Hava durumundaki değişiklikler, Ukrayna'daki çatışma ve gaz kıtlığı: Bu belirsiz zamanlarda, istikrarlı bir enerji arzı daha da gereklidir. Almanya nükleerden vazgeçme konusunda ısrarını sürdürürken Fransa, Çin ve Amerika Birleşik Devletleri gibi diğer ülkeler yakın gelecekte nükleer bağımlılıklarını arttırmak istiyor. Büyük bir nükleer santralin sağladığı enerjinin küçük bir kısmını sağlayan Küçük Modüler Reaktörler (SMR'ler) bu ülkelerin umutlarını bağladıkları noktadır. Bu teknoloji gerçekten bir çözüm sağlayabilir mi ve tam olarak nasıl çalışıyor?
Dünya çapında yaklaşık 440 nükleer enerji santrali faaliyet gösteriyor. Bu santraller birkaç bin watt gücünde ve sürekli bakım ve idameye ihtiyaç duyuyorlar. Bu nedenle, özellikle altyapının zayıf olduğu ve elektrik arzının öngörülemediği yerlerde bu tür santralleri kullanmak her zaman güvenli değildir. Teoride 1950'lerden kalma merkezi olmayan ve az bakım gerektiren bir seçenek olan Küçük Modüler Reaktörler günümüzde yeniden gündeme gelebilir.
Nükleer denizaltılara itici güç sağlamak amacıyla ortaya atılan bu konsept şimdi büyüyen enerji krizini ele almak üzere yeniden uyarlanıyor. Peki sodyum ve erimiş tuz reaktörleri nasıl çalışmaktadır? Operatörler ne gibi zorluklarla karşılaşıyor?
SMR'ler Nedir ve Ne Vaat Ediyor?
İklim değişikliği giderek kötüleşiyor, ancak yenilenebilir enerjinin yaygınlaşması da, örneğin Almanya'da, oldukça yavaş ilerliyor. Sonuç olarak, bazıları nükleerden çıkışın ertelenmesinin fosil yakıtlardan uzaklaşma sorununa makul bir kısa vadeli çözüm olduğunu savunuyor. Diğerlerinin yanı sıra Amerika Birleşik Devletleri ve Fransa, iklim hedeflerine kısmen nükleer enerji kullanımını artırarak ulaşmak istiyor.
Giriş Maliyetindeki Büyük Engeller
Halihazırda otuz ülke nükleer elektrik üretmektedir. Uluslararası Atom Enerjisi Ajansı (IAEA), iki düzineden fazla ülkenin daha nükleer enerjiyi benimsemeyi düşündüğünü bildirmektedir. Her bölgenin gereksinimleri karşılayamaması büyük bir engeldir. Bunun nedeni, çok büyük ve karmaşık nükleer reaktörlerin devam eden inşaatıdır. Bu reaktörlerin düzgün çalışabilmesi için sadece çok fazla alana değil, aynı zamanda güvenilir güç ve su kaynaklarına da ihtiyaçları vardır. Enerji santrallerinin güvenliğini sağlamak için, personel açısından belirli bir deneyim derecesi gereklidir.
Ayrıca, yüksek ilk kurulum harcamaları da ek bir engel teşkil etmektedir. Örneğin Fransa'daki Flamanville nükleer santralinin inşa maliyeti, başlangıçtaki 3 milyar Avro'luk tahminden yaklaşık 20 milyar Avro'ya yükselmiştir. İngiliz Hinkley Point C nükleer enerji santrali projesinin yeni tahmini ise 27 milyar avro civarında olup, öngörülenden yaklaşık altı milyar avro daha yüksektir.
Tüm Sorunların Çözümü
Küçük Modüler Reaktörlerin (SMR) ortaya çıkışı tüm bu sorunları çözmeyi vaat etmektedir. Burada önerilen, birkaç büyük nükleer enerji tesisi yerine çok sayıda küçük nükleer enerji tesisinin kullanılmasıdır. Bunlar daha sonra dağıtılmış bir şekilde elektriğin daha küçük ama daha güvenilir bir bölümünü sağlayabilir. Fikrin kendisi yeni değildir. Enerji arzını güvence altına almak için küçük reaktörlerden oluşan dağıtılmış bir ağ kullanma konsepti 1950'lere kadar uzansa da, teknik nedenlerden dolayı o zamanlar hiç uygulanmamıştı.
