2-YENİ NESİL REAKTÖRLER
Ana hatları ile iki sınıfa ayırabiliriz. Termal reaktör ve Hızlı reaktörler, reaktörler, ( Fast Nötron Reaktor), hız lı spektrumlu reaktör veya basitçe hızlı reaktör de denir. Zincirleme fisyon reaksiyonunun, termal nötron reaktörlerinde kullanılan yavaş termal nötronların aksine, hızlı nötronlar (ortalama olarak 1 MeV'nin üzerinde enerji taşıyan) tarafından sürdürüldüğü bir nükleer reaktör kategorisidir . Hızlı Yavaş reaktörler, veya termal nötron kullanan (ortalama olarak 1 MeV'nin altında enerji taşıyan) bir nükleer reaktördür. Fisyon tarafından yayılan nötronların yakıt tarafından yakalanma olasılığını artırmak amacıyla yavaşlatmak için nötron moderatörü kullanırlar. Küçük modüler reaktörler (SMR'ler) genellikle 10 megawatt (MWe) ile 300 (MWe)arasında elektrik üreten nükleer reaktörler olarak tanımlanır. SMR'ler, inşaatın öngörülebilirliğini artıran ve inşaat maliyetlerinde ve teslimat sürelerinde potansiyel düşüşlere yol açan çeşitli teknik özellikler sunar. Mevcut nesil reaktörlerin inşasında büyük maliyetleri nedeniyle zor durumda olan nükleer enerji endüsrisi, IV.Nesil Reaktörler diye de adlandırılan, geleneksel reaktörlerin daha küçük versiyonlarından her şeyi içeren geniş bir kategori olan “gelişmiş” daha kısa sürede yapılabilen “yeni nesil” reaktör tasarımlarına bağlamıştır.
Hafif su reaktörleri, nükleer çekirdekteki helyum veya tuz gibi diğer soğutucu maddeler lehine sudan tamamen kaçınan tasarımlar. Bu reaktörler, diğer olasılıkların yanı sıra fosil yakıt tesislerini değiştirerek, temiz hidrojen üretimini güçlendirerek ve yenilenebilir enerjiyi güçlendirerek karbondan arındırma hedeflerine ulaşılmasına yardımcı olma potansiyeline sahiptir. Aşağıda verile literatürlerden de anlaşılabileceği gibi, birçok yeni nesil reaktör tipi tanımlanmaktadır. Burda aldıklarımızın özellikle, makale ve sunum olmasına rağmen bizim için Yozgat il sınırlarında olabilecek mümkün olabilecekleri ki az suya ihtiyaç olanları ve küçük ölçekli olanları altı yeni nesil reaktör tipleri uygun görüldü. Bunlar: 2.a)Yüksek sıcaklık gaz reaktörü (HTGR) 2.b) Çok yüksek sıcaklık reaktörü (VHTR) 2.c) Erimiş tuz reaktörü (Molten Solt Reaktors MSR) 2.d) Süper kritik su soğutmalı reaktör (SCWR) 2.e) Gaz soğutmalı hızlı reaktör (GFR) 2.f) Sodyum soğutmalı hızlı reaktör (SFR) Özellikle Yozgat bölgesinde gerek güvenirlik gerekse sürdürülebilirlik milli ve bölgesel imkanların temin ve kullanımı açısından erimiş tuz reaktörü (molten salt reaktör MSR), sodyum soğutmalı hızlı reaktör (sodium coold reactor SFR) lerin daha uygun olacağı yaptığım ön çalışmalar açısından ağır basmaktadır. bu iki tür reaktörün daha kapsamlı bilgilendirmeyi uygun bulmakla birlikte diğer dört öngörülen tiplere de kısaca değinilecektir. En gelişmiş tasarımlardan olan sodyum soğutmalı hızlı reaktör ve erimiş tuz reaktörü güvenlik açısından da ön plana çıkmaktadır.[3-5] Çok yüksek sıcaklıklı reaktörler, önceki nesillere göre çok daha yüksek sıcaklıklarda çalışır. Bu, kükürt- iyot döngüsü ve verimli hidrojen üretimi gibi karbon-nötr yakıtların sentezi için yüksek sıcaklıkta elektroliz sağlar.[2] 2.a)Yüksek sıcaklık gaz reaktörü (HTGR) Yüksek sıcaklık gaz-soğutmalı reaktör (HTGR) tipik olarak geleneksel reaktörlerin iki veya üç katı sıcaklıklarda çalışır. Grafit kontrollüdür ve helyum soğutması kullanır. Daha düşük güç yoğunluğu sunar. HTGR, TRISO partikül yakıtı ile çalışır. Yakıt bireysel parçacıklardan yapılmıştır. TRISO, nihai atık ürünleri yavaşlatmak için üç kat karbon veya seramik malzemelerle kaplanmış uranyum, karbon ve oksijenden oluşur. Yakıt silindirik veya "çakıl taşları" adı verilen bilardo topu büyüklüğünde küreler halinde imal edilir. Nötron, korozyon, oksidasyon ve yüksek sıcaklıklara karşı konvansiyonel yakıtlara göre daha dayanıklıdır. Bu çakıllar yüksek sıcaklıklarda çalışabilen reaktörde erimezler. Yakıt reaktör boyunca kademeli olarak ilerler. Kullanılan çakıllar reaktörün altından çıkarken üstte taze çakıllar onların yerini alır.
