Nükleer santraller, fisyon tarafından salınan enerjiyi kullanır ve elektrik üreten jeneratörler kullanmak için kullanıma sokar. Nükleer enerji ABD'de üretilen elektriğin yalnızca yüzde 20'sine katkıda bulunmasına rağmen, ülkenin nükleer kapasitesi 2010 yılında 101 gigawatt olan başka bir ülkenin en yüksek seviyesi.
Nükleer Enerjinin Ortak Bileşenleri
Nükleer reaktörler bu bileşenlere sahiptir:
Yakıt - Radyoaktif, ağır metal cevheri olan uranyum, nükleer reaktörler için en yaygın yakıttır. Zenginleştirme sürecinin ardından uranyum çok konsantre bir yakıt haline gelir.
Ticari bir nükleer reaktör, çalışmak için binlerce libre zenginleştirilmiş uranyum yakıtı gerektirir. ABD'deki sivil nükleer santraller, yıllık olarak denizaşırı ülkelerden gelen yaklaşık 50 milyon liralık (U3O8 eşdeğeri) yakıt satın alıyor.
Uranyum, başta Kazakistan, Kanada, Avustralya ve Afrika olmak üzere tüm dünyadaki yerlerde mayınlılaştırılmaktadır. ABD, ilk 10 uranyum üreticisi arasında yer alıyor.
Kontrol Çubukları - Kadmiyum, hafniyum veya bor gibi nötron emici bir malzemeden yapılan kontrol çubukları, reaksiyon oranını kontrol etmek veya gerektiğinde durdurmak için çekirdekten çekilir veya çekilir.
Moderatör - Fisyondan salınan nötronları yavaşlatan ve böylelikle daha fazla fizyona neden olan reaktör çekirdeğindeki materyal.
Moderatör genellikle sıradan (hafif) sudır, ancak ağır su (D20) veya grafit olabilir.
Soğutma sıvısı - Çekirdeğin içinden ısı ileten sıvı veya gaz. Hafif su reaktörlerinde, su moderatörü aynı zamanda birincil soğutucu olarak da işlev görür.
Sınırlama - Nükleer reaktörler, radyoaktivitenin atmosfere kaçmasını önlemek için ağır şekilde güçlendirilmiş beton yapılarla kaplanmıştır.
Nükleer Enerjinin Temel Süreci
Nükleer fizik çok teknik, ancak nükleer güç ile elektrik üretmek için temel süreç şu şekildedir:
Reaktör çekirdeği, genellikle atom bölme olarak bilinen fisyon adı verilen bir işlemde ısı ve radyoaktivite üretir. Reaktör çekirdeğinin içinde uranyum nükleer yakıtı bulunur. Uranyumun çekirdeği olarak, nötronları serbest bırakırlar. Nötronlar başka uranyum atomlarına çarptığında, bu çekirdekler de bölünerek nötronlarını diğer atomlara çarparak daha fazla fizyona neden oldu. Bu sürekli atom bölünmesi bir zincir reaksiyonudur.
Kontrollü fisyon reaksiyonlarından gelen ısı, ya su kaynağından, ya doğrudan doğruya kaynayan su reaktöründe (BWR) ya da bir buhar jeneratörü içeren basınçlı su reaktöründe (PWR) olduğu gibi dolaylı olarak buhar üretmek için kullanılır.
Buhar, bir jeneratörü çalıştıran bir türbini tahrik eder.
Jeneratör, elektrik şebekesine dağıtılan elektrik üretir.
Nükleer Reaktör Çeşitleri
Dünya çapında çeşitli tiplerde nükleer güç reaktörleri kullanılmaktadır. Bununla birlikte, en yaygın tipler hafif su reaktörleri olarak sınıflandırılan basınçlı su reaktörleri (PWR) ve kaynar su reaktörleridir (BWR). Amerika Birleşik Devletleri'nde PWR ve BWR, faaliyette olan iki tür ticari nükleer enerji santralidir.
- Kaynar su reaktörü (BWR) - Bu tip bir reaktörde, fisyon reaktör çekirdeğindeki suyu kaynatıp ısı üretir. Kaynar su buharı, elektrik üretmek için bir jeneratörü çalıştıran bir türbini çalıştırır. Kuzeydoğu Japonya'nın Fukushima Naiishi fabrikasındaki reaktörler, Mart 2011 depreminde ve tsunami'de hasar görmüş BWR'lerdir.
- Basınçlı su reaktörü (PWR) - Bu reaktör tipi enerji üretmek için en yaygın olanıdır. Soğutma suyu ve moderatör olarak suyu kullanır, fisyon hızını kontrol etmeye yardımcı olan bir ajan. Kapalı birincil soğutucu sistemde, göbek içinden geçen termal enerjiyle ısınan su, yüksek basınç altında tutulur ve bu nedenle kaynatılmaz. Buhar, ikincil bir soğutma sıvısı döngüsünde üretilir ve bir elektrik jeneratörü tahrik eden bir türbini çalıştırmak için kullanılır.
- CANDU ve ağır su kontrollü reaktörler - Bu tasarımlar, moderatör olarak ağır su kullanır. Ağır su - iki hidrojen atomunu değiştiren döteryumla birlikte - moderatör olarak fisyon prosesinde nötronları yavaşlatır ve bir yakıt olarak zenginleştirilmiş uranyum yerine doğal uranyumun kullanılmasına izin verir.
- Çakıl yatağı modüler reaktör - Fisyon ürününü ve erime direncini sağlamak için grafit ve silisyum karbür küreleri ile helyum soğutucu ve yakıt kullanan yüksek sıcaklıklı bir reaktör.