Integral Fast Reactors

thumbnail.default.placeholder
Tarih
1995-01-30
Yazarlar
Külçe, Necdet
Süreli Yayın başlığı
Süreli Yayın ISSN
Cilt Başlığı
Yayınevi
Energy Institute
Enerji Enstitüsü
Özet
The world energy demand in the future will not be under the present level, because much longer population with energy consumption less than world average. It seems impossible to solve the lack of energy problem without nuclear energy and an environmental side effect. In the 21st century, an opportunity will be for nuclear power to solve the world electric energy source problem. The rate of improvement in power reactor technology is rising which indicates that rapid technology advances will continue to be made in existing reactors designed for near future. Most of the reactors will be based on the large amount of performance experience from existing reactors. The researchers declare that new technologies should be adopted to new plants. In addition, this is the way of improving the safety of the future nuclear power plants. Because, the current nuclear technologies are not able to meet this challenge. This is the result of shortcomings in the technology that the next generation nuclear power technology must overcome. The presence of fertile materials in the core causes to create new fissionable materials. So, new fuel is created converting the fertile nuclei to fissile nuclei through neutron capture and radioactive decay. This means that it is possible to produce more Pu-239 than is burned, which is called to "breed" new fuel. The idea behind breeder idea is this fact. Metallic fuel is the key to the IFR concept. Metallic fuel has an excellent steady state performance and high burn-up potential characteristics. Metallic fuel has a much higher breeding ratio than oxide or carbide fuels. The easy fabrication of metallic fuels combined with simple, compact pyrometallurgical reprocessing promises a major cost reduction in the LMR reactor fuel cycle. The IFR idea has a number of specific technical advantages satisfying the design goals of advanced LMRs. These areas are fuel performance, inherent passive safety, economics, waste management, operability and reliability, as a system for actinide recycles program. In the actinide recycle system, the longer lived transuranic (TRU) isotopes are converted to shorter lived products by means of transmutation and fission. The basic system of this process is pyroprocess. Recently, the IFR research program is getting nearer to completion and is in the early stages of developing LWR actinide recovery for recycle in the ALMR. The core reactivity shutdown and decay heat removal without relying on devices requiring switches and outside sources of power are the main purpose of the inherent safety feature. The IFR technology development effort provides opportunities for active participation by the academic studies. First, the IFR is a next generation advanced reactor concept. Now is the right time to pursue fundamental research and development to advance its technology base. The IFR incorporates many new technologies that are different from conventional nuclear technologies; metallic fuel, reprocessing basedj^eai electrorefining, new waste forms etc.,. New emerging technologies aip&V#MfHeş innovations in the reactor design and the fuel cycle closure can be used.
Dünyada enerji arz talep dengesinin sağlanmasında oldukça fazla çaba harcanmış ve bu çabaların sonucunda geliştirilmiş nükleer reaktör tasarımlarının önemi ortaya çıkmıştır. Dünya enerji talebinin gelecekte günümüzden daha aşağı bir seviyede olmayacağı bilinmektedir. Bu durumun da ciddi çevre sorunları veya nükleer enerji olmadan çözülemeyeceği ortadadır. 1979'da Three Mile Island (TMT) kazasından sonra durgunlaşan nükleer enerji endüstrisi 1986'da Chernobyl kazasından sonra daha büyük bir bunalım içine girdi. Ancak bu bunalımın,tek nedeni kazalar değil aynı zamanda alışılagelmiş reaktör tasarımlarının getirdiği bazı sorunlardır. Özellikle de son yıllarda etkisini gösteren ve fosil yakıtların kullanımı ile oluşan çevre kirlenmesi, asit yağmurları, ve sera etkisi nedeniyle nükleer enerjinin yeniden gündeme gelme firsau ortaya çıkmıştır. O halde geliştirilmiş nükleer reaktör tasarımlan üzerinde çalışmanın tam zamanıdır. Fakat ileri nükleer ' reaktör tasarımları için teknolojik yetersizlikler yenilmelidir. Böylece, konuyla ilgili çalışmalar bilimsel ve teknolojik ilerlemelere yol açacaktır. Ayrıca hafif ve ağır sulu güç reaktörleri üzerinde yapılan denemeler de ileri reaktör tasannu konusuna ışık tutacaktır. Bütün bu olaylar TMI kazasından sonra oluşan yeni ve daha güvenli reaktör tipleri arayışının önemini göstermektedir. Bu yeni tip reaktörlerin en önemli özellikleri pasif güvenlik sistemleri ile insandan kaynaklanan hataların giderilebilmesidir. Aynca düşük güç yoğunluğu ve düşük güçte modüler sistemlerin tasarımı yeni güvenlik anlayışının ürünleridir. Elektrik üretimi dışmda bölgesel ısıtma sistemleri ve proses ısısı üretimi içinde gerçekleştirilen reaktör tasarımlan vardır. Nükleer teknolojiye sahip ülkelerde oluşan ileri reaktör tasarımı arayışı pek çok yeni tasarımların ortaya çıkmasına yol açmıştır. ABD nükleer teknolojisini hafif sulu sistemlere bağladığı için yeni tasarımlan da eski tip reaktörlerde bazı değişiklikler yaparak gerçekleştirmiştir. Bunlara örnek Westinghouse tasannu basınçlı su reaktörü AP-600 ve General Electrics tasannu kaynar su reaktörü SBWR verilebilir. Bunlar dışında General Atomics tasannu modüler tipte gaz soğutmalı MHTGR dikkati çeken bir tasarımdır. Aynca sıvı metal soğutmalı hızlı reaktör tasarımlan da -bulunmaktadır. Japonya' da da benzer çalışmalar vardır. Avrupa'da ise su havuzuna yerleştirilen kora sahip hafif su soğutmalı PIUS olağandışı yapısal güvenlikli bir tasarımdır. Japon tasannu ISER de PlUS'a benzer bir öneridir. Alman HTR firması ise yüksek sıcaklıklı gaz soğutmalı bir sistem geüştirilmiştir. Bütün bu tasarımlarda yeni güvenlik, anlawis t etkin olarak kullanılmaktadır. Tasarım olarak hafif su soğutmalı ileri reaktöfler&lfeki,7 4"" i s1" >? teknolojiyi değişik biçimlerde kullanmayı önerirken yüksek sıcaklık gaz soğutmalı reaktörler ile sıvı metal soğutmalı hızlı reaktörler yeni teknoloji sunmaktadır. Genel olarak ileri reaktör tasarımları incelendiğinde görülen önemli değişiklikler vardır. Bu yeni kuşak reaktörler pasif güvenlik sistemleri ile donatılmışlardır. Bunu gerçekleştirmek için doğal taşınım sağlanmaktadır. Böylelikle korun soğutulması basit fiziksel ilkeler ile reaktörde dolaşan soğutucu ile gerçekleştirilmektedir. Operatör