REAKTÖRLER VE TİPLERİ

TJDK : 621.316.93S

' Giriş :

Reaktör, esas olarak nükleer yakıt atomları nın bölünmesinin kontrol altında tutulduğu ve bu bölünmenin faydalı iş şekline konulduğu oto matik bir fırındır.

tik atom reaktörü 6 Aralık 1942 de Chicago Üniversitesinde (ABD) İtalyan bilgini Enrico Fermi'nin başkanlığında kurulmuştur. Bu ilk re aktörde yakıt olarak tabii uranyum, moderatör olarak da grafit kullanılmış ve çok az enerji ha sıl olduğundan soğutucuya lüzum görülmemiştir. Chicago Pile No — 1 (CP = 1) adı verilen bu reaktör, asken himaye ve üniversite futbol saha sı altında yasak bir bölgeye inşa edilmiş ve ça lışması gizli tutulmuştur, ilk çalışmalarda başa rı elde edilince Fermi «İtalyan gemicileri yeni dünyaya ulaşmış ve buranın yerlilerini çok sa mimi bulmuştur» diye şifreli bir telgrafla duru mu İtalya'daki Üniversitesine bildirmiştir. Bu ilk reaktörü diğer reaktör inşaatları takip et miştir ve sayıları gün geçtikçe artmaktadır.

İlk reaktörlerde atom bombası imalinde kul lanılacak plütonyum istihsal ediliyordu. Harpten sonra bazı memleketler sınaî maksatlar için, fis yon olayında hasıl olan ısı enerjisinden fayda lanmaya başladılar. Bu memleketlerin başında Birleşik Amerika, Rusya, İngiltere, Fransa ve Kanada gelmektedir. .

Bütün reaktörlerde ısı, radyasyon ve fisyon mahsullerinin her zaman kullanılış yeri olmadı ğından genellikle yok edilmesi istenir. Şu halde reaktörlerde bizim için faydalı iki §ey mevcut tur: Isı ve radyasyon Güç reaktörlerinde ısıdan, üretici ve araştırma reaktörlerinde radyasyon dan faydalanılır.

Reaktörlerin Tipleri :

Reaktörler kendilerine has özellikleri ile tip lere (sınıflara) ayrılırlar. Meselâ' reaktörün bü yüklüğü; nötron akışı veya gücü cinsinden ifade edilir. Herhangi bir reaktörün hasıl ettiği güç 1 MVVdan daha küçük ise «Alçak Güç» 1 ilâ 5 MW arası (Orta Güç» 10 MW veya daha fazla ise «Yüksek Güç» reaktörleri olarak sınıflandırılırlar.

Reaktörün belki en mühim özelliği nötron şiddetinin ölçüsü olan akıdır. Nötron akısı, yal nız neşredilmiş olan nötronların sayısına bağlı

Gürcan YÜLEK Flz. Y. Mühendisi

AEK olmayıp onların hızına da bağlıdır ve 1 cm! fis yon maddesi içindeki nötron sayısı ile ortalama hareket hızlarının çarpımı neticesinde tesbit edi lir. Çoğu zaman cm2 başına nötron sayısı olarak verilmiş olan nötron akısı «nv» şeklinde kısaltıl mıştır. Reaktörün içinde her saniyede 1 cm2 lik alandan milyon defa milyon nötron geçer, yani akı 1012 nv. dlr. Hemen hemen bütün araştırma reaktörleri bu yüksek akıya sahiptirler. Şayet akı ÖKIO11 nv nın üstünde ise bu reaktörler yük sek akı reaktörleri adını alırlar.

Reaktörler «kor»u (nüveyi) tutan kabın şek line, yakıt ve moderatör olarak kullanılan mad deye göre de isimlendirilirler: Havuz tipi, tank tipi reaktörler; grafit veya ağır su reaktörleri v s. gibi.

Reaktörleri kullanılışlarına göre de 4 gruba ayırabiliriz. Bunlar :

1. Tecrübe Reaktörleri :

Bu reaktörlerin bizzat kendileri bir araştırma konusu olup yeni tip reaktörlerin modelleri üze rinde deneyler yapmakta kullanılırlar.

2. Araştırma reaktörleri :

Yakıt olarak uranyum çubukları kullanılan, moderatörü, reflektörü, soğutucusu ve korunma zırhı sadece adi su ve kabından ibaret olan, il mî tecrübelerin yapıldığı reaktörlerdir. Bunda suyun kaynama noktasına kadar ısınmaya asla müsaade edilmediğinden koru tutan kabın yük sek ısı ve basınca dayanıklı olması gerekmez. Araştırma reaktörlerinde koru tutmak için 2,5 cm den daha ince aliminyum kap kâfi gelmek tedir.