Çok yüksek sıcaklıklı reaktör (VHTR), helyum veya erimiş tuz kullanan, tek geçişli uranyum yakıt döngüsüne sahip, grafit kontrollü bir çekirdeğe sahiptir. Reaktörün tasarımı, 1.000 °C'lik bir çıkış sıcaklığı öngörmektedir. Çekirdek prizmatik blok veya çakıl yataklı tasarım olabilir. Yüksek sıcaklıklar termokimyasal kükürt-iyot çevrimi işlemi yoluyla proses ısısı veya hidrojen üretimi gibi uygulamaları mümkün kılar. Ocak 2016'da, Amerika Birleşik Devletleri Enerji Bakanlığı tarafından reaktör geliştirmelerini ilerletmek için X-energy'ye 40 milyon $'a kadar beş yıllık bir hibe sağlandı.[4][5][6] Xe-100, 80 MWe veya 'dörtlü paket' içinde 320 MWe üretecek bir PBMR'dir.[7]
2.c) Erimiş tuz reaktörü (Molten Solt Reaktors MSR)
Yozgat için MSR tipinin daha uygun oduğu düşüncesi ile MSR reaktörünü daha geniş alınmasında fayda görüyorum. Grafit elde edilmesi için kömür madenlerinin ilimizde olması, tuz kullanımı için gerekli tuz yataklarının yakın ilimiz sınırları içinde bol miktarda olması ve de ana yakıt maddesi uranyumunda Yozgat Sorgun’da bulunması MSR reaktörünün kurulması fikrini öne çıkarır. Erimiş Tuz Reaktör Sistemi, dolaşımdaki erimiş tuz yakıt karışımında fisyon gücü üretir ( Şekil 2 c) MSR
aşağıda gösterilmiştir]. MSR'ler, birincil seçenek olarak Na ve Zr florürler ile erimiş florür karışımı içinde çözünmüş uranyum veya plütonyum florürlerle beslenir. MSR'ler, tercih edilme sebepleri;
- MSR'ler zincirleme reaksiyon için gerekli olan nötronları verimli kullanır ve aktinit yakma ve/veya yüksek dönüşüm için avantajli bir reaktör tipidir.
- Yüksek sıcaklıkta çalışma imkanı sağlar, termokimyasal hidrojen üretimi potansiyelinden dolayı tercih edilebilir.
- Erimiş flüorür tuzları çok düşük buhara sahiptir bundan dolayı düşük basınç oluşturur reaktördeki
kap ve boruların daha uzun ömürlü olmasını sağlar,
- Arıza korumalı drenaj, pasif soğutma ve yakıttaki uçucu fisyon ürünlerinin azlığı nedeni ile güvenilir bir ortam oluşturur.
- Yakıt ikmali, işleme ve fisyon ürünlerinin üretimi kapalı ortamda çevrimiçi olarak gerçekleştirilebilir olması ayrıca yüksek verimlilik sağlar.
- MSR'ler, katı yakıt reaktörlerinin ihtiyaç duyduğu harmanlama ve imalata gerek kalmadan, geniş ölçüde değişen bileşimlerdeki aktinit beslemelerinin homojen tuz çözeltisine eklenmesine imkan tanır.
