Derin Okuma — 4. Nesil Reaktörler

Shidao Körfezi’nde, sarı bir vinç ile gri bir kubbenin arasında kalan dar koridorda yürürken duyulan ses bir elektrik santralı için fazla sessizdir. Devasa buhar borularının titreşimi, yoğuşma tanklarının uğultusu yoktur. Onun yerine, helyum sızdırmaz bir çelik kabın içinde, ses hızına yakın dönen bir türbini fısıltıyla çevirir. Aralık 2023’te şebekeye bağlanan bu tesis, nükleer mühendisliğin yetmiş yıllık bir alışkanlığını kırdı. Elektrik üretmek için suyu kaynatmadı.

Nükleer enerji denince zihin otomatik olarak bir su ısıtıcısı çalıştırır. Reaktör kalbi çubuğu ısıtır, çubuk suyu kaynatır, buhar türbini döndürür. Dört nesil boyunca değişen reaktör tasarımlarının neredeyse tamamı bu zincirin bir varyasyonuydu. Dördüncü nesil ise suyu aradan çıkarır. Kalpten çıkan 750 santigrat derecelik helyum, doğrudan bir gaz türbinine çarpar. Aradaki ısı değiştirici, yoğuşturucu ve faz değişim kayıpları yok olur.

Termodinamik verimlilik, yani yakıttan alınan ısının ne kadarının elektriğe dönüştüğü, yüzde otuz üçlerden yüzde kırk beşin üzerine sıçrar. Aynı miktar uranyumdan kabaca üçte bir daha fazla elektrik demektir. Bir gigawatt-saat başına tüketilen yakıt üçte bir azalınca, altmış yıllık işletme ömrü boyunca ihtiyaç duyulan toplam uranyum miktarı yüzlerce ton düşer. Yakıt maliyeti nükleer elektriğin toplam maliyetinde küçük bir dilimdir, ama cevher piyasası sıkıştığında bu fark kendini hızla hissettirir.

Yakıtı top haline getirmek

Reaktör kalbinde uranyum dioksit peletleri zirkonyum tüpler içinde dizilmez. Bunun yerine, bir toz şekeri andıran uranyum dioksit tanecikleri, her biri ayrı bir basınçlı kap görevi görecek şekilde dört katmanla kaplanır. En içte, fisyon gazlarını emmesi ve yakıtın şişmesine alan tanıması için yüz mikrometre kalınlığında gözenekli bir karbon tampon yer alır. Hemen üzerine iç pirolitik karbon, ardından otuz beş mikrometrelik silisyum karbür ve en dışa kırk mikrometrelik dış pirolitik karbon gelir. Silisyum karbür katmanı, fisyon ürünlerini kaynağında hapseden asıl zırhtır ve bin altı yüz santigrat dereceye kadar helyum sızdırmaz. Kaplama işlemi, bir akışkan yatak reaktöründe kimyasal buhar biriktirme yoluyla, metan ve metiltriklorosilan gibi gazların bin üç yüz ile bin beş yüz santigrat derece arasında parçalanmasıyla yapılır. TRISO adı verilen bu kaplama teknolojisiyle, bir milimetreden küçük çapta seramik zırhlı mikro küreler ortaya çıkar.

Mikro kürelerden binlercesi grafit tozuyla karıştırılıp izostatik olarak preslenir ve altmış milimetre çapında tenis topu büyüklüğünde yakıt topları haline getirilir. Topun en dıştaki beş milimetrelik kabuk, yakıt içermeyen saf grafitten oluşur ve moderatör görevi görür. Reaktör kalbi bu toplarla doldurulmuş bir haznedir. Toplar yerçekimiyle aşağı doğru akar, hazneden sürekli olarak alınır. Çıkışta bir gama spektrometresi, her topun o ana kadar ulaştığı yanma seviyesini ölçer. Seksen gigawatt-gün bölü ton uranyum eşiğini geçmemiş toplar yeniden kalbin üstüne beslenirken, yeterince yananlar atık depolama hattına ayrılır.

Ortalama bir top kalp içinde altı ila on kez dolaşır. Çevrimiçi yakıt ikmali denilen bu süreç, reaktörü kapatmadan yakıt tazelemeyi mümkün kılar. Kapasite faktörü, yani tesisin tam güçte çalıştığı sürenin oranı yüzde doksan beşin üzerine çıkar. Hafif su reaktörlerinde her on sekiz ayda bir yapılan planlı çubuk değişim duruşları yüzünden aynı oran yüzde seksen beş dolayındadır.

