URANYUM 238 - FÜZYON - FİSYON - NÜKLEER ENERJİ

Doğada bulunan 1000 uranyum çekirdeğinin yaklaşık 7'si U235 ve geri kalanın neredeyse tamamı U238'dir. U235 izotopunun önemli bir özelliği vardır. Hızlı veya yavaş nötronların etkisiyle bölünür. Bu çekirdeklere "bölünebilir" denir ve düşük enerjili ve yüksek enerjili nötronlarla ayrılabilirler. U235 doğada bölünebilen tek izotoptur. Öte yandan U238, bu durumda bile nispeten düşük bir olasılıkla bile yalnızca hızlı nötronlarda bozunur. Bu nedenle, bölünmenin kendisi  değildir. Bununla birlikte, orta enerjili nötronları emdiğinde, bölünebilir bir çekirdeğe, Pu239 izotopuna dönüşür. Bu nedenle, U238 izotopu "verimli" olarak kabul edilir. 

 Herhangi bir çekirdekte, fisyon yaygındır. Sonuç olarak, "fisyon ürünleri" adı verilen iki ara kütle çekirdeği oluşur. Bu arada, gama ışınları da iki veya üç nötronla birlikte neredeyse anında yayılır. Serbest bırakılan enerji miktarı, çekirdekten çekirdeğe ve bir bozunma sürecinden diğerine biraz değişir. U235 için bu değer ortalama  200 MeV civarındadır. Bir karbon atomunun yanması 4 eV saldığından, 1 gram U235 izotopu 2,5 ton saf karbona eşdeğerdir. 

 Serbest kalan enerjinin 168 MeV'si fisyon ürünlerinden, 5 MeV'si nötronlardan gelir. Fisyon sırasında yayılan gama ışınları da 7 MeV'lik bir enerji taşır. Öte yandan, çoğu fisyon ürünü kararsızdır ve daha sonra bozunarak elektronları veya pozitronları, gama ışınlarını ve nötrinoları serbest bırakır. Yayılan enerjinin kalan 27 MeV'si bu gecikmiş ışınlardan kaynaklanmaktadır. 

 

 Fisyon ürünleri çok sayıda nötron içerdiğinden kararsızdır. Parçalanmadan hemen sonra çekirdeğe aktarılan 90 MeV'ye yakın kinetik enerji nedeniyle yaklaşık 10.000 km/sn hızla hareket eder. Kinetik enerjiyi ortamdaki diğer atomlara aktararak ortamın sıcaklığını arttırırlar. Böylece yavaşlar ve 10 mikron kadar küçük bir mesafede durur. Bu arada, kararsızlık nedeniyle ayrılırlar. Bazı fisyon ürünleri de bozunduklarında nötron salmaktadır. 

 Fisyon hareketi sırasında yayılan nötronlar,  20.000 km/s'ye kadar bir başlangıç ​​hızıyla hareket eder. Yüklü olmadıkları için çevredeki çekirdeklerle etkileşimleri nispeten zayıftır. Böylece çevrede uzun mesafeler katedebilirler. Sonunda ya ortamdan sızarlar ya da ortamın çeşitli çekirdekleri tarafından emilirler. Bu nötronlardan biri başka bir  U235 çekirdeği ile çarpışır ve çekirdeği kırarsa, iki veya üç nötron daha yayılır. Bu nötronlardan biri başka bir fisyonu tetiklerse, iki veya üç nötron daha ... böylece bir "fisyon reaksiyonları zinciri" oluşturur. Bir nesildeki nötron sayısının bir önceki nesildeki nötron sayısına oranına "etkili çarpma faktörü" denir. Bu faktör k ve k ile gösterilir. 1'den büyük veya 1'e eşit veya 1'den küçükse, sistemin her biri; Bunlara "süperkritik", "kritik" veya "subkritik" denir. Yani süperkritik sistemlerde nötron sayısı nesilden nesile artarken kritik altı sistemlerde azalır ancak kritik sistemlerde değişmez. 

 Ancak uranyum kütlesinin süper kritik olması, doğru geometri ve malzeme bileşimi seçimine bağlıdır.

  REAKTÖR NEDİR NE İŞE YARAR

 

Örneğin, U235 çekirdeğinin yavaş nötronlarla bölünme olasılığı daha yüksektir. Bu nedenle, ortamınıza "yavaş" bir çekirdek olarak çalışan hafif bir çekirdek eklemeniz gerekir. Öte yandan, uranyum fisyonundan gelen ısı emilmelidir. Bunun için en yaygın soğutma sıvısını kullanabilirsiniz - su. Su ayrıca "yavaş" bir rol oynar. Bununla birlikte, "normal su" ile soğutulan  uranyum kütlesinin kritik hale gelmesi için U235 içeriğinin arttırılması gerekir. Başka bir deyişle, doğal uranyumu zenginleştirmek gerekiyor. Bununla birlikte, döteryum atomları içeren "ağır su" (D2O) bir "soğutucu" olarak kullanılırsa, doğal uranyum kütlesi de önemli hale gelebilir. Bu durumda takviye gerekli değildir. 

 Öte yandan, metalik uranyum  veya bileşikleri, sert veya ağır su ile kimyasal olarak reaksiyona girme eğilimindedir. Bunun olmasını önlemek için, uranyum parçaları sudan ayrı olarak depolanmalıdır (örn. zirkonyum-alüminyum alaşımlı bir kabuk ile kaplanmış). Bununla birlikte, kaplanmış uranyum yığınının metalik formda olması gerekmez. Bunun nedeni, metalik uranyumun sıcaklıktaki değişikliklerle faz değiştirmesidir, bu nedenle hacimdeki önemli bir artış kabuğun yırtılmasına neden olabilir. Bununla birlikte, uranyum  seramik bir formu olan uranyum dioksit (UO2), yapısal olarak çok daha kararlıdır. Bu nedenle yakıt malzemesi olarak uranyum dioksit genellikle metalik formuna tercih edilir. Ek olarak, bu seramik uranyum formu daha yüksek sıcaklıklara dayanabilir.

 Bunu yapmak için, uranyum dioksit preslenir ve bir "yakıt çubuğu" oluşturmak üzere bir zirkonyum alaşımlı boruya yerleştirilen yaklaşık 1 cm çapında ve yükseklikte silindirik kapsüller halinde pişirilir. Yakıt çubukları,  soğutucunun geçmesine izin veren "yakıt demetleri" halinde oluşturulur. Kritik bir reaktörün "kalbi", birbirine bağlı yüzlerce yakıt demetinden oluşur. Soğutma sıvısının kaynamasını istemiyorsanız yüksek basınçta tutulması gerekir. Bu nedenle, reaktör çekirdeği, duvar kalınlığı 1530 cm olan çelikten yapılmış bir "basınç tankına" yerleştirilir ve iki veya daha fazla "soğutma" desteğinden tanka giren soğutucu, aynı sayıda "sıcak" destekten çıkar. . Bu "birincil soğutma sıvısı", ikincil soğutma sıvısını ısıtmak için bir "ısı eşanjörüne" gönderilebilir. Isı eşanjöründen gelen birincil soğutucu, kalbe geri pompalanır ve ikincil soğutucu, buharlaşacağı bir buhar üreticisine gönderilir. Bu buhar, bir termik santral gibi yüksek basınçta türbine gönderilir ve türbin döndükçe türbine bağlı jeneratör dönerek elektrik enerjisi üretir. Türbinden gelen düşük basınçlı buhar, ısı eşanjörüne geri pompalanabilmesi için sıvılaştırılmalıdır. Bu amaçla üçüncü  devrede dolaşan “yoğuşma” yardımıyla soğutulur ve yoğuşturulur, genellikle bir nehir veya denizden alınır ve tekrar geri döndürülür. İlk iki zincir kapalı, üçüncü zincir ise açık. Nehirler veya okyanuslar gibi büyük  su kütlelerinin kenarlarına nükleer enerji santralleri kurma ihtiyacı, bu yoğuşma talebinin yüksek hacmi ile ilişkilidir. Kondensin, emilen su kaynağına geri gönderilmeden önce bir soğutma kulesinden  soğutulması gerekebilir.  Reaktörün çıkışı, nötronları güçlü bir şekilde emen çekirdeklerden yapılmış kontrol çubukları tarafından kontrol edilir. kamış; Kalbe yukarıdan girerler ve normalde operatör tarafından sadece normal güç kontrolü için çalıştırılırlar. Ayrıca, bir elektromıknatıs tarafından tutulduğu için,  bir elektrik kesintisi potansiyeli varsa, kendiliğinden kalbe girerek zincirleme reaksiyonu durdurur.

(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

Reaktör türü, lider fonksiyona göre denir. Örneğin, bölümden gelen  hızlı bir nötron, bir atomun "reaktör" olarak adlandırılır "Yavaş" bir reaktördür. Yavaşlama kullanmayan atomlar "hızlı reaktörler" olarak nitelendirilmez. Normal suyu soğutmak için normal suyu kullanan reaktör, bir gaz kullanıcısı reaktörü, "Hafif Su Reaktörü" (LWR) olarak adlandırılır. (GCR). Su bir buzdolabı olarak kullanılır ve bu su; Kaynar suya karşı yüksek basınç altında sabitlenmiş olan "Damari Su Reaktörü" (PWR) adlı bir tasarım tasarlayabilirsiniz, su pişirmek için kaynar bir sulu reaktör (BWR) olacak şekilde tasarlanmıştır. Moderatör soğutucu olarak ağır su kullanılıyorsa, dünyadaki 435 nükleer reaktörün 268'i PWR tipinde… 

 1000 MW'lık bir hafif su reaktörünün (LWR) çekirdeği herhangi bir zamanda yaklaşık 100 ton  yakıt tutar. Yakıt, %35'e kadar zenginleştirilmiş uranyum oksitten oluşur. Bu stokun 1/3'ü her 1824 ayda bir değiştirilir. Bu, her yıl kalpten ortalama  20 ton "harcanmış nükleer yakıt" atıldığı anlamına gelir. Reaktör, yıl boyunca %80'lik bir güç faktöründe çalışabilir ve yılda 7 milyar kWh elektrik üretebilir. Bu durumda gaz halindeki fisyon ürünleri süzülür ve bacadan kontrollü bir şekilde  salınır. Nükleer santraller atmosfere  sadece su buharı yayar. Sonuç olarak,  radyasyon emisyonları da dahil olmak üzere test koşulları altında çalışan nükleer santrallerin çevresel etkisi, karşılaştırılabilir kömürle çalışan santrallerden çok daha azdır. Ancak nükleer santrallerin normal işletme koşullarında çevreye ciddi tehlikeli maddeler salmaması, zarar verebilecek maddeler oluşturmadıkları anlamına gelmez. Bunun nedeni, implantasyon anından itibaren kalpte radyoaktivite birikmesidir. Kömürlü termik santrallerdeki farklılıklar; Nükleer santraller ürettikleri zararlı elementleri sürekli olarak çevreye salarken çekirdeklerini yok edebilecek radyoaktif elementler biriktirirler. Kontrol altında olmalılar.

RADYOAKTİVİTE ( RADYASYON)