MSR'nin bir diğer özelliği olasılıkla termal spektrumlu bir nükleer atık yakıcı olmasıdır. Geleneksel olarak, yalnızca hızlı spektrumlu reaktörlerin kullanılmış nükleer yakıtın yeniden kullanımı veya azaltılması için uygun olduğu düşünülür. Atık yakma prosesi kullanılmış nükleer yakıttaki uranyumun bir kısmının toryum ile yer değiştirilmesi ile sağlanmıştır. Uranyum ürün çekirdekleri (örneğin plütonyum ve amerikyum) tüketilen ürün çekirdeklerinden net üretim oranı, tüketim oranının altında olduğundan nükleer atık yakıt depolama ve nükleer yayılma gibi teknik sorunlar kısmen ortadan kalkar.
Erimiş tuz reaktörü (MSR), yakıtın kendisi veya birincil soğutucunun erimiş bir tuz karışımı olduğu
reaktör türüdür. Yüksek sıcaklık ve düşük basınçta çalışır.[8]
Erimiş tuz termal, epitermal ve hızlı reaktörler için kullanılabilir. 2005'ten bu yana hızlı spektrumlu MSR'ler (MSFR) odak olmuştur[9]. Diğer tasarımlar entegre erimiş tuz (örn. IMSR) ve erimiş klorür tuzu hızlı reaktörleri (MCSFR) içeriyor.Erken termal spektrum kavramları ve güncel olanların çoğu, erimiş florür tuzu içinde çözülmüş uranyum tetraflorür (UF4) veya toryum tetraflorür (ThF4) üzerine kuruludur. Akışkan, grafit nötron moderatörlü bir çekirdeğe akarak kritik eşiğe ulaşır. Yakıt grafit bir matris içinde dağılmış olabilir. Tasarımlar, fisyon olaylarına neden olan nötronların ortalama hızının daha yüksek olması nedeniyle termal reaktörden daha doğru bir şekilde epitermal reaktör olarak
adlandırılır[10]. MCSFR grafit moderatörünü ortadan kaldırır. Yeterli miktarda tuz ve bölünebilir malzeme kullanarak kritikliğe ulaşırlar. Çok daha fazla yakıt tüketebilir ve yalnızca kısa ömürlü atık bırakabilir. Çoğu MSR tasarımı, 1960'ların Erimiş Tuz Reaktörü Deneyinden (MSRE) türetildi. Varyantlar arasında, daha büyük kapalı yakıt döngüsü yeteneklerine yardımcı olmak için genellikle bir metal klorür, örneğin plütonyum (III) klorür olan erimiş tuz yakıtlı bir soğutma ortamı olarak kurşun kullanan kavramsal İkili sıvı reaktörü bulunur. Diğer dikkate değer yaklaşımlar arasında, erimiş tuzu geleneksel reaktörlerin yerleşik yakıt çubuklarında kaplayan Kararlı Tuz Reaktörü (SSR) konsepti yer
alır. Bu son tasarım, 2015 yılında danışmanlık firması Energy Process Development tarafından en rekabetçi tasarım bulundu[11][12]. Geliştirilmekte olan başka bir tasarım da TerraPower'ın Erimiş Klorür Hızlı Reaktörüdür. Konsetpt atmosferik basınçta reaktör çekirdeğindeki doğal sıvı uranyum ve erimiş klorür soğutucuyu karışımıyla çok yüksek sıcaklıklara ulaşır[13].