Ancak, geri getirmeye yönelik birçok başarısız çabanın ardından bu fikir nihayet meyvelerini veriyor gibi görünüyor. Şu anda 70'e yakın türü çeşitli geliştirme aşamalarında. Şu anda hiçbir ticari SMR faaliyette olmamasına rağmen, IAEA planlama veya geliştirme aşamalarında 80'den fazla proje olduğunu bildirmektedir. Bununla birlikte, araştırma reaktörleri Çin'de ve diğer ülkelerde halihazırda konuşlandırılmıştır ve bu reaktörlerin seri üretiminin 2030'da başlaması beklenmektedir.
Düşük Çıkış Ama Yüksek Hacim
Tipik olarak, bu kadar küçük bir reaktörün çıktısı 100 ila 300 MW arasındadır, ancak 400 MW veya 30 MW kadar az üretebilen başka versiyonlar da vardır. Dünyadaki en büyük nükleer enerji tesisleri 3.500 megawatt'a kadar üretim yapabilirken, ortalama olarak 1.500 megawatt'a yakın üretim yapmaktadırlar. Dolayısıyla, yaklaşık beş ila yedi SMR tek bir geleneksel nükleer enerji santralinin yerine geçebilir.
Halihazırda dünya çapında faaliyet gösteren 440 kadar nükleer güç reaktörünün yerini almak ve nükleer elektriğin kullanılabilirliğini önemli ölçüde artırmak için binlerce küçük ünitenin daha üretilmesi gerekecektir. Ancak bu teknolojinin sağlayıcıları, tasarımların modüler olması nedeniyle bunun bir sorun teşkil etmeyeceğini iddia etmektedir. Kolay yönetilebilir boyutları nedeniyle SMR'ler montaj hattı üretimine, yerinde montaja ve sonrasında gidecekleri yere transfer edilmeye uygundur. Ürünün uzun vadede maliyet etkinliği de seri üretim yoluyla sağlanmalıdır.
SMR'lerde öncelikli odak noktası, halihazırda yaygın olan basınçlı su reaktörlerine ek olarak sodyum soğutmalı ve erimiş tuz reaktörleridir.
Erimiş Tuz Reaktörleri
Erimiş Tuz Reaktörü (MSR), halen araştırma ve geliştirme aşamasında olan IV. nesil nükleer enerji santrallerinin bir parçası olan bir tür nükleer enerji santralidir. Su kullanmak yerine sıvı bir tuz çözeltisi kullanırlar.
Böylece reaktör içindeki basınç minimumda tutularak güvenlik artırılmış olur. Basınçlı veya kaynar su reaktörü arızalandığında, su bir anda serbest kalır ve etraftaki herkesi çok yüksek seviyelerde radyasyona maruz bırakır. Örneğin 2011'deki Fukushima nükleer felaketinde, sıcak buhardan hidrojen patlamaları meydana gelmiş ve birçok reaktör binasına zarar vererek çevreye tehlikeli maddeler yayılmıştır.
Sıvı Tuzların Faydaları Çoktur
Erimiş tuz reaktörü bunu önlemek için yakıt ve soğutucunun işlevlerini birleştirir. Uranyum-235, geleneksel reaktörlerde olduğu gibi nükleer reaktörlerde de birincil yakıttır. Buna ek olarak, nükleer bombaların parçalanmasının bir yan ürünü olan plütonyum-239 da yakıt kaynağı olarak kullanılabilir. Radyoaktif maddeler yakıt çubuklarında olduğu gibi soğutucuya oksit olarak eklenmez. Bunun yerine florür veya klorür tuzları olarak eklenirler.
