ARAŞTIRMA REAKTÖRLERİ:

 

Araştırma reaktörleri nükleer enerjinin gelişmesine 50 yılı aşkın süredir çok önemli katkı yapmaktadır.  Başlıca malzeme bilimi, tıp ve endüstri için radyoizotop üretimi, araştırma ve eğitim için kullanılmıştır.  2004 yılı itibarıyla dünyada çalışan, kapatılmış ya da kurulması planlanan toplam 672 araştırma reaktörü vardır. Bunlardan 56 ülkede bulunan 274 tanesi çalışır durumdadır. (85 tanesi 39 gelişmekte olan ülkededir.) 214 tanesi kapatılmış. 168 tanesi sökülmüş(decommissioned) ve 16 tanesi kurulması planlanmakta ya da kurulmakta.

 

Kapatılmış fakat henüz sökülmemiş reaktörlerin içinde hem taze hem yanmış yakıt bulunur. 

Yeni araştırma reaktörlerinin sayısı giderek azalırken kapatılanların sayısı giderek artmaktadır. Bu gidişat nükleer alanın yepyeni bir teknolojiden kendini kabul ettirmiş bir teknolojiye doğru evrimini gösterir. Bu yeni araştırma reaktörlerinin gereksiz olduğu anlamına gelmemektedir. 8 tane kurulmakta olan ve 8 tane de planlanan reaktör vardır. Bunlar yenilikçi, çok amaçlı ve yüksek nötron akısı için tasarlanan reaktörlerdir. Bunlar nükleer araştırma ve geliştirme ihtiyacını karşılayacak, dış ülkelerden bilim adamlarını kabul edecek ve bölgesel olarak radyoizotop ihtiyacını karşılayacaktır. 

 

Çalışmakta olan reaktörlerin yaşı en çok 40 civarındadır. Çalışan reaktörlerin %65’i 30 yılın üzerinde bir yaşa sahiptir. Bu yaşlı reaktörlerin çok azı için güvenlik sorunu olsa da bunların anahtar parçalarının modern güvenlik ve teknoloji standartlarını karşılaması için yeniden en az bir kez gözden geçirilmesi gerekir. BU reaktörlerin %77 sinin gücü 5 MW’dan küçüktür ve bu nedenle en kötü kaza senaryosunda dahi tesis dışına ciddi etkileri olmayacaktır.  Çalışan araştırma reaktörlerinin yarısı 100 kW’ın altında güç üretir ve bunun sonucu olarak reaktörler tamamen kapatılana kadar atık yakıt sorunu olmayacak, yakıtlar kalp ömrü sonuna kadar yanabilecektir.

 

Dünyadaki eğilim bu kadar çok sayıda ki reaktörün araştırma ve eğitim, teknoloji gelişimi için gerekli olmadığı yönünde. Popüler reaktörler bazı özel yetenekleri olan ( yüksek nötron akısı, soğuk kaynak, güç reaktörü koşullarının simülasyonu için kalp içi döngü yapabilecek olanlar) ya da ticari amaçlı olan( radyoizotop üretimi ya da silikon katma(doping)) reaktörlerdir.

 

Yeni reaktörler geçmişe göre daha az sayıda kurulacak ve çok amaçlı ya da özel ihtiyaçlar için olacaktır. Almanya da yüksek akılı bir reaktör işletmeye alınmakta, Avustralya da çok amaçlı bir reaktör kurulmakta ve Kanada da ticari olarak özel amaçlarla Mo-99 üretmek için 2 reaktör işletmeye alınmaktadır.

 

Yeni kurulacak reaktörlerin gücü, tipi ve amacı birbirinden oldukça farklıdır. Örneğin, 30 kW’lık minyatür reaktörün (Miniature Neutron Source Reactor (MNSR))  amacı eğitim, araştırma ve nötron aktivasyon analizidir. Nötron aktivasyon analizi ulusal ihtiyaçları karşılamak için, mineral ve maden yataklarının, kirliğin ve toprak kalitesinin değerlendirilmesi amacıyla yapılacaktır. 2-3 tesis çok amaçlı 1-2 MW’lık TRIGA tipi reaktör olacaktır. Bunlar eğitim, araştırma, sınırlı izotop üretimi, nötron radyografi ve nötron ışınına dayalı malzeme araştırması yapacaktır. Ayrıca silikon katma(doping) ve boron nötron yakalama terapisi için kullanılabilecektir.