müdehalesi, elektrikli ve mekanik sistemlere gerek kalmadan reaktör çalışmasını sürdürebilmektedir. Bu da pompa ve benzeri sistemleri gereksiz kılmaktadır. Sonuç olarak reaktör kendinden güvenli olarak çalışmaktadır. Doğal taşınımla soğutma, reaktör çalışırken olduğu kadar kapanma sonrası bozunma ısısını giderecek etkinliğe sahip olmaktadır. Reaktördeki toplam su miktarı arttığından herhangi bir kaza durumunda müdehale süresi artmaktadır. Bu tip reaktörlerin pasif koruma ve güvenlik sistemleri özetlenecek olursa: ı. Yüksek ısıl kapasite : Nükleer reaktörlerin yüksek güç yoğunluğu ve düşük ısıl kapasiteleri bu reaktörlerdeki normal çalışma koşullarından bir sapma durumunda sıcaklık dolayısıyla basınçta büyük değişimlere neden olur. Reaktörün birincil sisteminin ısıl kapasitesinin arttırılması ile bu değişimlerin daha yavaş gerçekleşmesi sağlanabilir. Yani, hem reaktör operatörlerinin hem de reaktör kontrol sisternlerinin müdehalesi için gereken zaman daha da uzatılmış olur. Ayrıca birincil devredeki yüksek ısıl kapasite birincil devreyi nükleer güç santralinin diğer kısımlanndaki değişimlerinden korur; böylece reaktörün güvenliğine olumsuz yönde etki yapabilecek sistemlerin sayısı azalmış olur. Doğal taşınım: Reaktörler kapandıktan sonra güçleri ile orantılı olarak bir bozunma ısısına sahiptirler. Bu ısıyı almak için bazı aktif sistemler kullanılır. Reaktör gücü ne kadar düşük ve boyutu ne kadar küçük olursa doğal taşınım ile soğutulması o kadar kolay olur. Güçlü negatif reaktivite katsayısı: Reaktörler için tanımlanan reaktivite katsayısı, sıcaklık değişimlerinde reaktivitenin nasıl değiştiğini belirten bir sayıdır. Reaktivite katsayısının güçlü negatif olması, sıcaklık arttığında reaktivitenin hızla düştüğünü gösterir. Böyle bir durumda reaktör kendini güvenli bir şekilde kapatır. Düşük güç yoğunluğu: Reaktörün güç yoğunluğu, birim hacimden alman güç demektir. Bir reaktörde bu yoğunluk ne kadar düşük olursa, olası bir kaza durumunda reaktörün yaratabileceği zarar o ölçüde azalır. Buna eki olarak, böyle bir kaza durumunda aktif sistemler devre dışı kalsa bile, reaktörün soğutulması daha kolay olur. Herhangi bir kaza durumunda radyoaktif maddelerin çevreye yayılması olaftglnTdaha ->^ aza indirmek için önlemler alınmaktadır. Reaktör koruma kabı kor e»&& /kazası \ VI sonucu basıncın artması durumunda da bozulmadan kalabilecek şekilde tasarımlanmakta ve böylece radyoaktif malzemelerin dışarıya sızmaları engellenmektedir. Yeni tasarımlarda kordaki güç yoğunluğu düşürülmektedir. Bu da reaktör kontrolünü kolaylaştırmakta ve reaktörün güvenlik sınırlarının genişlemesine yol açmaktadır. Reaktör kontrolü de bilgisayarlar yardımı ile yapılıp insan etkeni en alt düzeye indirilmektedir. Ancak böyle amaçlanana ulaşılabilir; "Nükleer güç santralleri sadece güvenli değil, çok çok fazla güvenli olmalıdır." Günümüz teknolojisiyfe üretilen nükleer santraller bu amaca ulaşamayacağına göre, yeni tasarımlar üzerinde çalışma zorunluluğu yeniden ortaya çıkmaktadır. İleri reaktör tasarımlan genellikle düşük güçlü reaktörler için yapılmıştır. Dünyanın çeşitli ülkelerinde yaygın olarak kullanılan 3000 MWt güçteki reaktörler yerine daha düşük güçte (500-600 MWe düzeylerinde) orta boy nükleer reaktör sistemleri önerilmektedir. Bunun nedeni işletim ve bakım kolaylığıdır. Ayrıca