2.d) Süper kritik su soğutmalı reaktör (SCWR)
Süperkritik su reaktörü[8] azaltılmış ılımlı bir su reaktörü konseptidir (Şekil d). Yakıt içindeki fisyona
neden olan nötronların ortalama hızı termal reaktörlerdeki nötronlardan daha hızlı olduğu için epitermal reaktör olarak adlandırılır. Çalışma sıvısı olarak kritik üstü su kullanır. SCWR'ler temel olarak doğrudan, tek seferlik bir ısı değişim döngüsü ile daha yüksek basınç ve sıcaklıklarda çalışan hafif su reaktörleridir (LWR). Genel olarak tasavvur edildiği gibi, kaynayan su reaktörü (BWR) gibi doğrudan bir döngüde çalışacaktı. Çalışma sıvısı olarak süper kritik su (kritik kütle ile karıştırılmamalıdır) kullandığından, yalnızca bir su fazına sahip olacaktır. Bu, ısı değişim yöntemini basınçlı su reaktörüne (PWR) daha benzer hale getirir. Hem mevcut PWR'lerden hem de BWR'lerden çok daha yüksek sıcaklıklarda çalışabilir.Süper kritik su soğutmalı reaktörler (SCWR'ler), yüksek termal verimlilik (yani, mevcut LWR'lerin %33'üne karşılık yaklaşık %45) ve önemli ölçüde basitleştirme sunar.SCWR'nin misyonu, düşük maliyetli elektrik üretimidir. Kanıtlanmış iki teknoloji üzerine inşa edilmiştir, en yaygın kullanılan güç üreten reaktörler olan LWR'ler ve yine geniş kullanımda olan aşırı ısıtılmış fosil yakıtla çalışan kazanlar.SCWR'ler, BWR ve LWR'lerin buhar patlaması ve radyoaktif buhar salımı tehlikelerinin yanı sıra son derece pahalı olan ağır basınçlı kap, boru, valf ve pompalara olan ihtiyacı paylaşır. Bu problemler, daha yüksek sıcaklıkları nedeniyle SCWR'ler için doğal olarak daha şiddetlidir.Geliştmekte olan bir tasarım, çift girişli ve 0,95 üreme oranına sahip bir Rus SCWR olan VVER -1700/393'tür (VVER-SCWR veya VVER-SKD)[14]. Hızlı reaktörler fizyon nötronlarını moderatörsüz kullanabilen bir reaktörlerdir. Hızlı reaktörler, tüm aktinitleri "yakacak" veya parçalayacak şekilde yapılandırılabilir ve yeterli zaman verilirse, bu nedenle mevcut dünya termal nötron hafif su reaktörleri filosu tarafından üretilen kullanılmış nükleer yakıttaki aktinit fraksiyonunu büyük ölçüde azaltabilir ve yakıt döngüsünü kapatabilir. Alternatif olarak, farklı şekilde yapılandırılırsa tükettiklerinden daha fazla aktinit yakıtı üretebilirler.
2.e) Gaz soğutmalı hızlı reaktör (GFR)
Gaz-soğutmalı hızlı reaktör (GFR)[8] hızlı nötron spektrumu ve kapalı yakıt döngüsüne sahiptir.
Reaktör helyum soğutmalı ve çıkış sıcaklığı 850 °C dir. Çok yüksek sıcaklık reaktörünü (VHTR) daha sürdürülebilir bir yakıt döngüsüne taşır. Yüksek termal verimlilik doğrudan bir Brayton çevrimi gaz türbiniyle sağlanır. Çeşitli yakıt formları değerlendirilmektedir: kompozit seramik yakıt, gelişmiş yakıt parçacıkları veya seramik kaplı aktinit bileşikleri. Çekirdek konfigürasyonlar, pim veya plaka tabanlı yakıt tertibatları veya prizmatik blokları içerir.
2.f) Sodyum soğutmalı hızlı reaktör (SFR)
Sodyum Soğutmalı Hızlı Reaktör Sistemi Ar-Ge SFR Açıklaması Sodyum Soğutmalı Hızlı Reaktör (SFR) sistemi, hızlı spektrumlu bir reaktör (Şekil 2.5) gösterilmiştir) ve kapalı yakıt geri dönüşüm sistemine sahiptir. SFR'nin birincil görevi, yüksek seviyeli atıkların ve özellikle plütonyum ve diğer aktinitlerin yönetimidir. Sermaye maliyetini azaltmaya yönelik yeniliklerle, sodyum reaktörlerinin termal spektrum sistemlerinde kullanılan %1'e kıyasla doğal uranyumdaki enerjinin neredeyse tamamını kullanma yeteneği göz önüne alındığında, görev elektrik üretimine kadar genişletilebilir. SFR için, birkaç yüz MWe'lik modüler sistemlerden 1500-1700 MWe'lik büyük tekli reaktörlere kadar çeşitli tesis boyutu seçenekleri mevcuttur. Sodyum çekirdek çıkış sıcaklıkları tipik olarak 530- 550oC'dir. Birincil soğutma sistemi, bir havuz düzeninde (tüm birincil sistem bileşenlerinin tek bir kapta barındırıldığı yaygın bir yaklaşım) veya Japonya'da tercih edilen kompakt bir döngü düzeninde düzenlenebilir. Her iki seçenek için de birincil soğutucunun nispeten büyük bir termal ataleti vardır. Soğutucunun çok kararlı olması güvenliği sağlamak açısından çok büyük bir avantaj sağlar. Bir diğer önemli güvenlik özelliği ise birincil sistemin esasen atmosferik basınçta çalışması ve yalnızca sıvıyı hareket ettirmek için gereken ölçüde basınçlandırılmasıdır. Sodyum, hava ve suyla kimyasal olarak reaksiyona girebilme özelliğine sahip olduğundan bu reaktörlerin tasarımında dikkat etmek gerekir. Güvenliği artırmak için ikincil bir sodyum sistemi, birincil sistemdeki radyoaktif sodyum ile geleneksel Rankine diye bilinen bir çevrim, enerji santralinde bulunan buhar veya su arasında bir tampon görevi görür. Bir sodyum-su reaksiyonu meydana gelirse, radyoaktif bir salınım içermez.