Eşdeğer miktarda lityum florür (LiF) ve berilyum florür (BeF2) tuzları (erimiş tuz FLiBe'yi oluşturur) şu anda en umut verici soğutucudur. 459 santigrat derecelik erime sıcaklığı diğer birçok metalinkinden daha düşüktür ve bu da bir avantajdır. Bu nedenle, soğutucunun bağlantı noktalarında kristalleşmesi ve devrede bir bozulmaya neden olması ihtimali daha azdır. Malzemenin düşük buhar basıncı, yaklaşık 1000°C sıcaklıklarda bile patlayıcı genleşme olasılığını azalttığı için bir başka avantajdır.
Erimiş tuzlar, çevrelerindeki malzemeler üzerindeki muazzam korozif etkileri nedeniyle önemli bir zorluk teşkil etmektedir. Söz konusu bu olduğunda, FLiBe belirleyici faktör olmalıdır. Berilyum erimiş tuzun redoks potansiyelini düşürdüğünden, korozif özellikleri büyük ölçüde azalır. Soğutucunun sıvı haldeki şeffaflığı, herhangi bir kirleticiye göz kulak olmak için kullanılabilecek ek bir avantajdır.
Erimiş Tuz Reaktörünün Yapısı
Reaktör odasından (sol üstte), sıvı tuz ve yakıt kombinasyonu birinci ısı eşanjörüne borulanır. Üçüncü ve son bir mekanizma ile ısı ikinci bir sıvı tuz devresinden geçirilir ve elektriğe dönüştürülür. Pasif emniyet valfi (sol altta) aşırı ısınmadan dolayı erirse yakıt boşaltılır.
Bir erimiş tuz reaktörünün temel yapısını çok sayıda devre oluşturur. İlk olarak, yakıt ve soğutma sıvısı birleştirilir ve motorun çalışmasını düzenleyen grafit çubuklar arasında dolaştırılır. Geleneksel reaktörlerde olduğu gibi, bunlar moderatör olarak kullanılır ve nispeten kolaylıkla yerleştirilebilir.
Reaksiyon karışımının ısısı ilk ısı eşanjörü aracılığıyla ikinci bir erimiş tuz devresine aktarılır. Bu devre muhafazanın içinde yer alır ancak herhangi bir yakıt içermez. Bu, sızıntı yapan herhangi bir ısı eşanjörünün istenmeyen kirleticileri ortaya çıkarmaması için yapılır. İkinci olarak, ısı üçüncü bir soğutma devresi aracılığıyla güç üretmek için bir buhar jeneratörüne aktarılır.
Pasif Valf Aracılığıyla Güvenlik
Olağanüstü güvenlikleri nedeniyle, erimiş tuz reaktörleri genellikle SMR'ler olarak kategorize edilir. Acil bir durumda, geleneksel basınçlı su reaktörlerinin 24 saat izlenmesi ve nitelikli güvenlik personelinin bulunması gerekir. Bir erimiş tuz reaktöründe çekirdek zaten sıvıdır, yani olabilecek en kötü şeylerden biri olan erime gerçekleşemez.
Öte yandan, aşırı ısınma da bir olasılıktır. Reaksiyon devresindeki su soğutmalı bir valf güvenli olmayan sıcaklıklarda eriyerek radyoaktif karışımı bir dizi soğutma tankına yönlendirir. Bunların her biri kritik kütlenin oluşmasını engelleyecek kadar büyüktür. Tuzlar soğuduktan sonra risksiz bir şekilde bertaraf edilebilirler.
Toryum Bazlı Üretim
Erimiş tuz reaktörünün bir diğer kullanım alanı da inkübasyon reaktörüdür. Bunu başarmak için yakıt kaynağına toryum-232 eklenir. Nötron yakalandığında protaktinyum-233'ten fisil uranyum-233'e beta bozunmasına uğrar. Uranyumla karşılaştırıldığında, toryum daha bol bulunma avantajına sahiptir ve parçalanması daha az transuranik oluşturarak daha az uzun ömürlü nükleer atığa yol açar.