TRISO kaplamanın gerçek başarısı, iç basınca dayanımında gizlidir. Zamanla mikro kürenin içinde fisyon gazları birikmeye başlar ve basınç onlarca megapaskala ulaşabilir. Silisyum karbür tabakasının çekme dayanımı iki yüz megapaskalı aştığı için, parçacık başına kırılma olasılığı yüz binde birin altında kalır. Klasik bir yakıt çubuğunun zirkonyum kılıfı bin iki yüz derecede suyla reaksiyona girip hidrojen üretirken, TRISO topu aynı sıcaklıkta yapısal bütünlüğünü korur. Fukushima Daiichi’deki erime senaryosunun tetikleyicisi tam da bu zirkonyum-su reaksiyonuydu. Dördüncü nesil reaktörlerin güvenlik iddiası, kazanın fiziksel olarak imkansız hale getirilmesi üzerine kuruludur. Yakitın kendisi erimezse, erime kazası da olmaz.

Soğutucu olarak helyum seçmenin bedeli

Suyu soğutucu olarak kullanmanın cazibesi açıktır. Yüksek ısı kapasitesi, pompalaması kolay, bol ve ucuz. Helum ise asal bir gazdır, nötronlarla reaksiyona girmez, radyoaktif olmaz ve faz değıştirmez. Anca helyumun hacimsel ısı taşıma kapasitesi suyun yaklaşık beşte biri kadardır. Aynı miktar ısıyı taşımak için helyumu yetmiş bar düzeyinde basınç altında ve saniyede otuz beş ile elli metre hızla dolaştırmak gerekir. Basınç düşüşü kalp boyunca yaklaşık yarım barı bulur ve bu kayıp, devridaim pompalarının tükettiği elektiriğe dönüşür.

İki yüz elli megawatt termal bir reaktörde helyum sirkülasyon pompaları kabaca beş ila sekiz megawatt güç çeker. Santralın net elektrik çıktısından yapılan bu kesinti, termodinamik verimlilik kazancını kısmen törpüler.

Helum sızdırmazlığı başlı başına bir mühendislik disiplinidir. Atomu küçük olduğundan, helyum molekülleri metalik contalardan bile difüze olabilir. Reaktör basınç kabı, helyum sirkülasyon pompaları ve ara ısı değiştiriciler, helyumun kaçmasını engelleyecek şekilde tasarlanmalıdır. Shidao Körfezi’ndeki reaktörün helyum envanteri sürekli izlenir ve sızıntı oranı günde yüzde sıfır nokta birin altında tutulur. Sızdırmazlık seviyesi, helyum tedarik maliyetini işletme bütçesinde ihmal edilebilir bir kalem haline getirir. Birincil devrede dolaşan helyum, grafit tozunun ve reaksiyon sonucu oluşan hidrojen, su buharı gibi safsızlıkların temizlenmesi için sürekli olarak bir saflaştırma ünitesinden geçirilir.

Moleküler elekler ve krıyojenik tuzaklar, helyumun kimyasal saflığını korur. Grafit tozu ise ayrı bir baş belasıdır. Yakıt toplarının sürtünmesiyle oluşan mikroskobik grafit parçacıkları, helyum akımıyla taşınarak türbin kanatçıklarını aşındırabilir ve teoride kırılmış bir TRISO parçacığından kaçan fisyon ürünleri için taşıyıcı işlevi görebilir. Filtreler bu riski sıfıra yakın tutar.

Helyumun bir diğer avantajı nötronik şeffaflığıdır. Su, nötronları yavaşlatır ve bir kısmını emer. Helyum ise nötronlarla neredeyse hiç etkileşmez. Reaktör kalbindeki nötron ekonomisi iyileşir, yani aynı miktar bölünebilir malzemeden daha fazla nötron zincirleme reaksiyona katılır. Yakıt yanma oranı, birim yakıttan alınan enerji miktaı, gigawatt-gün başına ton uranyum cinsinden yüzde elliye varan oranda artar. Kazanç, uranyum kullanımında doğrudan tasarruf anlamına gelir.

Üstelik helyum, yüksek sıcaklıkta dahi reaktör yapısal malzemeleriyle korozyona girmez. Nikel alaşımlı ısı değiştiricilerin 950 santigrat dereceye kadar kullanılabilmesi, ancak helyum gibi atıl bir ortamda mümkün olur.

Pasif güvenliğin metalürjik sınırları

Reaktör kontrol çubukları devre dışı kalsa ve tüm soğutma pompaları dursa bile, reaktör kalbi pasif olarak ısıyı dışarı atabilmelidir. Dördüncü nesil gaz soğutmalı reaktörlerde bu senaryo, kalbin etrafındaki grafit reflektör bloklarının ısıyı iletmesi ve reaktör kabının dış yüzeyinden radyasyonla çevreye yaymasıyla gerçekleşir. Hiçbir pompa, vana veya operatör müdahalesi gerekmez. Ani bir scram sonrası, fisyon zincirleme reaksiyonu mikrosaniyeler içinde durur ama fisyon ürünlerinin radyoaktif bozunumuyla açığa çıkan kalan ısı, ilk anda tam gücün yüzde altısı düzeyindedir ve saatler içinde yüzde bire doğru azalır.