Radyonüklidlerin bozunması genellikle diğer radyonüklidlerin oluşumuna yol açar. Ayrıca diğer radyonüklidlere bozunabilirler. Öte yandan, bazı diğer çekirdek çekirdekler, nötronları yutarak eskisinden daha  radyoaktif hale gelir. Tüm bu çekirdekler tarafından ifade edilen "ışıma gücü", "radyoaktivite envanteri" olarak adlandırılır. Reaktör çekirdeği, yaktıkları parçacıkların dışarı sızmaması için birkaç metre kalınlığında beton bir "biyo-zırh" ile çevrilidir.  Nükleer reaktör kontrol sistemi, bir anormallik tespit edildiğinde reaktörün  otomatik olarak kapanmasını sağlayan "kendinden güvenli" bir sistem olarak tasarlanmıştır. Ancak bir nükleer reaktör kapatıldığında, yani çekirdekteki zincirleme reaksiyon durduğunda bile radyasyon nedeniyle ısı üretimi devam eder. Zamanla doğal olarak azalan bu "ayrışma ısısı", reaktör kapatıldıktan sonra ihmal edilebilir bir düzeye düşene kadar emilmelidir. Aksi takdirde, reaktör çekirdeğindeki uranyum yakıt elemanları eriyebilir. Bir “soğutma sıvısı kaybı kazası” sonrasında kalp krizi olasılığı, bir nükleer reaktör için akla gelebilecek en ciddi kaza senaryosudur. Bu olasılığı ortadan kaldırmak için reaktörün birincil soğutması, birbirinden bağımsız olarak çalışabilen iki veya dört devre olarak tasarlanmıştır. Dolayısıyla devrelerden birinin arıza yapması durumunda diğer devreler soğumaya devam edebilir... Devre soğutma pompaları olası arızalara karşı yedeklenir. Reaktör ayrıca kendi bağımsız güç kaynağından güç alan bir "acil durum soğutma sistemi" ile donatılmalıdır. 

 Ancak bir kaza durumunda, reaktör ve birincil devre ekipmanı, içeride çelik, dışarıda betonarme koruyucu bir bina ile çevrelenerek, gücü çekirdekte bırakıyor, dışarı çıkmıyor. Çevre. Reaktör bölmesi ve bitişik türbin salonu, 1'den büyük bir güvenlik faktörü ile bölge tarihindeki en güçlü depremin hızlanmasına dayanacak şekilde tasarlanmıştır.

  RADYASYONDAN KORUNMA YOLLARI

  Alfa, beta ve gama ışınlarından oluşan radyasyon parçacıkları mikroskobik mermiler gibidir ve durana kadar malzemeye enerji aktarır ve önündeki malzeme tarafından emilir. Bu süreç  canlı bir organizmada gerçekleşirse, organizma etkilenir. Biyolojik hasarı ölçmek için kullanılan standart "doz birimi", Sv ile gösterilen "Sievert"tir. Ancak, bu birim yaygın olarak kullanılan dozajlar için çok büyük olduğundan, milliSievert (mSv) binde birden daha sık kullanılır. 

  Radyasyon doğaya yabancı  bir unsur değildir. Yerkabuğu boyunca değişen oranlarda; Yerde, kayalarda, suda ve havada radyonüklidler vardır. Bir kısmı bitkilere, oradan da bizler dahil diğer canlılara besin zinciri yoluyla aktarılır. Dünya ortalaması, bir kişinin doğal kaynaklardan aldığı doz 2.4 mSv/yıl'dır. 

 Doğal radyasyon kaynaklarına ek olarak,  insan yapımı kaynaklar da vardır. Sivillerin maruz kaldığı en büyük insan yapımı radyasyon kaynakları; Tanısal röntgen, nükleer tıp yöntemleri ve radyasyon tedavisi gibi tıbbi uygulamalar. Öte yandan, doğal ve insan yapımı radyasyon kaynaklarının etkileri aynıdır. Normal koşullarda çalışan bir nükleer santralde çalışanın aldığı doz 1.8 mSv/yıl'dır. Siviller için nükleer enerji üretiminden kaynaklanan ek doz 0,01 mSv/yıl olarak hesaplanmıştır. Yani, doğal kaynaklardan gelen 250 maruziyetten biri…

GAZ DİFÜZYONU VE SANTRİFÜJ YÖNTEMİ

Gaz difüzyon yöntemi, hafif moleküllerin ağır moleküllerden daha hızlı hareket etmesi gerçeğine dayanmaktadır. Gaz halindeki UF6, "yarı geçirgen" bir mikro gözenekli  zardan geçmeye zorlamak için basınçlandırıldığında; Hafif moleküller zardaki gözeneklerden sızar ve diğer tarafa ulaşmada ağır moleküllerden daha başarılıdır. Bu nedenle, zarın diğer tarafına iletilen gaz, hafif moleküller açısından oldukça zengindir ve geri kalanı tükenmiştir. Zenginleştirilmiş gaz, daha konsantre hale gelmek için bir sonraki aşamaya verilir ve tükenmiş gaz bir önceki aşamaya geri döndürülür. 