3. Üretici Reaktörler :

Bu reaktörlerde de ekseriya tabiatta bulun mayan element ve izotoplar istihsal edilirler. En fazla istihsal edilen element plütonyumdur. Plü tonyum diğer reaktörlerde yakıt olarak veya nükleer silahlarda kullanılır.

4. Güç Reaktörleri :

Fisyon olayından çıkan büyük ısı enerjisin den faydalanarak, mekanik veya elektrik ener jisi istihsaline yarayan reaktörlere bu İsim veri lir.

Güç reaktörlerinde kora sevkedilen buhar ve ya sıcak su 260 C° veya daha yüksek sıcaklığa kadar ısıtılır. Eu ısı ya merkezî ısıtma sistemle rinde veya elektrik enerjisine çevrilerek elektrik istihsalinde kullanılır. Güç reaktörlerinde koru tutan kap en az 10 cm. kalınlığında çeliktir.

19G1 yılında memleketimizde İstanbul'da Kü çük Çekmece Gölü civarında 1 MW gücünde, ha vuz tipi, ara§tırma reaktörü, faaliyete geçmiş tir.

ARAŞTIRMA REAKTÖRLERİNDE NÖTRON LARIN ELDE EDİLMESİ ÖZELLİKLERİ VE

KULLANILDIKLARI YERLER

Berilyum atomunun . çekirdeğine ya bir alfa partlkülü yahut çok enerjik gama ışını çarptı rılırsa nükleer reaksiyon neticesi bir nötron sa lınır. Bu reaksiyonlara «alfa, nötron» («, n) ve ya «gama, nötron» (S,n) reaksiyonları denir. Bundan başka kafi derecede enerjiye sahip ağır hidrojen atomları birbirleri ile çarpışırlarsa yine nötronlar hasıl olur. Fakat bu yollarla çok az nötron elde edilir. Nötron kaynakları yani nöt ronların bol miktarda istihsal edildiği yer arag tırma reaktörleridir.

Araştırma reaktörleri; temel veya tatbiki fizik, kimya ve biyoloji araştırmalarında kulla nılmak üzere, nötron kaynağı ve gama radyas yonu temin etmek için tesis edilmiştir.

Ağır çekirdekli bir atomun (atom numarası = Z ^> 92) orta ağırlıkta iki atom ayrılmasına fisyon olayı denir. Flsyondan nötron hasıl edil mesini ve enerji açığa çıkmasını yakıt temin eder. Yakıt için elverişli malzeme: U—235, U— 233, Pu—239 dur. Pu—239 transuran bir element olup tabiatta mevcut değildir. U—233 tabiî uranyum İçinde % 0,006 oranında bulunur. Pu— 239, U—238'in, U—233 de Th—232 nin nötronlar la bombardımanı ile bol miktarda sun'i olarak elde edilir. Araştırma reaktörlerinde yakıt ola rak en çok U—235 kullanılır. U—235 tabiî uran yum içinde % 0,72 oranında mevcuttur.

Tabiî uranyum içinde çok fazla bulunan U— 238 yakıt olarak elverişli değildir. U—238, nöt ronları fisyona uğramaksızın absorb eder. Böy lece zincir reaksiyonunu devam ettirecek nöt ronlar yok edilir. Yalnız yüksek hızlı nötronlar U—238 tarafından yakalanabileceğinden, nötron lar U—238 atomları ile çarpışmaya vakit bula madan yavaşlatılır ise nötronların yok edilmesi önlenir. Bu yavaşlatma işlemi moderatör tara fından yapılır. Moderatör nötronlara karşı pasif olan fakat onlarla çarpışarak hareket enerjileri ni azaltabilen bir maddedir. Bu çarpışmalar so nunda yavaşlayan nötronlar U—235 atomlarının çekirdekleri tarafından daha kolay yakalandık larından fisyon sayısı da çoğalır. Moderatör ola rak, hidrojen, döteryum, karbon ve berilyum gi bi hafif atomlar kullanılır.

Şekil 1 Möderatörde nötronların yavaşlattlmast

Eğer faydasız nötron absorbsiyonu tehlikesi çok büyük ise, yakıtın U—238 miktarını azalta cak şekilde U—235 bakımından zenginleştirilme si icap eder. Zenginleştirme işlemi için mümkün metodlardan birisi, magnetlk kütle ayırmasıdır. Bu metodda elektrik alanı içinden aynı hızla ge çirilen uranyum iyonları magnetik alan tarafın dan, sapma yarıçapı iyon kütlesi ile orantılı ola cak şekilde saptırılırlar. Böylece tabiî uranyum içindeki U—235, U—238, U—233 birbirinden ay rılmış olur. Bütün izotop ayırma metodları son derece pahalıdır.

Şekil 2. Magnetik kütle aytrmast

Araştırma, reaktörlerinde; U—235 üzerine yavaşlatılmış bir nötron gönderildiğinde karar sız bir element olan U—236 elde edilir ve U—236 derhal orta ağırlıkta kararlı iki elemente ayrı lır. Aynca İki veya üç nötron ve büyük bir ener ji açığa çıkar.

+ 3eKr<> + 3 on^ Orta ağırlıkta kararlı iki element yukarıdaki denklemde olduğu gibi kripton ve baryum, veya başka iki element meselâ molibden ve lantan da olabilir.

f La13» + 2 oni Flsyon olayı çok az olarak hafif nötronlarla, yüklü parçacıklarla (jH,1 alfa taneciği v.s.) fo tonlarla da olabilir. Bundan başka spontane fis siyon denilen ağır çekirdekli atomların kendi kendine fisyonu da mümkündür.

Her uranyum atomunun fisyonundan orta lama 2,54 nötron açığa çıkmaktadır. Moderatör tarafından yavaşlatılan 2,54 nötrondan bir tane sinin eğer reaktör çalışmaya devam ediyorsa ya kıttaki diğer bir U—235 atomunun çekirdeğine girmesine müsaade edilir ve böylece yukarıdaki fisyon olayı devam eder. İşte bu hâdiseler seri sine — Bir yavaşlatılmış nötronun U—235 ato munun parçalanması neticesi birkaç nötronun açığa çıkması ve çıkan nötronlardan bir veya birkaçının diğer uranyum atomlarına çarparak tekrar fisyon olayı meydana getirmesi ve ola yın böylece devam etmesine — ZÎNCÎR REAK SİYONU diyoruz... Buna göre 100 fisyona uğ ramış uranyum atomu için 154 tane kullanılma mış nötron kalır. Bu 154 nötrondan bir kısmı re aktörün bazı kısımlarında veya uranyum tara fından fisyona sebebiyet vermeksizin absorbe edilir. Fakat herşeye rağmen reaktörün nötron demet tüplerinde çok fazla nötron toplanır.

Nötronlar diğer temel partüküllerle mukaye se edildiğinde nispeten ağırdır, bu ağırlığından dolayı çok yavaş hareket etse bile oldukça bü yük bir kinetik enerjiye sahiptirler. Eğer nöt ronlar bir maddeyi delip geçmede mermi olarak kullanılıyorsa yavaş olarak hareketi, hedef mad denin atomları ile interraksiyonunu çok fazla artırır.

Şekil 3 Nötronların, çekirdeğin pozitif yükünün tesiri altında kalmaması

Nötronlar hiçbir elektrik yüküne sahip olma dıklarından atomun elektron kılıfının ve çekir değin pozitif yükünün tesiri altında kalmaksızın çekirdeğin içine veya yakınına kadar gelebilir.

Bu karekteristik özellikleri sayesinde nötron ların diğer maddelerle çeşitli interrakslyonu var

Eloktrik M ü h e n d i s i 1J1 1L9

dır. Bunlardan biri «NÖTRON ABSORBSÎYO NU» dur. Burada nötron, hedef atomun çekirde ğine girer ve onun bir parçası olur. Böylece meydana gelen yeni izotopların radyoaktif ol ması sayesinde maddenin temel yapısı üzerinde daha teferruatlı çalışmalar yapılabilir. İzotoplar diğer maddelere İlâve edilerek o maddenin aktif llk ve hareketinin gözetlenmesini mümkün kıl mak İçin radyoaktif izleyici olarak da kullanılır.

Nötronların ilimde alaka uyandıran diğer bir interraksiyonuda «NÖTRON SAÇILMASI» dır. Diğer maddelerden, bilhassa kristal olanlardan nötron sıçratılabilir. Bu yolla hedef maddelerin bünyesi hakkında yeni hakikatler bulunmuştur.