 

10-100 MW gücünde sıkı kalp reaktörleri döteryum dioksit yansıtıcılı olarak planlanmaktadır. Bunların ana amacı son teknoloji ürünü malzemelerin testi için yüksek akı demetleri sağlamaktır. Bunlar ayrıca önemli ölçüde izotop üretimi de yapacaklardır. 4-5 yeni reaktör tek bir amaca yöneliktir. Bunlar izotop üretimi, malzeme testi, güç reaktörleri için parça testi, ve deniz suyundan tatlı su üretimidir. Son olarak 1-2 reaktör,  ileri güç reaktör tasarımlarının prototipi olacaktır.

 

Şu an çalışmakta olan araştırma reaktörleri başarıyla güç reaktör koşullarının simülasyonu için test döngüsü, nötron aktivasyon analizi,  değerli malzeme renklendirmesi, silikon katma, izotop üretme vb. amaçlarla çalışmaktadır.  Aynı zamanda bu tesisler nükleer araştırma ve geliştirme için gerekli mühendislerin ve bilim adamlarının eğitimi için de çok önemlidir. Araştırma reaktörlerinde yapılan uygulamalar aşağıda belirtilmiştir.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

TRIGA REAKTÖRLERİ:

 

TRIGA reaktörleri akademik enstitülerin, sanayi merkezlerinin, tıp ve araştırma laboratuarlarının ihtiyacını karşılamak için tasarlanmıştır. Temel fizik ve kimya, tıp, tarım, metalurji, mühendislik ve uzay bilimlerinde araştırma için yeterli güç ve nötron akısı sağlarlar. 

 

TRIGA Mark I, Mark II ve Mark III modelleri ışınlamalar, fiziksel ölçümler ve nötron demeti üretimi için seçenekler sunar. Bunlar döner yüksek kapasiteli lazy susan adlı sistem, pnömatik tavşan sistemi, merkezi ışınlama kanalıdır.  Ayrıca kalp yakınlarına deney düzeneği daldırılarak büyük bir akı ile ışınlama yapılabilir. Bu reaktörler 2000kW’a kadar normal (steady-state) güç seviyesinde çalışabilecekleri gibi darbeli çalışma ile 2000MW’a kadar bir güç ve ’e kadar nötron akısı elde edilebilir.

 

TRIGA reaktörlerinin çalışması, tasarımı ve bakımı basittir. En az sayıda kontrol çubuğu ve elektromekanik cihaza ihtiyaç duyar. Özel bir koruma binasına (containment) ihtiyaç duymaz.  Kalbin üzerinde ki zırhlayıcı su ve ışınlama sistemleri güvenli biçimde numunelerin reaktör güçte iken sokulup alınmasını sağlar.

 

Kalbin küçük ve yakıt içeriğinin az olması, bina ihtiyacının minimum olması, basit tasarımı, bakım ve kurulum masraflarının az olması bu reaktörleri ekonomik yapar. Ayrıca kritik kütlenin küçük olması verilen güç seviyesi için nispeten yüksek nötron akısı sağlar.

 

General Atomic şirketinin keşfettiği uranyum-zirkonyum-hidrid karışımı yakıt elemanları, reaktör kalbine büyük bir ani negatif sıcaklık katsayısı sağlayarak bu reaktörlerin kendiliğinden güvenli olmasını sağlar. Bu nedenle mevcut reaktivitenin tamamı aniden verilerek güce çıkılsa da reaktör hemen normal çalışma seviyelerine döner. Tersine gecikmiş negatif sıcaklık katsayısı sadece az miktarlarda verilen reaktivite için güvenlik sağlar.

 

GÜVENLİK: TRIGA  reaktörleri Gulf Energy and Environmental Systems şirketi tarafından araştırma ve eğitim, izotop üretimi amacı ile insan ya da mekanik hata olması fark etmeksizin bir sorunda nükleer kazayı kendi iç özellikleri ile önleyecek şekilde tasarlanıp geliştirilmiştir.

 

Bütün nükleer reaktörler güç seviyesi gereğinden yüksek değerlere çıktığında reaktörü kapatacak mekanizmalara dayalı çalışır. Örneğin güvenlik devreleri bir detektörün aldığı radyasyon seviyesini elektronik olarak analiz edecek şekilde yerleştirilir. Radyasyon seviyesi ya da radyasyonun artış hızı ayarlanan değerleri aşarsa bu devreler kontrol çubuklarını aniden bırakarak reaktörü kapatır. TRIGA dahil bütün rektörler bu devreleri içerir. Diğer reaktörler bu güvenlik devrelerinin yanı sıra kendi kalplerinin fiziksel bir özelliği olarak “negatif sıcaklık katsayısına” sahiptir. Bunun anlamı, reaktör ani güç artışı ile ısınınca zincir reaksiyonun yavaşlamasıdır. Birçok reaktörde negatif sıcaklık katsayısı gecikmiştir ve sadece reaktör gücünde ki oldukça küçük artışlara karşı bir güvenlik sağlar.