daha kısa sürede bitirilip devreye sokulabilmektedir. Herhangi bir nedenle devre dışı kaldığında etkisinin daha az olması da olumlu bir yön olarak gösterilebilir. Düşük güçteki reaktörlerin en büyük olumsuz yönü birim güç basma ilk yatırım maliyetlerinin fazla olmasıdır. Bütün bu tasarım değişiklikleri hem yapım sürecini kısaltacak ham de üsanslama sırasında çıkacak sorunları azaltacaktır. Böylelikle bazı ülkelerde toplam yapım sürecinin 4-5 yıl düzeylerine inmesi beklenmektedir. İleri reaktör tasarımlan toplam enerji üretim maliyetini düşürmek için daha etken yakıt çevrimleri önermektedirler. Normal olarak termal reaktörlerde üretilen plütonyumun en etkin olarak kullanımı hızlı üretken reaktörlerde olacaktır. Bu reaktörlerin hızlı üretken reaktör olarak tanımlanmasımn nedeni nötron enerji spektrumunun çok gruplu olması yüzündendir. Eşik enerjilerinin üstündeki değerlerde üretken nüklidler fîzyona uğrar böylece hızlan yavaşlamadan önce fîzyon yapmış olurlar. Korda üretken malzemelerin bulunması çoğaltma katsayısını azaltmasına rağmen fîzyon yapabilen malzemelerin oluşmasına yol açar. Böylece nötron yakalanması ve radyoaktif bozunumla üretken nüklitten fizyon yapabilen nüklit oluşur. Bu da yajalan;.,,. Pu-239 dan daha fazla Pu-239 üretilmesi demek olur, diğer bir deyiş|e^^aklBr. "üretken" sıfatım kazanır. vn t%% '-.'?'?..'....?:,*$ ". ".a it? i- W İleri sıvı metal-soğutmalı hızlı üretken reaktörler yapısal güvenli olarak adlandırılır. Modüler yapıya sahip reaktörlerin bir kaçı bir araya gelerek bir güç bloğu oluşturuyor. Bu blokların her birinin ayrı bir türbine bağlı olarak çalışması isteniyor. Böylece, her bir blok birbirinden bağımsız olarak çalışabilecek hale geliyor. Blok içerisinde her bir reaktör diğerlerinden ayrı olarak işletilebilecek ve kapatılabilecek şekilde yer alıyor. Hızlı üretken reaktörlerde soğutucu olarak sodyum kullanılıyor. Soğutucunun ısı aktarım özelliklerinin iyi olması pompalar devre dışı kalsa bile doğal taşınım ile reaktör korunun yeterince soğutulmasını sağlıyor. Sodyumun normal şartlarda tek fazda çalışması diğer önemli bir özelliğidir. Bu reaktörlerde metalik yakıtlar kullanılmaktadır. Bu yakıtlar sayesinde kor içerisindeki maksimum sıcaklık düşürülüyor. Reaktörün herhangi bir kaza anındaki davranışı oksit yakıt elemanı kullanımına göre daha güvenli olmaktadır. Metalik yakıt elemanları ve paslanmaz çelik zarf malzemelerinin kullanımı sonucunda oldukça yüksek yanma oranlan elde etmek olanağı olmuştur. Yakıtın basitliği sebebiyle, reaktör yakınında kurulabilecek bir "yeniden işleme" tesisinin maliyeti diğerlerine oranla daha düşük olacağı tahmin edilmektedir. Yeniden işleme tesisinde kullanılan işlem pyrometallurjik metottur. Bu metotta fizyon ürünü ayrılması diğer sulu yöntemlere göre 10 kat fazladır. Yakıt yeniden işleme tesisi kapalı döngü şeklinde çalışıp yeniden işleme kayıpları da reaktörün üretken olma özelliğinden dolayı dengelenmektedir. Metalik yakıt elemanlı havuz tipli sodyum soğutmak bir deneysel reaktör olan EBR-IP de bu tip reaktörlerin yapısal güvenliği deneysel olarak kamtlanmışur. Bu reaktörlerde Nisan 1986'da yapılan soğutma kaybı (Loss of Heat Sink) ve akış kaybı (Loss of Flow) kazalarından reaktörün hiç bir kontrol sistemine gerek duymadan güvenli bir duruma geldiği görülmüştür. Normal