Sıcaklık yükselişinin hızı, grafit moderatörün kütlesine bağlıdır. Shidao Körfezi reaktöründe kalp, yaklaşık dört yüz ton grafit içerir ve grafiti ısı kapasitesi kilogram başına yedi yüz jul dolayındadır. Tam güçte çalışırken ani bir soğutma kaybı durumunda, kalp sıcaklığı ilk bir saat içinde yaklaşık yüz elli santigrat derece yükselir ve sonra grafitin ısıl ataleti sayesinde plato yapar. Isının reaktör kabına ulaşması radyal yönde iletimle, oradan da çelik kabın dış yüzeyinden ışınımla beton kavite duvarlarına aktarılmasıyla gerçekleşir. Kavite duvarlarının arkasındaki hava kanalları, doğal taşınımla ısıyı atmosfere taşır. Sistemin hiçbir yerinde elektrikli bir fan ya da açılması gereken bir vana yoktur.

Mühendislik hesapları, sıcaklığın hiçbir senaryoda bin altı yüz dereceye ulaşmayacağını, tipik zirvenin bin dört yüz ila bin beş yüz santigrat derece arasında kalacağını gösterir. Bin altı yüz derece, TRISO yakıtının hasar eşiğidir. Japonya’daki HTTR ve Çin’deki HTR-10 deney reaktörlerinde gerçek soğutma kaybı testleri yapılmış, pompalar kasten durdurulmuş ve reaktör kendi kendine soğumuştur. Testlerde kalp sıcaklığı hesaplanan eğrilerle uyumlu olmuş ve hiçbir yakıt hasarı gözlenmiştir. Soğutma tamamen kaybolsa bile, yakıt toplarının içindeki mikro küreler bin altı yüz derecede yapısal bütünlüğünü koruduğu için, ortama yalnızca ihmal edilebilir miktarda fisyon gazı salınır. Erime kazası senaryosu, yakıtın formu tarafından fiziksel olarak engellenir.

Elektrikten öte, proses ısısı ve hidrojen

Dördüncü nesil reaktörleri asıl farklı kılan, ürettikleri ısının sıcaklığıdır. Hafif su reaktörleri yaklaşık üç yüz santigrat derecede ısı üretir. Sıcaklık elekrik üretmek için yeterlidir ama endüstriyel prosesler için değildir. Çelik üretiminde hidrojenle doğrudan indirgeme bin beş yüz, çimento üretimi bin dört yüz, etilen krakingi ise dokuz yüz derece civarında ısı ister. Yüksek sıcaklıklı gaz soğutmalı reaktörün çıkış sıcaklığı yedi yüz elli ile dokuz yüz elli santigrat derece arasındadır. Sıcaklık, birincil helyum devresinden ikincil bir helyum veya ergimiş tuz devresine aktarılırken, malzeme tarafında ciddi sınırlar devreye girir.

Yüksek sıcaklık ara ısı değiştiricileri (IHX), genellikle nikel-bazlı Alloy 617 gibi süper alaşımlardan imal edilir ve uzun süreli sürünme dayanımı, korozyon direnci birinci önceliktir. Dokuz yüz elli derecede on binlerce saat çalışabilen bu üniteler, henüz seri üretim seviyesinde değildir, ama HTR-PM gibi gösterim projeleri, buharı beş yüz derecenin üzerinde endüstriyel kullanıcıya teslim ederek öğrenme eğrisini başlatmıştır.

Sıcaklık, kükürt-iyot döngüsü denilen termokimyasal süreci çalıştırmak için yeterlidir. Kükürt-iyot döngüsü, suyu doğrudan ısıyla hidrojen ve oksijene ayırır. Sekiz yüz elli santigrat derecede sülfürik asit ayrışır, dört yüz elli derecede hidrojen iyodür parçalanır ve düşük sıcaklıkta Bunsen reaksiyonu döngüyü kapatır. Elektrolizden farklı olarak arada elektrik üretim adımı yoktur, dolayısıyla dönüşüm verimliliği teorik olarak yüzde ellinin üzerine çıkabilir. Bir ton hidrojen başına yaklaşık otuz beş megawatt-saat ısı enerjisi tüketilir. Aynı miktar hidrojeni elektrolizle üretmek için elli megawatt-saat elektrik gerekir ve bu elektriğin üretimi sırasında termik santralda yüzde altmış beşe varan kayıp yaşanır.