LFTR (Sıvı Florür Toryum Reaktörü) olarak da bilinen üretim sürecinin bir dezavantajı olan uranyum-233 kontaminasyonu riski vardır. Silah sınıfı plütonyumdan daha kolay işlenebilir ve genellikle en iyi nükleer bomba malzemesi olarak kabul edilir. LFTR, reaktör verimliliğini artıran protaktinyum-233'ün sürekli ayrıştırılması sayesinde makul ölçüde saf uranyum-233 üretebilmektedir. Bu tehlikenin azaltılma potansiyeli, yakıtın uranyum-238 gibi seçici bir şekilde kirletilmesinin mümkün olmasıyla artmaktadır.
Sodyum Soğutmalı Reaktörler
Hızlı Nötronlar Yüksek Verim Sağlar
Hem basınçlı hem de kaynar su reaktörlerinde su için farklı kullanım alanları bulunur. Reaktör çekirdeğinin etrafında dolaşırken ısıyı uzaklaştırır ve soğutucu görevi görür. Bunun da ötesinde, nükleer fisyon tarafından üretilen nötronların yoğunluğunu azaltır. Sonuç olarak, uranyum-235 bu sıcak nötronları emebilir. Ancak bu izotop doğal olarak oluşan uranyumun sadece yüzde birinden daha az bir kısmını oluşturur, bu nedenle yakıt olarak kullanılabilmesi için zenginleştirilmesi gerekir.
En yaygın izotop olan uranyum-238'in fisyonu için termal nötronlar yerine hızlı nötronlar gerekir. Bu nötron bir uranyum-238 atomu tarafından yakalanır ve bu atom daha sonra neptünyum-239 yoluyla plütonyum-239'a bozunur ve bu sonuncusu yakıt olarak kullanılır. Bu işlem sırasında, toplanandan daha fazla nötron yayılır ve bu da fazla bölünebilir madde ile sonuçlanır. Bu nedenle, bu reaktörlerin versiyonları "hızlı reaktörler" olarak adlandırılır. Ancak hızlı olmanın ne kadar hızlı üretildiğiyle değil, nötronların ne kadar hızlı hareket ettiğiyle ilgisi vardır.
Uygun Soğutma Sıvısının Seçilmesi
Sodyum sıvısı reaktör çekirdeğinin her tarafındadır (sol altta). İlk ısı eşanjörü yapının merkezine doğru bir sodyum havuzunun içinde yer almaktadır. Elektrik üretmek için üçüncü bir devre kullanılır.
Sıvı sodyum hızlı üretken reaktörlerde soğutucu olarak kullanılır ve yayılan nötronların yavaşlamasını engeller. Fiziksel özellikleri değişmeden 97°C'de eritilebilir ve 890°C'ye kadar ısıtılabilir. Kullanım sırasında (erimiş tuzlar gibi) herhangi bir ek basınca ihtiyaç duymadığından, patlamalar konusunda endişelenmeye gerek yoktur.
Sodyum soğutmalı reaktörler için havuz ve döngü olarak bilinen iki farklı düzen vardır. Bu konfigürasyonda reaktörün nükleer çekirdeği bir sıvı sodyum havuzuna daldırılır. Havuzda ayrıca bir ısı değişim sistemi bulunur ve bu sıvı her ikisinin etrafında dolaştırılır. Birinci ısı eşanjöründeki sıvı sodyum üçüncü devredeki türbine güç sağlamak için kullanılır ve bu da elektrik jeneratörüne güç sağlar.
Standart tasarım ile döngü versiyonu arasındaki operasyonda göze çarpan tek değişiklik ilk ısı eşanjörünün konumudur. Reaktör odası, birinci devre ve ısı eşanjörü arasında sınır görevi gören tek bir havuzun aksine, bu tasarımda çift devre vardır. Özel bir tank ısı/soğutma değişim mekanizmasını barındırır.
Tehlikeli Bir Oyun
Doğal uranyum kullandıkları için sodyum soğutmalı reaktörler ilk bakışta hafif su reaktörlerine uygun bir alternatif gibi görünmektedir. Tonlarca sodyum kullanmak sadece mali açıdan maliyetli olmakla kalmıyor, aynı zamanda alkali metal kullanımı nedeniyle enerji santrallerinde çalışanlar için önemli güvenlik endişeleri de var. Bunların çoğu sodyumun aşırı reaktivitesinden kaynaklanıyor; alkali metal oksijen veya suyla temas ettiğinde şiddetli bir şekilde tutuşuyor.