 Amerika Birleşik Devletleri ve Fransa'da yoğunlaşma süreçleri halen ağırlıklı olarak bu şekilde yürütülmektedir. Santrifüj konsantrasyonu sırasında, 1015 cm çapında ve 11,5 m yüksekliğinde silindirik bir "rotor", koruyucu  kabın iç boşluğunda altında bulunan bir elektrik motoru tarafından 5070.000 devir hızında döndürülür. UF6 buharı, dönen bir şaft oluşturan bir borunun etrafındaki rotora beslenir. Rotorun dış duvarında, 400500 m/s hızla dönmeye zorlanan buhar molekülleri, serbest düşme ivmesinden bir milyon kat daha büyük bir merkezcil ivme ile dönme ekseninden dışarı atılır. Moleküllerin tümü, bir duvara  jöle fırlatır gibi rotorun kenarlarına yapışan ince bir tabaka oluşturur. Bununla birlikte, daha büyük bir kuvvete sahip daha ağır moleküller katmandan dışarı kayarken, daha hafif moleküller nispeten içeride kalacaktır. Doygunluktaki en büyük fark, kenarın üst ve alt kısmı arasındadır. Bu pozisyona borunun her iki ucunda ulaşılır. Alt kısım konsantre ürünü alır ve üst kısım tükenir, ardından ürün alınır ve bir önceki santrifüjleme adımına gönderilir.  

 Bu yöntem, Alman-Hollandalı ticaret şirketi Urenco tarafından kullanılmaktadır. 

 Üretimden önceki yakıt döngüsünün bir kısmı “ileri” bir adımdır. Reaktörde yakıt kullanıldıktan sonraki aşamalar, yakıt döngüsünün "arka cephesini" oluşturur. Bu ikinci cephe, çevre için ciddi bir risk oluşturan yüksek seviyeli radyoaktif atıklar yaratır.

Reaktörden çıkan yakıta "harcanmış nükleer yakıt" denir. Bu nedenle, yakıt radyasyon nedeniyle ısı yayar. Bu nedenle, korumalı ve soğutulmalıdır. Reaktör muhafazasının içindeki bir toplama havuzuna yerleştirilir. Havuzdaki su sadece zırh için iyi bir malzeme olmakla kalmaz, aynı zamanda yakıtı da soğutur. Bu formda yakıt bir yıla kadar depolanır. Amaç radyasyonu azaltmak. 

 Bundan sonra olacaklar için iki seçeneğiniz var. Yakıt bağışlamak ve onu "atık" olarak değerlendirmek veya geri dönüştürmekle ilgili. Yeniden işlemenin amacı, kullanılmış nükleer yakıttaki faydalı izotopları parçalamak ve yeni yakıtlar yapmak için kullanmaktır. Bu süreç aynı zamanda israfı da azaltarak yönetimi kolaylaştırır.  Yeniden işleme tercih edilirse, kullanılmış yakıt yaklaşık 100 gün sonra durultucudan çıkarılır ve yeniden işleme tesisine gönderilir. Yakıt çubukları bir işleme tesisinde  mekanik olarak kesilir ve ezilir ve ardından nitrik asit içinde çözülür. Bu asidik sulu çözeltide uranyum ve plütonyum gibi aktinitler fisyon ürünleriyle birleşir. Uranyum ve plütonyumun çözeltiden ayrılmasından sonra fisyon ürünleri atık şeklinde kalır.