SFR için iki yakıt seçeneği vardır: (1) MOX ve (2) karışık uranyum-plütonyum-zirkonyum metal alaşımı (metal). MOX yakıtıyla ilgili deneyim, metalle olduğundan önemli ölçüde daha kapsamlıdır. SFR'ler, avantajlı aktinit yönetimi ve yakıt kullanım özelliklerini etkinleştirmek için kapalı bir yakıt çevrimi gerektirir. İki temel yakıt çevrimi teknolojisi seçeneği vardır: (1) gelişmiş bir sulu işlem ve (2) pirometalurjik işlem teriminden türetilen piroişlem. Her iki işlemin de benzer hedefleri vardır: (1) aktinitlerin %99,9'unun geri kazanılması ve geri dönüştürülmesi, (2) ürünün doğası gereği düşük dekontaminasyon faktörü, onu oldukça radyoaktif hale getirir ve (3) hiçbir aşamada plütonyumun asla ayrılmaması. Bu yakıt çevrimi teknolojileri uyarlanabilir olmalıdır
Şekil 2.5) Sodyum soğutmalı hızlı reaktör (SFR)
Birçok ülkede sodyum soğutmalı (SCFR') hızlı reaktörler 1980'lerden beri işletilmektedir.
En büyük iki deneysel reaktör Rusya'dadır; BN-600 ve BN-800. Bu santraller, OKBM Afrikantovun
ilk IV. nesil reaktörü olan BN-1200'ün inşasında uygulanacak deneyim ve teknolojik çözümler sağlamak için kullanılıyor[15]. Şimdiye kadar işletilen en büyük reaktör, 1996'da hizmetten çıkarılan 1200 MWe'nin üzerindeki Fransız Superphenix reaktörüydü.
Hindistan'da, Hızlı Yetiştirici Test Reaktörü (FBTR) Ekim 1985'te kritik seviyeye ulaştı. Eylül
2002'de, FBTR'deki yakıt yakma verimliliği ilk kez 100.000 megavat-gün/metrik ton uranyum (MWd/MTU) işaretine ulaştı. Bu, Hindistan damızlık reaktör teknolojisinde önemli bir kilometre taşı olarak kabul edilir. Bu deneyimi kullanarak, 5.677 INR (~900 milyon ABD Doları) maliyetle 500
MWe Sodyum soğutmalı hızlı bir reaktör olan Prototip Hızlı Yetiştirme Reaktörü inşa ediliyor. Çok sayıda gecikmeden sonra hükûmet, Mart 2020'de reaktörün Aralık 2021'de faaliyete geçebileceğini bildirdi[16]. PFBR'yi, her biri 600 MWe olan altı adet daha Ticari Hızlı Üreten Reaktör (CFBR) takip edecekti. Gen-IV SFR[8] oksit yakıtlı hızlı üretici ve metal yakıtlı entegre hızlı reaktör üzerine inşa edilen bir projedir. Hedefleri, uranyum kullanım verimliliğini transuranik izotopları ortadan kaldırarak plütonyum üretmek suretiyle artırmaktır. Reaktör herhangi bir transuranik izotopun (bazı durumlarda yakıt olarak) tüketilmesine izin düzeneğini oluşturan kaplamalı elemanlar arasındaki boşluğu doldurur. Tasarım zorluklarından biri, su ile temas ettiğinde patlayıcı bir şekilde reaksiyona giren sodyum ile ilgili risklerdir. Soğutucu olarak su yerine sıvı metal kullanılması, riski azaltır ve sistemin atmosferik basınçta çalışmasını sağlar.