–bizmut karışımı veya erimiş tuzlar bulunur. Büyük, hiperboloid bir soğutma kulesi, ikincil soğutma devresindeki buharı yoğunlaştırır ve genellikle gerçek reaktörden biraz uzak bir mesafede bulunur.

Kalkan ve Muhafaza Sistemi

Basınçlı su reaktörleri, tipik olarak üç bölümden oluşan bir muhafaza sistemi (veya kalkan) ile donatılmıştır: (i) 3–20 santimetre kalınlığında bir çelik kabuk; kabuk içindeki moderatör, reaktör tarafından üretilen nötron radyasyonunun çoğunu emer; (ii) γ ışınlarını ve X ışınlarını emen 1–3 metre yüksek yoğunluklu betonun ana kalkanı; (iii), (i) ve (ii)'nin koruyucu işlemlerinden gelen radyasyonu emmek için ek koruma. Buna ek olarak, basınçlı su reaktörleri genellikle bir reaktör kazasında açığa çıkabilecek herhangi bir radyoaktif madde içerecek şekilde tasarlanmış bir çelik veya beton kubbe ile kaplıdır.

Bu netin bu kaynaktan uyarlanmıştır: Openstax, Chemistry 2e, Section 21.4: Transmutation and Nuclear Energy.

Nükleer fisyon, bir buhar türbininden elektrik üretimine izin veren büyük miktarda termal enerji açığa çıkarır. Nükleer yakıt tipik olarak, ortalama olarak fisyon başına birden fazla nötron üreten uranyum-235 gibi bölünebilen bir çekirdektir. Fisyon tarafından salınan hızlı nötronlar, nötron moderatörleri tarafından yavaşlatılmalıdır çünkü termal nötronlar bölünebilir yakıtta zincir reaksiyonlarını en verimli şekilde başlatır.

Su iyi bir moderatördür çünkü hidrojen çekirdekleri ve nötronlar uyumlu boyutlara sahiptir ve nötronların çarpışmada önemli miktarda kinetik enerji kaybetmesini sağlar. Ağır su daha da iyidir çünkü döteryumda zaten bir nötron vardır ve başka bir nötron absorbe etme olasılığı düşüktür. Moderatörler ayrıca nötronları çekirdekte eşit bir dağılımda tutmak için bir nötron reflektörü görevi görürler.

Uranyum-235 veya 238'in kendiliğinden fisyonu tahmin edilemediğinden, zincir reaksiyonunun kontrollü başlatılmasını sağlamak için bir reaktöre bir nötron kaynağı yerleştirilir. Zincirleme reaksiyonun durumu, nötron çarpım faktörü, k ile tanımlanır:bir nesildeki fisyon tarafından üretilen nötron sayısının, önceki nesilde fisyon tarafından üretilen nötronların sayısına oranı. K 1'den küçük olduğunda, reaktör kritiktir ve enerji çıkışı azalır.

K 1 olduğunda, reaktör kritiktir ve enerji çıkışı sabittir. K 1'den büyük olduğunda, reaktör süper kritiktir ve enerji çıkışı artar. Zincirleme reaksiyon, bor veya kadmiyum gibi nötron emici malzemelerden yapılmış kontrol çubukları ile kontrol edilir.

Tamamen yerleştirilmiş kontrol çubukları çok sayıda nötron absorbe ederek reaktörü kritik seviyede tutar. Kontrol çubuklarının geri çekilmesi, giderek daha fazla fisyon oluşmasına izin verir. Su gibi soğutucu, türbin için buhar oluşturmak için ısıyı reaktör çekirdeğinden uzaklaştırır.

Reaktör ısındıkça, nötronlar daha hızlı hareket eder ve aşırı ısınmayı önlemeye yardımcı olan fisyona neden olma olasılıkları azalır. Çekirdek, su ve kalın beton tabakalar gibi malzemelerle korunmaktadır. Genel çekirdek tasarımı ve muhafaza yapısı, her ikisi de spesifik reaktör tipine bağlıdır.

• Nuclear Fuel - Fissionable material used in a nuclear reactor to generate power (e.g., uranium-235).
• Nuclear Moderator - Substance that slows down the neutrons in nuclear reactors (e.g., heavy water).
• Neutron Source - Emitter to initiate fission chain reactions (e.g., beryllium-9).
• Control Rods - Absorb neutrons to control fission rate and maintain safe power levels (e.g., boron).
• Reactor Coolant - Used to carry the heat produced by fission to an external boiler and turbine (e.g., water).
• Shield and containment system - Designed to contain any radioactive materials that might be released by a reactor accident.

• Define Nuclear Fuel - Explain the composition and function of nuclear fuel (e.g., uranium-235).
• Contrast Control Rods vs Reactor Coolants - Distinguish their roles in maintaining safe nuclear reactions and power generation (e.g., boron rod vs. water).
• Explore Nuclear Reactors - Describe the setup and working of nuclear reactors (e.g., sequence of components).
• Explain Uranium-235 Fission - Overview of how uranium undergoes fission in reactors to generate energy.
• Apply in Context - Illustrate how factors like control rods and coolants help maintain safe chain reactions in nuclear reactors.

• [Question 1] What is nuclear fuel and how is it used in nuclear reactors?
• [Question 2] What are control rods and how do they maintain safe fission rates?
• [Question 3] How does a moderator like heavy water contribute to nuclear reactor functionality?

• Students - Understanding key concepts about nuclear reactors can build a foundation for understanding nuclear physics and chemistry.
• Educators - Provides a clear framework to teach about nuclear energy, fission process, and components of a nuclear reactor.
• Researchers - A comprehensive understanding of nuclear reactors supports development and enhancement of nuclear technologies.
• Science Enthusiasts - Offers insights into the fascinating world of nuclear power generation and associated technologies.