PLÜTONYUM

Kullanılmış nükleer yakıtın yeniden işlenmesiyle elde edilen plütonyumun izotopik bileşimi bomba üretimi için uygun değildir. Ancak, bu plütonyumu yüksek ortalama nötron enerjileri için tasarlanmış "hızlı" bir reaktörde "yakmak" mümkündür. yüksek nötron verimliliğine sahip reaktörlerde; Bazı nötronlar, plütonyum çekirdeklerini yok ederek enerji üretimi sağlar, ancak bazıları U238 çekirdeği tarafından emilir ve onu bölünebilir Pu239'a dönüştürür. Doğru tasarımla bir nükleer reaktör, birim zamanda tükettiğinden çok daha fazla bölünebilir çekirdek  üretebilir. Bu durumda reaktörün net yakıt üreticisi olduğu söylenir. Bu "hızlı reaktörler", "hızlı yetiştiricilerdir". Geri kazanılan yakıt yeniden işlenebilir, plütonyumdan ayrılabilir ve yakıt üretimi için yeniden kullanılabilir. Bu işlemin arka arkaya birkaç kez tekrarlandığı bir döngüye “kapalı yakıt döngüsü” denir. 

 SNF'nin yeniden işlenmesinden sonra bir ton yakıt başına 5 m3'e kadar asidik çözelti kalır. Çözelti buharlaştırılarak konsantre edilir ve aktiviteyi azaltmak için birkaç yıl bırakılır. Daha sonra yanma ile tamamen buharlaştırılır. Yakma radyoaktif atıkları toza dönüştürür ve hacmini azaltır. Ortaya çıkan atık toz, cam tozu ile karıştırılır, eritilir ve paslanmaz çelik bir fıçıya dökülür. Bundan sonra, içerdiği aktivite doğal seviyelere düşene kadar güvenli bir şekilde saklanmalıdır. 

 Vitrifiye atık varilleri, "şok emici" jeolojik katmanlara açık yeraltı galerilerinde depolamak için tasarlanmıştır. Bu nedenle, deprem etkisini sürmek bir amaçtır. 

 Yeniden kontrol daha çok tercih edilirse, kullanılan tüm yakıtlar atık olarak kabul edilir. Bu durumda, reaktör beklenen havuzdan çıkarılır ve beton bloğa gömülen kulenin elektrik santralinde saklanır. Ayrıca, reaktör koruma binası ve kule ve uçak damlacıkları gibi bir uçak var. Yakıt sonucunda yeraltı galerisi, ARMA çelik silindirleri ve yeraltı galerisinde ulaşım için tasarlanmıştır.

  NÜKLEER SİLAHLAR

  Bölünebilir malzemeyi aldıktan sonra bomba yapmak nispeten kolaydır. Birleştirildiğinde süper kritik hale gelen iki uranyum parçasının bir top namlusuna yerleştirilmesi ve diğerinin ateşlenmesiyle ilkel bir nükleer silah oluşturulabilir. Hiroşima'ya atılan bomba böyle bir mekanizmadan oluşuyordu. Ancak varil bombaları daha fazla uranyum gerektirir. Ağır, hacimli ve daha az verimlidir. Diğer yol; Bölünebilir malzemenin süperkritik bir bölgesinin etrafına güçlü bir patlayıcı yerleştirmek ve onu patlatmak, kürenin küçük bir süperkritik hacme "yer değiştirmesidir". 

 Termonükleer silahlar, trityum çekirdeklerinin bir hidrojen izotopu olan döteryum ile füzyonuna dayanır. Bunun için döteryum lityum ile karıştırılır ve her ikisi de polistiren köpük malzeme ile kaplanır. Patlama anı geldiğinde, lityum nötronlarla çarpışarak trityumu oluşturur ve bu trityum çekirdeği içindeki döteryumla çarpışarak nükleer füzyona neden olur. Ancak; Lityum bombardımanı nötronlar gerektirir ve füzyon yüksek sıcaklıklar gerektirir. Sözde "birincil" uranyum veya plütonyum bombalarının patlatılmasıyla elde edilirler. Strafor, yayılan gama ışınlarını emer ve içindeki karışımı ısıtır. Öte yandan, basınç dalgalanmaları füzyon karışımını eşit şekilde sıkıştırırken, nötronlar  lityumu yok eder ve trityumu serbest bırakır. Karışımın sıcaklığı 100 milyon °C'nin üzerine çıktığında, "ikincil" bir termonükleer bomba etkinleşir.

KAYNAKÇA:

TÜBİTAK