Günümüzde nükleer enerjiden yararlanmanın uygun yolu, fisyon reaktörlerinin konuşlandırılmasıdır. Her ne kadar füzyon reaktörlerini teknik olarak kullanmak için gereken işin fiziği gösterilmiş olsa da, füzyon sistemlerini ticari olarak uygulanabilir sistemlere adapte etmek zaman alır. Aynı zamanda rekabetçi enerji mühendisliği alanına getirmek içinde çok çaba sarf etmek gerekir.
Bununla birlikte, aşırı zorlu koşullar altında performans vermesini hedefleyen malzemeler geliştirmek gerekir. Bu hem fisyon ve füzyon teknolojileri için seçenekler sağlayan her iki yolla da ilgilidir. Malzemeler nükleer enerji sisteminin fizibilitesinde kilit rol oynar, öyle ki, nükleer sistemler için temel sınıflandırma faktörleri ve metrikleri arasındadırlar. Nükleer sistem tipi (fisyon veya füzyon) aşağıdaki gibidir:
• Amaç ve işlevsellik,
• moderatör tipi,
• Soğutucu tipi,
• Yakıt tipi,
• Yapısal malzeme seçenekleri,
• Nötron-enerji sınıflandırması,
• Çekirdek tasarım seçenekleri (homojen veya heterojen vb.),
• Enerji dönüşüm proses tipi ve uygulama seçenekleri,
• Çevresel arayüzler,
Yakın vadede ve hâlihazırda mevcut ticari seçenek olarak nükleer fisyon sistemlerine odaklanıldığında, ortaya çıkan yeni teknolojilerin yanı sıra iyi araştırılmış birkaç yön vardır. Malzemeler, çağdaş nükleer reaktörlerin ömürlerini uzatmak için olanaklar yaratan etkinleştirici bir rol oynar. Malzemeler aynı zamanda ortaya çıkan yeni teknolojileri uygulanabilir kılan kilit faktördür. Dikkate değer örnekler olarak, yüksek sıcaklıklar ve yüksek enerji radyasyon etkileri nedeniyle aşırı koşullar altında performans gösteren kazaya dayanıklı yakıtlar ve sağlam yapısal malzemeler sunan çok önemli gelişmeler vardır.
Performans Koşulları ve Malzeme Seçenekleri
Malzeme seçimi için birçok seçenek bulunur, çağdaş nükleer reaktörler, çoğunlukla kaynaması engellenen (basınçlı su reaktörlerinde) veya kaynamasına izin verilen (kaynar su reaktörlerinde) hafif su (hafif su reaktörleri) kullanır. Su kullanan tüm nükleer reaktörler, gerekli performans özelliklerini elde etmek için birincil sistemlerini basınçlandırır. Basınç seviyeleri, kaynar su reaktörlerinde yaklaşık 6 MPa’dan basınçlı su reaktörlerinde 15 MPa’ya kadar değişir. Bir dizi çağdaş ticari nükleer reaktör, ağır su (CANDU reaktörleri) kullanır. Birincil soğutma sıvısı seçenekleri için alternatif seçenekler, erimiş sodyum gibi sıvı metaller ve helyum gibi gazlardır. Reaktör tipleri sırasıyla sıvı metal soğutmalı reaktörler ve gaz soğutmalı reaktörler olarak adlandırılır. Sıvı metal seçimine bağlı olarak, çalışma sıvısı enerji dönüşüm döngüsünü birincil döngüde indüklenen yüksek radyoaktivite seviyelerinden izole etmek için pahalı bir ara döngü gerekebilir.
Önemli ölçüde farklı bir seçenek, erimiş tuz reaktörlerinde bulunan sıvı tuz konfigürasyonları tarafından sunulur. Tüm bu gelişmiş reaktör seçeneklerinde, malzeme etkileşimleri, uyumluluk ve gerekli özellikleri sunarken iç koşulları destekleme ve bunlara dayanma yeteneklerindeki performans, çağdaş seçeneklerle rekabet halinde ticari fizibilite seviyelerini artırmaya yönelik başarılı gelişmeler için hayati önem taşır. Moderatörler ve yapısal malzemeler hem katı hem de sıvı seçenekleri içerir. Grafit, berilyum, çelikler ve kompozitler katı form seçenekleri arasında yer alırken. Hafif, ağır su veya sıvı tuzlar sıvı form seçenekleri arasındadır. Moderatörlerin ve yapısal malzemelerin seçimi, iç koşullar ve performans özellikleri tarafından yönlendirilir. Çoğu zaman, malzemelerin uyumlu kalması ve uzun süreler boyunca aşırı koşullar altında performans göstermesi beklenir.
Bazı malzeme seçimleri, diğerlerinde bulunmayan benzersiz özellikler ve fırsatlar sunar. Örneğin sıvı metallerin yüksek kaynama noktaları ve çok düşük buhar basınçları gibi özelliklerinden dolayı basınçlandırma gerekli değildir veya çok düşüktür. Bu, bir sistemde gerekli performans özelliklerini elde etmek için basınçlandırma gerektiren hafif su ve gazlara kıyasla önemli bir ayrım ve avantaj sunar. Belirtildiği gibi, hafif su sistemlerindeki tipik basınçlar 6 ile 15 MPa, gaz sistemlerindeki tipik basınçlar 4 ile 7 MPa arasındadır. Bu basınç seviyelerini destekleme ihtiyacı, bileşenler için kaplar ve bağlantı boruları dahil olmak üzere birincil sistemler için yapısal malzemeler üzerinde gereksinimler doğurur. Basınçlandırma ihtiyacının olmaması, malzemelere olan talebin önemli bir gevşemesidir. Özellikle, sıvı tuzlar, nükleer yakıta uzun süreli doğrudan yakınlığa dayanmak için katı yapısal malzemelerin gereksinimlerini ortadan kaldırarak gelişmiş nükleer sistemleri daha da ileri götürür. Bu, sistem ömrü açısından olduğu kadar sistem güvenlik noktasından da önemli avantajlar sunar. Erimiş tuz reaktörleri, diğer nükleer reaktör konfigürasyonlarında bulunmayan tuz ortamlarını destekleyen benzersiz teknolojiler gerektirir.
