Nükleer Reaktör Nedir

Merhaba arkadaşlar bugün sizlere nükleer reaktör nedir ve kurulan ilk nükleer reaktör ün çalışma prensibini anlatacağım. ²³⁵U çekirdeği fisyona uğradığında, olay başına ortalama olarak yaklaşık 2,5 nötron yayınladığını görmüştük. Bu nötronlar, diğer nük­leonları fisyona maruz bırakmak için tetikleyebilir (Şekil 45.3). Hesaplamalar, zincirleme reaksiyonun, kontrol edilmemesi durumunda (yani reaksiyon yavaşça gerçekleşmezse), çok büyük enerji yayımı ile birlikte, şiddetli patlamala­ra neden olabileceğini göstermiştir. Bu 1945 de kontrolsüz fisyon reaksiyonu ile patlatılan ilk nükleer bomba tipinin arkasındaki prensiptir. Ancak reaksi­yon kontrol edildiğinde, açığa çıkan enerji uygun bir şekilde kullanılabilir. Örneğin Amerika Birleşik Devletlerinde kullanılan elektriğin %20 si nükleer enerji santrallerinden elde edilmekte ve Fransa, Japonya, Almanya gibi diğer birçok ülke nükleer enerjiyi büyük oranlarda kullanmaktadırlar.

Bir nükleer reaktör, kendi kendine yeten zincirleme reaksiyon olarak bi­linen reaksiyonu devam ettirmek için düzenlenmiş bir sistemdir. Bu önemli olay, ilk defa 1942’de Şikago Üniversitesinde Fermi tarafından doğal uranyum ile gerçekleştirilmiştir. Bugün çalışır durumdaki pek çok reaktör de uranyu­mu yakıt olarak kullanır. Doğal uranyum, sadece ²³⁸U izotopunun % 99,3’ünü ve ²³⁵U izotopunun %0,7’sini içerir. Bu bir reaktörün çalışmasında önemlidir. Çünkü ²³⁸U izotopu hemen hemen hiç fisyon yapmaz. Bunun yerine, neptünyum ile plutonyum üretmek üzere nötronları soğurmaya eğilimlidir. Bu ne­denle, reaktör yakıtları, ²³⁵U izotopunun yüzde birkaçını içermesi için suni olarak zenginleştirilmek zorundadır.

Kendi kendine devam eden bir zincir reaksiyonu gerçekleştirmek için, or­talama olarak ²³⁵U fisyonundan atılan nötronlardan birisinin diğer ²³⁵U çekir­deği tarafından yakalanması ve onun fisyona uğramasına sebep olması gere­kir. Reaktör işleyişinin seviyesini belirten yararlı bir parametre, tekrar üretme sabiti K dır. Bu sabit, başka bir olaya sebep olacak her bir fisyon olayında or­taya çıkan ortalama nötron sayısı olarak tanımlanır. Gördüğümüz gibi K, uranyumun bölünmesinde maximum 2,5 değerine sahip olabilir. Bununla birlikte, pratikte K biraz sonra tartışacağımız değişik faktörlerden dolayı bu değerden küçüktür.

Kendi kendine devam eden bir zincirleme reaksiyon K = 1 olduğunda gerçekleştirilir. Bu şart altında reaktörün kritik olduğu söylenir. K < 1 ise reaktör kritik altıdır ve reaksiyon durur. K>1 ise reaktörün kritik değerin üstün­de olduğu söylenir ve reaksiyon hızlıdır (kaçaktır). Bir kamu şirketi için güç sağlamada kullanılan bir nükleer reaktörde, K nın 1 den az yüksek bir değer­de tutulması gerekir.

Herhangi bir reaktörde, fisyonda üretilen nötronların bir kısmı diğer fisyon olaylarını başlatmadan önce özden dışarıya sızarlar. Sızma miktarı çok bü­yük ise reaktör işlemeyecektir. Reaktör küçük ise kayıp yüzdesi büyüktür. Çün­kü sızma, yüzey alanının hacime oranının bir fonksiyonudur. Dolayısıyla, re­aktör dizaynının kritik bir özelliği, yüzey alanının hacme oranından, doğru olanı seçmektir.

Fisyon olaylarında açığa çıkan nötronlar çok yüksek enerjilerdedir, kine­tik enerjileri yaklaşık 2 MeV dir. Bu nötronları, diğer ²³⁵U çekirdekleri tarafın­dan yakalanabilmeleri için termal enerjilere yavaşlatılmaları gereklidir. Çünkü nötronun yakalanma olasılığı enerjinin azalmasıyla art­maktadır. Nötronları yavaşlatma işlemi, yakıtı, yavaşlatıcı bir madde ile kuşata­rak gerçekleştirilir.

Kurulan İlk Nükleer Reaktör ün Çalışma Prensibi

Şekil 45.3 Dünya’nın ilk reaktörünün görünüşü. Savaş zamanındaki gizlilikten dolayı reak­törün tamamının fotoğrafı yoktur. Reaktör uranyum serpiştirilmiş grafit katmanlarından oluş­muştur. Kendiliğinden bir zincir reaksiyon ilk olarak 2 Kasım 1942 de gerçekleştirildi. Başarı, te­lefonla şu mesaj verilerek hemen Washington’a bildirildi: “İtalyan denizci Yeni Dünya’da karaya çıktı ve oradaki halkı oldukça yakın buldu.” Tarihi olay, Şikago Üniversitesinin içindeki batı standının altında bulunan raket avlusundaki uydurma bir laboratuvarda gerçekleştirildi. İtalyan denizci Fermi’yi temsil ediyordu. (Courtesy of Chicago Historical Society)

Kurulan ilk nükleer reaktör de, Fermi yakıt elemanları arasına grafit (karbon) tuğlaları yerleştirdi. Karbon çekirdekleri, nötronlardan kütlece 12 kat daha fazladır, fakat karbon çekirdekleriyle oluşan pek çok çarpışma­dan sonra, nötron, ²³⁵U ile fisyon yapma olasılığını arttırmak için yeterince ya­vaşlatılır. Bu tasarımda, karbon yavaşlatıcıdır; Pek çok modern reaktör, moderatör (yavaşlatıcı) olarak su kullanırlar.

Yavaşlatma işleminde, nötronlar fisyona uğramayan çekirdekler tarafın­dan da yakalanabilirler. Bu tip en yaygın olay, ²³⁸U çekirdeği tarafından nöt­ron yakalamadır. ²³⁸U çekirdeği tarafından nötron yakalama olasılığı nötron­lar yüksek kinetik enerjiye sahip olduklarında çok yüksek, düşük kinetik ener­jiye sahip olduklarında çok düşüktür. Böylece nötronların moderatör tarafın­dan yavaşlatılması, ²³⁵U çekirdeği ile reaksiyona hazır hale getirmek ve çekirdeği tarafından yakalanma şanslarını azaltmak gibi, iki amaca hizmet eder.