Döngünün ticari önündeki en büyük engel, iyot ve sülfürik asitin çelik alaşımlar üzerindeki aşındırıcı etkisidir. Pilot tesisler çalışmakta, ancak maliyet henüz doğalgaz buhar reformasyonuyla rekabet edememektedir.

Alternatif bir yol, yüksek sıcaklıklı buhar elektrolizidir. Katı oksit elektrolizörler sekiz yüz derecede su buharını doğrudan ayrıştırır ve reaktörden gelen hem ısı hem de elektriği birlikte kullanır. Isıdan elektriğe, elektrikten hidrojene iki aşamalı dönüşüm yerine tek adımda kaydadeğer bir verimlilik artışı sağlar.

Her iki durumda da, nükleer santralın müşterisi değişir. Elektrik şebekesi yerine bir amonyak tesisi, bir çelik fabrikası veya bir sentetik yakıt üreticisi ana alıcı olur. Nükleer enerji, karbonsuzlaştırılması en zor sektörlere girrer. Shidao Körfezi'nde iki reaktör modülünden biri halihazırda yakındaki petrokimya kompleksine yüksek basınçlı buhar vermekte, diğeri şebekeye elektrik satmaktadır. Esas sıçrama, ısıyı alan tesisin fosil yakıt kazanını kapatıp nükleer ısıya geçmesiyle yaşanacak.

Piyasa Hafızası. Shidao Körfezi ve ilk şebeke bağlantısı

6 Aralık 2023. Çin’in Shandong eyaletindeki Shidao Körfezi nükleer santralında, dünyanın ilk dördüncü nesil ticari reaktörü şebekeye elektrik vermeye başladı. HTR-PM adı verilen bu reaktör, iki yüz on megawatt termal güce ve yaklaşık yüz megawatt elektrik çıkışına sahip. Çin Huaneng Group, Tsinghua Üniversitesi ve Çin Nükleer Mühendislik Grubu’nun ortak projesi olan tesis, 2012’de temeli atıldıktan on bir yıl sonra kritik hale geldi.

Piyasa bu haberi neredeyse ıskaladı. Uranyum fiyatları hareket etmedi, nükleer ekipman üreticilerinin hisselerinde kayda değer bir sıçrama olmadı. Oysa HTR-PM’nin şebekeye bağlanması, nükleer enerjinin sadece elektrik değil, endüstriyel ısı da satabileceğinin ilk ticari kanıtıydı. Ders nettir, enerji dönüşümlerinde asıl kırılma, teknolojinin çalıştığı anda değil, yeni bir pazar açtığı anda fiyatlanır. Shidao Körfezi’nin asıl testi, önümüzdeki iki yıl içinde proses ısısı müşterisine bağlanıp bağlanamayacağıdır.

Küçük Bir Hesap

Sayılar temsili, mantık gerçek.

Hesap masasında elektrik ve proses ısısı gelirleri birbirine yakın görünür. Duyarlılık, doğalgaz fiyatından gelir. Doğalgazın MMBtu başına fiyatı on beş dolara çıktığında, proses ısısı geliri seksen dokuz milyan sıçrar ve elektrik satışını neredeyse ikiye katlar. Dördüncü nesil reaktörün ekonomisi, uranyum maliyetinden çok, rakip ısı kaynağının fiyatına endekslidir. Karbonsuz ısı piyasası derinleştikçe, bu reaktörlerin defter değeri değişir.

Nükleer düşünce tarzını yeniden kurmak

Birinci ders yakıt formundadır. TRISO kaplı parçacık, kazanın fiziksel imkansızlığını malzeme bilimiyle sağlar. Güvenlik, prosedürlerden ve yedek sistemlerden malzemenin kendisine taşınır.

İkinci ders soğutucudadır. Helyum, nötron ekonomisini iyileştirir ve yüksek sıcaklığa kapı arçar ama sızdırmazlık ve pompalama maliyetiyle gelir. Üçüncü ders müşteridedir. Dördüncü nesil reaktör, elektrik şebekesine değil, endüstriyel ısı pazarına optimiz edilmiştir. Rekabet ettiği şey rüzgar türbini değil, doğalgaz kazanıdır.

Nükleer enerji yetmiş yıl boyunca elektrik sayacının arkasına saklandı. Şimdi kazan dairesine giriyor, rafineri fırınlarını, çelik ark ocaklarını ve amonyak reaktörlerini ısıtıyor. Shidao Körfezi’nde helyum türbini dönmeye devam ediyor. Duyulan ses, nükleer enerjinin ikinci perdesinin açılış müziği.