Malzeme Seçimi ve Sistem Tasarımı
Nükleer enerji sistemlerinde malzeme seçimi, reaktör çekirdeklerinde ulaşılabilir nötron enerjilerini belirler. Sonuç olarak, bu sistemleri termal, hızlı nükleer reaktörler veya sistemler olarak tanımlar. Çağdaş nükleer filo, ağırlıklı olarak termal reaktörlerden oluşmaktadır, ancak yıllar içinde bir dizi hızlı reaktör inşa edilmiş ve işletilmiştir, ayrıca bugün birkaç hızlı reaktör çalışmaktadır. Termal reaktörler malzeme seçenekleri olarak su, ağır su, helyum, karbondioksit ve grafit, hızlı reaktörler sodyum, kurşun ve çelik kullanır. Gelecekteki sürdürülebilir nükleer enerji yolları için hızlı reaktörlerin önemini göz önünde bulundurarak, sıvı metallerin ısı giderme yeteneklerini hesaba katan diğer çekirdek içi malzeme seçeneklerine göre avantajları vardı. Bu sıvı metallerin avantajlarından bazıları aşağıdaki gibidir:
• Mükemmel ısı transfer özelliklerine sahiptir,
• Sıvı halde kaldıkları geniş sıcaklık aralıkları ile karakterize edilir ve gaz soğutmalı reaktörlerin yüksek sıcaklık performans eşleştirme özelliklerini sunabilirler,
• Helyum ve ağır tuzlar, hızlı reaktörler için soğutucu türleridir,
• Nükleer radyasyon hasarına karşı mükemmel bir dirence sahiptir,
• Soğutma sistemindeki sıcaklık gradyanlarının düşük olması nedeniyle yüksek termal iletkenliğe ve düşük özgül ısıya sahiptir. Yüksek kaynama sıcaklıklarıyla birleştiğinde, hızlı reaktör konfigürasyonlarında yerel sıcak noktalar doğal olarak en aza indirilir,
Zorluklar açısından, sıvı metaller kimyasal olarak aktif ve aşındırıcıdır, ayrıca özel ve genellikle maliyetli yapısal malzemelerin ve işleme teknolojilerinin kullanılmasını gerektirirken, küçük miktarlarda bile bulunan oksijen, sodyumu Na 2’ye oksitler. Daha sonra soğuk duvarlara çökerek tıkanma sorunlarına neden olur. Sodyumun nispeten yüksek donma noktası, düşük güçte çalışma veya uzun süreli kapatma sırasında soğutucunun donmasını önlemek için elektrikli veya diğer ısıtıcıların kullanılmasını gerektirir. Ek olarak, sıvı metaller evrensel olarak mevcut değildir ve maliyetlidir, dolayısıyla tüm bu zorluklar mühendislik zorluklarıdır. Sıvı metal ortamında çalışmak üzere tasarlanmış gelişmiş malzemelerin kullanımı ile üstesinden gelinmiş ve çözülmüştür. Gaz soğutucuları, gelişmiş nükleer reaktörler için başka bir seçenektir. Reaktör basınçlarında çok küçük moderasyon yetenekleri olduğundan, termal reaktörlerde grafit veya ağır su gibi ayrı moderatörlere ihtiyaç vardır.
İşletimde hiçbir zaman gaz soğutmalı hızlı reaktör olmamasına rağmen, endüstride bir dizi gaz soğutmalı hızlı reaktör teknolojisi geliştirmek ve uygulamak için önemli çıkarlar vardır. Gaz halindeki soğutucular genellikle temin edilebilir, ucuz, güvenli ve yönetilebilirdir. Yüksek reaktör çıkış sıcaklıklarına sahip çalışma modlarına izin vererek, yüksek tesis termal verimlilikleri sağlarlar. Ayrıca, gazlı soğutucular, yüksek verimli doğrudan termodinamik çevrimlere izin verir ve saflaştırıldıklarında ciddi bir aktivasyon sorunu oluşturmazlar. Bununla birlikte gazlar, zayıf ısı transfer özelliklerine ve düşük hacimsel ısı kapasitelerine sahiptir. Ayrıca sıvı soğutuculardan daha fazla pompalama gücü ve daha büyük kanallar, pompalama gereksinimlerini azaltmak için ise basınçlandırma gereklidir. Özellikle He gibi düşük moleküler kütleli gazlar için sızdırmaz sistemlere ihtiyaç vardır.
Zayıf ısı transferi nedeniyle, reaktörden yüksek ısı uzaklaştırma oranları elde edilecekse, yüksek yakıt sıcaklıkları gerekir. Bu nedenle, malzeme seçiminin ve malzeme mevcudiyetinin, hem teknoloji açısından hem de ticari uygulama açısından nükleer reaktör fizibilitesini belirleyen kilit faktörler olduğu iddia edilebilir. Neyse ki, malzemelerdeki ilerlemeler bugün çok 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: Özlem Güvenç Ağaoğlu