 

Gulf E&ES’in tasarlayıp geliştirdiği TRIGA ya özgü yakıt-yavaşlatıcı elemanlar kendi iç özellikleri ile elektronik bir devreye ya da gecikmiş sıcaklık katsayısına gerek kalmadan reaktör gücünü sınırlar ya da reaktörü kapatır. Bu TRIGA yakıtı, uranyum ve zirkonyum-hidrid yavaşlatıcının  (UZrH) katı homojen alaşımından oluşur. Bu yakıt reaktöre büyük miktarda ani negatif sıcaklık katsayısı sağlar.

 

TRIGA’nın bu özelliğini göstermek için prototip TRIGA reaktörleri üzerinde binlerce deney yapıldı. Bu deneylerde reaktör gücü 6400 MW lara kadar darbe ile çıkartıldı. Fakat milisaniyeler içinde reaktör gücü kontrol çubukları indirilmeden normal çalışma seviyelerine düştü. Bütün kontrol çubukları çekili halde iken ve bu gücün 3 katına çıkıldığında reaktör işletme personeli reaktörün üstünde güvenli bir şekilde çalışabildi.

 

TRIGA’nın güvenlik özellikleri nedeniyle nüfusun kalabalık olduğu yerlerde kurulmasında sakınca yoktur. 1958 Cenova Konferansında Amerika Birleşik Devletleri hükümeti TRIGA reaktörlerini kurulması ve işletilmesi için seçti.

 

TRIGA ANİ SICAKLIK KATSAYISI: U-ZrH yakıt-yavaşlatıcılı elemanlar güçlü bir reaktivite ani negatif sıcaklık katsayısına sahiptir. Paslanmaz çelik zırhlı U-ZrH yakıtı için sıcaklık katsayısı dir. Ani katsayıya şunlar katkı sağlar:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Düşük hidrit kalp radyal olarak grafit yansıtıcı ile, yüksek hidrit kalp ise su yansıtıcı ile çevrili olduğu varsayılmıştır. Grafit yansıtıcı ~30% daha az kaçak sağlar.

 

Tablodan görüldüğü gibi sıcaklık katsayısına ana katkı hücre etkisinden gelmektedir. Hücre etkisine ılık nötron etkisi, anti-yavaşlatma etkisi ya da Dyson etkisi gibi adlar verilmektedir. Bu etki zirkonyum-hidrit yavaşlatıcıda ısınmanın nende olduğu termal spektrumda ki değişim ile ifade edilir. Bu etki hidrojen atomu kafes titreşimlerinin (lattice vibrations) karakteristik enerjisi olan bir Einstein modeli varsayımı ile açıklanabilir. Bu tarif hidrojen atomunun kafesin merkezinde yer aldığı zirkonyum atomlarının düzgün dörtyüzlü oluşturduğu teori ile tutarlıdır.  Deneysel olarak gösterilen bu modelin temel sonuçları şunlardır:

hv enerjisinden daha düşük enerjili nötronlar zirkonyum hidrid ile çarpışmalardan enerji kaybetmezler.

Yavaş bir nötron zirkonyum hidrid ile çarpıştığında  kadar bir olasılıkla hv kadar enerji kazanabilir. Bu olasılık sıcaklık arttıkça hızla artar.

 

Büyük TRIGA katsayısının temeli yakıt içindeki hidrojenin büyük ölçüde yavaşlatıcı olarak görev yapması olduğu burdan görülmektedir. Büyük bir kısmı homojen karıştırılmış yavaşlatıcı olan yakıtta fisyon ürünlerinin dağıttığı enerji hemen yavaşlatıcı (H) moleküler ortalama hızında artışa dönüşür. Bu artmış hız çok etkili bir şekilde ortalama termal nötron hızında artışa dönüşür. Sonuç olarak nötron spektrumunda ve fisyon, yutma ve kaçak arasında ki dengede ani kayma görülür. Hidrid sıcaklığında ki bir artış daha üst uyarılmış seviyede bulunan hidrojen atomu oranını arttırır. Bu da yakıttaki bir termal nötronun enerji kazanma olasılığını arttırır. Sonuç olarak nötronun yakıtta yutulma olasılığından çok kaçarak suda yutulma olasılığı artar. 

 

 

Mehmet Mercimek

ITU Enerji Enstitüsü Maslak/İstanbul

Nükleer Reaktörler: