Kontrollü nükleer fisyon reaksiyonları elektrik üretmek için kullanılır. Nötronlarla bombardıman yoluyla uranyum veya plütonyum fisyonu yoluyla güç üreten herhangi bir nükleer reaktör altı bileşene sahiptir: fisyonlanabilir malzeme, bir nükleer moderatör, bir nötron kaynağı, kontrol çubukları, reaktör soğutma sıvısı ve bir kalkan ve muhafaza sisteminden oluşan nükleer yakıt.

Nükleer Yakıtlar

Nükleer yakıt, kendi kendini devam ettiren bir zincir reaksiyonu sağlamak için yeterli miktarda bulunması gereken uranyum-235 gibi bölünebilir bir izotoptan oluşur. Çoğu basınçlı su reaktöründe, her yakıt düzeneği, yüksük boyutlu, seramik kaplı, zenginleştirilmiş uranyum (genellikle UO₂) yakıt peletleri içeren yakıt çubuklarından oluşur. Modern nükleer reaktörler 10 milyon kadar yakıt peleti içerebilir.

Uranyum-235 yararlı bir yakıttır, çünkü fisyon başına ortalama birden fazla nötron üretir, ancak doğal bolluğu ağırlık olarak yaklaşık yüzde 0,7'dir. Çoğu güç reaktörü, yakıtlarının ağırlık olarak en az yüzde 3 ila 5 uranyum-235'e zenginleştirilmesini gerektirir.

Nükleer Moderatörler

Nükleer reaksiyonlarla üretilen nötronlar, U-235 fisyonunu güvenilir bir şekilde sağlamak için çok hızlı hareket ederler. İlk önce yakıt tarafından absorbe edilmek ve ek nükleer reaksiyonlar üretmek için yavaşlatılmalıdırlar. Bir nükleer moderatör, nötronları fisyona neden olacak kadar düşük bir hıza yavaşlatan bir maddedir. Eski reaktörler, moderatör olarak yüksek saflıkta grafit kullanırlardı. Modern reaktörler genellikle moderatör olarak ağır su veya hafif su kullanırlar.

Nötronlar, hidrojen çekirdeklerine benzer bir boyuta sahip olduklarından, su moleküllerindeki hidrojen atomlarına çarptıklarında, önemli miktarda kinetik enerji kaybederler. Ağır su daha iyi bir moderatördür, çünkü döteryum zaten bir nötrona sahiptir ve hidrojen-1'in bazen yapacağı gibi başka bir nötronu emmesi olası değildir. Su ve grafit gibi moderatörler, nötronları çekirdekte eşit bir dağılımda tutmak için bir nötron reflektörü olarak da işlev görürler.

Nötron Kaynağı

Uranyum-238 ve uranyum-235 kendiliğinden parçalanmasına rağmen, süreç tahmin edilemez ve bu içsel kaynaklar çok az nötron üretir. Bu nedenle, bir reaktör fisyon zincir reaksiyonunu başlatmak için bir nötron yayıcı gerektirir. Zincir reaksiyonunun başlatılması için nötron üretmek üzere bir reaktöre amerikyum-249 veya plütonyum-239 gibi bir alfa yayıcı ile eşleştirilmiş berilyum-9 gibi bir nötron kaynağı monte edilir.

Kontrol Çubukları

Reaktörün güç seviyesi, k ile gösterilen nötron çarpma faktörü ile tanımlanır. Bir nesilde fisyon tarafından üretilen nötron sayısının, önceki nesilde fisyon tarafından üretilen nötron sayısına oranıdır.

k 1'den küçük olduğunda, reaktör subkritiktir ve enerji çıkışı azalır; k 1'e eşit olduğunda, reaktör kritiktir ve enerji çıkışı sabittir; ve k 1'den büyük olduğunda, reaktör süperkritiktir ve enerji çıkışı artar.

Nükleer reaktörler, zincir reaksiyon hızını güvenli bir seviyede tutan mevcut yavaş nötron sayısını ayarlayarak nükleer yakıtın fisyon oranını kontrol etmek için kontrol çubukları kullanır. Kontrol çubukları bor, kadmiyum, hafniyum veya nötronları emebilen diğer elementlerden yapılır.

Kontrol çubuğu tertibatları reaktör çekirdeğindeki yakıt elemanına yerleştirildiğinde, yavaş nötronların daha büyük bir kısmını emer, böylece fisyon reaksiyonunun hızını yavaşlatır ve üretilen gücü azaltır. Tersine, kontrol çubukları çıkarılırsa, daha az nötron emilir ve fisyon oranı ve enerji üretimi artar. Acil bir durumda, zincir reaksiyonu, tüm kontrol çubuklarını yakıt çubukları arasındaki nükleer çekirdeğe tamamen sokarak kapatılabilir.

Reaktör Soğutucuları

Basınçlı bir su reaktöründe, reaktör soğutma sıvısı, fisyon reaksiyonu tarafından üretilen ısıyı, elektriğe dönüştürüldüğü harici bir kazan ve türbine taşımak için kullanılır. Kirlenmiş soğutucunun buhar türbinine ve soğutma kulesine transferini önlemek için genellikle iki ısı değiştirici soğutma sıvısı döngüsü kullanılır. Çoğu zaman, su, bir soğutucu olarak kullanılır. Özel reaktörlerdeki diğer soğutucular arasında erimiş sodyum, kurşun, kurşun–bizmut karışımı veya erimiş tuzlar bulunur. Büyük, hiperboloid bir soğutma kulesi, ikincil soğutma devresindeki buharı yoğunlaştırır ve genellikle gerçek reaktörden biraz uzak bir mesafede bulunur.

Kalkan ve Muhafaza Sistemi

Basınçlı su reaktörleri, tipik olarak üç bölümden oluşan bir muhafaza sistemi (veya kalkan) ile donatılmıştır: (i) 3–20 santimetre kalınlığında bir çelik kabuk; kabuk içindeki moderatör, reaktör tarafından üretilen nötron radyasyonunun çoğunu emer; (ii) γ ışınlarını ve X ışınlarını emen 1–3 metre yüksek yoğunluklu betonun ana kalkanı; (iii), (i) ve (ii)'nin koruyucu işlemlerinden gelen radyasyonu emmek için ek koruma. Buna ek olarak, basınçlı su reaktörleri genellikle bir reaktör kazasında açığa çıkabilecek herhangi bir radyoaktif madde içerecek şekilde tasarlanmış bir çelik veya beton kubbe ile kaplıdır.

Bu netin bu kaynaktan uyarlanmıştır:Openstax, Chemistry 2e, Section 21.4: Transmutation and Nuclear Energy.