olarak en şiddetli reaktör kazalarından sayılan bu iki kazanın bu tip bir reaktörde reaktörün güvenliğini tehdit etmemesinin deneysel olarak kanıtlanması oldukça önemli bir gelişmedir. Üstünde çalışılması gereken ve bilinen reaktör kazaları senaryoları da özetlenecek olursa;. ATWS, anticipated transient without scram, scram olmadan istenmeyen geçiş. LOFWS, loss of flow without scram, scram olmadan akış kaybı., LOHSWS, loss of heat sink without scram, scram olmadan akış kaybı. TOWS, rod run out transient overpower without scram, scram olmadan fazla yüklenme. Fazla soğutma kazaları: hızlı pompa ve giriş sıcaklığı düşüklüğü. Deneysel üretken reaktörde (EBR-H) yapılan bazı test sonuçlarında: vm . Doğal taşınım, herhangi bir sebeple oluşabilecek bir kaza durumunda doğal taşınım ile güvenli bir şekilde soğutmak mümküm olacağı.. Soğutucu kaybı kazası, soğutucu pompaların durmasıyla oluşabilecek böyle bir kaza durumunda kor içindeki sıcaklıklar belirlenen limitlerin altında kalacağı.. ikincil devrenin işletim dışı kalması, A) Sodyum çıkış sıcaklıkları çok çabuk normal işletim sıcaklıklarının allına inebileceği. B) Geçiş sıcaklıklarının ihmal edilebilir düzeyde olduğu. C) önceden hesaplanan sıcaklıklar ile ölçülen sıcaklıklar arasında tam bir uyum olduğu görülmüştür. Hızlı üretken reaktörler ile yakıt sorunu daha da azaltılabileceği belirtilmektedir.Bir örnek te kullanılmış yakıtların yeniden işlenerek aktinitlerin elde edilmesidir. Bu da uzun ömürlü transuranik izotopların transmutasyon ve fizyon yolu ile kısa ömürlü ürünlere dönüştürülmesidir. Transuranik izotoplarının transmutasyon sebebi, bunların kullanılmış yakıtlardan elde edilip sıvı metal reaktörü yakıt olarak yeniden işlenmesidir. Sulu yöntem ve pyroproses prosesleri yeniden işleme ana metodlandır. Pyroprosesin önemli bir avantajı da Pu'nun diğer sulu yöntemlerde olduğu gibi transuranik izotoplardan ayrılmamasıdır. Bu da bomba yapılmasını önleme açısından önemli bir noktadır. Ayrıca atıkların saklanması açısından çok büyük yatırımlar yapılmasını engellemektedir. Günümüzde hızlı reaktör programı bu aktinid geri kazanım sisteminin en önemli araçlarından biri olmak üzere gelişimin tamamlamak üzeredir. Hızlı reaktör sistemini ve bileşenlerinin güvenilirliği, işletme kolaylığı ile çok önemli olanaklar sağlamaktadır. Tesis genel kapasitesi de bakım gereMerinin azaltılmasıyla arttırılmıştır. Çünkü soğutucu olarak kullanılan sodyumun korrozif özelliği yoktur. Hızlı reaktör teknolojisindeki gelişmeler akademik çalışmaların, katılımı açısından oldukça önemli firsatlar sağlamaktadır. Her şeyden önce, hızlı reaktör teknolojisi ileri reaktör teknolojisidir. Bu yüzden de hızlı reaktör teknolojisi için çalışmanın tam zamanıdır. Hızlı reaktör teknolojisi yeni ve gelişmekte olan teknikleri gerektirmektedir; metallik yakıtlar, elektrorefining' e dayalı yeniden işleme teknikleri, yeni atik çeşitleridir. Bu yüzden de hızlı reaktör teknolojisinin önemli noktalarından biri de akademik çalışmalar için çekici bir konu olmasıdır.
Açıklama
Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Energy Institute, Yüksek Lisans
Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Enerji Enstitüsü, Yüksek Lisans
Anahtar kelimeler
Nuclear energy, Nuclear reactors, Nükleer enerji, Nükleer reaktörler
Alıntı