Fikir 1950'lere kadar uzansa da, içerdiği tehlikeler ve yüksek teknolojik gereksinimler nedeniyle bugüne kadar nispeten az sayıda hızlı üretim tesisi çalıştırılmıştır. Avignon çevresindeki bölgeye 1973'ten 2010'a kadar hizmet veren Fransız Phénix nükleer santrali bu konuda iyi bir örnektir. Bu santral 1986'da hizmete giren 3.000 megavatlık Superphénix'in öncüsüydü, ancak sadece 563 MW'lık bir termal çıktıya sahipti.
Superphénix sodyum soğutmalı üretim tesisi, sodyumun soğutucu olarak kullanılmasıyla ilgili sorunları çok etkili bir şekilde gösterdi. Santralin faaliyete geçmesinden sadece bir yıl sonra meydana gelen bir sızıntı 20 ton sodyum kaybına yol açtı. 1990'daki ikinci sızıntıdan sonra 400 ton sodyumun tamamının temizlenmesi gerekti; bu işlem, eser miktardaki kirleticilerin bile oksitleri bloke edebilmesi nedeniyle sekiz ay sürdü. O yıl çatının bir kısmı karın ağırlığı nedeniyle çöktü, 1994'te bir argon sızıntısı meydana geldi ve santral sonunda 1998'de kapatıldı.
Yeni Bir Yükselişin Ortaya Çıkışı
Ancak sodyum soğutmalı hızlı reaktörler fikri Superphénix ile birlikte ölmedi. Sodyum havuzlu enerji santralleri Hindistan, Çin ve Rusya da dahil olmak üzere bir dizi ülkede inşa edilmekte ya da geliştirilmektedir. SMR tabanlı yükseltme, hem daha küçük hem de hassas düzenlemelere daha uygun üretim reaktörleri üretme potansiyeline sahiptir.
Genel olarak hızlı üretim reaktörleri, sodyumdan kaynaklanan tehlikeler haricinde, güvenli olarak görülmektedir. Çekirdek aşırı ısındıkça uranyum tarafından nötron yakalama olasılığı da artar. Bu da reaktörün ısı çıkışını azaltarak çekirdek erimesini pasif olarak önler.
Ancak toryum reaktörlerinde olduğu gibi, doğal uranyumun plütonyum-239'a dönüşmesi nedeniyle ıslah reaktörlerinde de güvenlik sorunları ortaya çıkmaktadır. Silah sınıfı plütonyum çıkarılabilir ve nükleer silahlarda kullanılabilir.
Küçük Reaktörlere İlişkin Sorunlar
SMR savunucuları ve küçük nükleer enerji santrallerinin tasarımcıları tarafından ortaya konan yeni teknoloji ve vaatlere rağmen, çeşitli profesyonel görüşler ve araştırmalar reaktörlerle ilgili potansiyel tehlikelere ve zorluklara işaret etmektedir.
Bunlardan en önemlisi, kazaları önlemeye yönelik standartların çoğunlukla su soğutmalı sistemlerle yapılan çalışmalardan türetilmiş olmasıdır. Bu nedenle, sıvı tuz veya sodyum soğutmalı reaktörler gibi teknolojiler, belirli olayların meydana gelme olasılığının hesaplandığı olasılıksal güvenlik değerlendirmeleri (PSA) olarak adlandırılan yöntemlere henüz tam olarak uymamaktadır. Araştırmacılar, sistemlerin şu anda ne kadar güvenilir olduğunu belirleyen bir dizi faktörün yeniden hesaplanması gerekeceğini söylüyor.
Bir başka sorun da, gerekli olacak nispeten az sayıdaki reaktörün çok büyük miktarda olması. Mevcut SMR tasarımlarında istenmeyen sonuçların çeşitliliği azaltılabilse de, olası konumların çokluğu kaza olasılığını artırmaya devam etmektedir. Nükleer enerji santrallerinin tehlikesi, ürettikleri elektrik miktarıyla doğru orantılı olarak artmaktadır.