ATOM ENERJİSİNDEN FAYDALANARAK ELEKTRİK İSTİHSALİ

Şimdiye kadar enerji ihtiyacımızı kömür ve petrol gibi fosil yakıt maddeleri ile karşılıyor duk. Halihazırda yeryüzünde mevcut fosil yakıt maddeleri yüz yıllık bir istikbal vadetmektedlr. Buna göre atom enerjisinden faydalanarak elekt rik enerjisi elde etmek bir zaruret haline gelmiş tir. Bu tip elektrik istihsali için başta Amerika Birleşik Devletleri, Rusya ve İngiltere olmak üzere birçok memleketlerde büyük güç reaktör leri kurulmuştur.

Yakıtta bulunan U—235 atomları üzerinde yavaşlatümış bir nötron gönderildiği zaman meydana gelen bölünme :

2 n1

_» M»s +

olsun; olaydan evvel mevcut atomların kütlesi İle olaydan sonra meydana gelen atomların küt leleri mukayese edilirse görülürki; olaydan evvel mevcut kütleler toplamı, olaydan sonra meydana gelen kütleler toplamından daha büyüktür. Igte bu iki kütle arasındaki fark kadarlık kütle yok olmuştur. Yok olduğunu söylediğimiz bu kütle Albert Einsteln'ın meşhur E = m.c.2 ofrmülüne göre enerjiye dönüşmüştür. Bu formüle göre küt le ile enerji eşdeğerdir, yani kütle enerjiye, ener ji kütleye dönüşebilir.

Yukarıdaki denkleme göre; fissiyon olayında hasıl olan enerjiyi hesaplayalım :

U—235 = 235,124 on> = 1,009

Mç>85 = 94,945 Lâiso = 138,955 20ni = . 2,018

236,133

235,918

(kütle farkı) m = 0,215 akb (—atomik kütle birimi)

E => m.c2 den, E = 202,2 MeV. dur.

Demek ki her uranyum atomunun fisyonundan

ortalama olarak 20X> MeV. luk enerji hasıl olmak

tadır. Halbuki bir moiekülün yanmasından 3 ve ya 4 eV.'luk bir enerji meydana gelir. Yani fls yon olayı, yanma olayından 50.000.000 defa da ha büyük bir enerji hasıl etmektedir.

Fisyon enerjisi çok çeşitli hallerde bulunur:

1 __ Fisyon mahsullerinin kinetik' enerjisi halinde; (168q: 5) Mev.

2 — Nötronların kinetik enerjisi halinde; 5 =F 0,5) Mev.

3 — Fisyon sırasında çıkan gamaların ener jisi halinde; 4,6 + 1 Mev.

4 _^ Fisyon mahsullerinin kararb hale ge , çerken çıkardıkları betaların kinetik enerjisi 7 MeV., gamaların 6 MeV. dlr.

5 — Nötrlnoların kinetik enerjisi halinde 11 MeV.

Nötrinolann enerjisi madde İle reaksiyon ver meyen durdurulup yavaşlatılmayan bir enerji dir yani nötrinolann enerjisinden hiçbir gekilde faydalamlamaz. Geriye kalan 190 191 MeV. luk

ısıya dönüştürülebilir. Bu herbir fisyon ba|ıÖâ çıkan büyük enerji reaktörün moderatörünü ısı tır. Yani kinetik enerji (hareket enerjisi), ısı ene rjislne dönüşür. Enerji üreten reaktörlerde moderatör, fisyon olayın aldığı ısı ile su banyo bir su banyosundan geçerken bu ısıyı su banyo sundaki suya devreder. Yani moderatör, ısıyı elektrik enerjisi haline getirecek jenaratör gru bu ile reaktör arasında aracılık eder. Böylece su banyosundaki su buhar olur ve türbinleri çevirir.

Yakıt içersinde depolanmış enerji fisyon ola yı sayesinde ısıya, enerji dönüştürücüler saye sinde de elektrik enerjisine çevlrilir.

Memleketimizde atom enerjisinin en büyük ekonomik fayda temin edecek cephesi kısa bir gelecekte atom santrallannın kurulmasıdır. Ya pılan etüdlere göre memleketimizin 1970 1975 yılları arasında elektrik enerjisi ihtiyacını karşı lamakta atom enerjisinden faydalanılması • uygun görülmüştür.

Sekil 4 Atom enerjisinden faydalamldrak elektrtk istihsali

Elektrik Mühendisliği 1 1 9