Üreticiler Çok Fazla Vaatte Bulunuyor
Diğer SMR üreticilerinin dünya görüşleri de gerçeklikle çelişmektedir. Radyoaktif madde miktarının ihmal edilebilir düzeyde olması ve pasif güvenlik fikirleri gibi faktörler nedeniyle, bir kaza durumunda yalnızca küçük bir bölgenin etkilenmesi beklenmektedir. Ancak bazı araştırmacılar, acil bir durumda kontaminasyonun santralin fiziksel konumunun çok ötesine yayılabileceği konusunda uyarıyor.
Su soğutmalı yüksek sıcaklık reaktörleri söz konusu olduğunda, kurumlar aynı şekilde üreticilerin değerlendirmesine katılmamaktadır. İkinci grup, modellerinde ayrıntılı hapsetme kullanmak yerine yakıtın silisyum karbür ve karbon bir kaplamayla kaplanmasını önermektedir. Yaklaşık 1.600°C olan arıza sınırının altındaki sıcaklıklarda, radyoaktif izotoplar gerçekten de bunun içinden geçebilir. Sonuç olarak, bir kaza durumunda radyasyon yayılmayacağına dair hiçbir güvence yoktur.
"Teminatlar" Yeterli Değil
Hızlı üretken reaktörlerin ve erimiş tuz reaktörlerinin kendi kendini düzenleme özelliklerinin yetersiz olduğu da iddia edilmektedir. Örneğin, fiziksel açıdan bakıldığında, hızlı nötronlu tesislerde sıcaklık artışının daha düşük bir reaktivite katsayısı sağladığı ve bunun da çekirdek erimesini önlediği doğrudur. Ancak bilim adamları ayrı bir kapatma mekanizmasının zorunlu kılınmasında ısrar etmektedir.
Sonuç olarak, burada bir de sorumluluk sorunu var: Üreticiye göre tamamen güvenli olan bir santralde herhangi bir sorun çıkarsa kim suçlanacak? Örneğin, böyle bir durumda operatörlerin zararını karşılayacak bir mali garanti üzerinde duruluyor. Uzmanlar, pasif olanlar da dahil olmak üzere hiçbir güvenlik konseptinin garanti olarak kabul edilemeyeceği konusunda hemfikir. Örneğin, sistemler dış etkenler nedeniyle hasar görebilir ve kullanışlılıkları azalabilir. Bu nedenle uzmanlar tarafından genellikle ikincil bir koruma katmanı önerilmektedir.
Daha Küçük Reaktörler Daha Az Atık Anlamına mı Geliyor?
Nükleer güç reaktörleriyle ilgili sorunlar santralin işletimi boyunca ortaya çıkabilir ve SMR'ler radyoaktif atık üretebilir. Stanford Üniversitesi, 2022 yılında daha küçük tasarımın daha az radyoaktif atıkla sonuçlanıp sonuçlanmayacağı konusunda bir araştırma yapmıştır. Sonuçta bunun tersinin doğru olduğu ortaya çıktı. Her reaktör kendi başına daha az nükleer atık üretse de, üretilen toplam miktar çok daha yüksektir.
Birim elektrik başına daha fazla yakıt kullanmanın yanı sıra, küçük enerji santralleri çok daha fazla radyoaktif olarak kirlenmiş yapısal madde de üretmektedir. Bu, geleneksel bir basınçlı su reaktörüne kıyasla böyledir. Grafit kalkanlar ve reflektörler çelik ve beton binaların yerini almaktadır. En kötü durumda olanlar hızlı üretim reaktörleri gibi görünmektedir. Atıkların nihai depolanması, soğutucu olarak kullanılan tüm sodyumun tamamen uzaklaştırılmasını gerektirmektedir.
Küçük modüler reaktörlerden (SMR'ler) çıkan atıklar kimyasal olarak büyük bir nükleer santralden çıkan atıklarla aynı değildir, bu da başka bir sorundur. Bunun yerine, çağdaş reaktörler o kadar yüksek radyoaktif element (uranyum-235 ve plütonyum) konsantrasyonuna sahiptir ki kritik kütleye ulaşılarak reaksiyon bir kez daha başlatılabilir.
