Basınçlı su reaktörleri (PWR) en yaygın kullanılan reaktör türüdür. Dünyada ticari olarak kullanılan reaktörlerin hemen hemen yarıya yakını PWR'dır. PWR (Pressurized Water Reactor) Basınçlı Su Reaktörlerinin İngilizcesinin baş harflerinden oluşan bir kısaltmadır. Nükleer Teknolojide Basınçlı Su Reaktörlerine kısaca PWR dene gelmiştir. Bu tür reaktörlerde hem soğutucu hem de yavaşlatıcı olarak "su" kullanılmaktadır.

PWR türü reaktör tasarımı, ilk olarak Westinghouse Bettis Atom Enerjisi Laboratuarında ABD donanmasının nükleer denizaltı yapım programı sırasında düşünülmüştür. Ortaya çıkan projelere göre reaktörün prototipleri ilk önce karada inşa edilmiştir. İlk prototip olan STR MARK-I reaktörü 1953-Mart ayında çalışmaya başlamıştır. 2 yıl sonra, 30 Ekim 1954 tarihinde karada yapılan örneğine paralel olarak imal edilmiş ilk nükleer denizaltı Nautilus denize indirilmiştir.

PWR’ların denizaltı sistemlerinde başarıyla uygulanmasının ardından, elektrik enerjisi üretmek amacıyla da kullanılabileceği fikri oluşmuş ve 1957 yılının Aralık ayında ABD, 68 MW elektrik gücündeki Shippingport reaktörünü işletmeye alarak dünyanın ilk ticari PWR'ına sahip olmuştur. Bugün, 2006 yılı kasım ayı itibariyle dünyada 214 adet basınçlı su reaktörü (PWR) türü reaktör bulunmaktadır. Bunlardan yaklaşık 150 tanesi Fransa, Japonya ve ABD'de bulunmaktadır. Asea Brown Boveri - Combustion Engineering (ABB-CE), Framatome, Kraftwerk Union, Siemens, Mitsubishi, Babcock & Wilcox, AREVA, KEPCO firmaları PWR türü reaktörleri yapmış veya hali hazırda yapmakta olan şirketlerdir.

 

PWR’da Soğutucu Suyu Döngüleri

PWR'ler; 3 adet ana soğutucu suyu döngüsünden oluşmaktadır. Üretilen nükleer enerji ile birinci döngü soğutucu suyu ısıtılmakta, bu çok sıcak su buhar üretecine taşınmaktadır. Buhar üretecinde birinci döngü suyu yardımıyla ikinci döngüdeki su kaynatılmaktadır. İkinci döngüde oluşan yüksek enerjili buhar türbin kanatlarına çarparak türbinin dönmesi sağlamakta böylece jeneratörde elektrik enerjisi üretilmektedir. Denizden veya nehirden alınan soğuk sudan oluşan üçüncü döngü yardımıyla türbinden çıkan enerjisini kaybetmiş buhar, tekrar buhar üretecine göndermek amacıyla yoğuşturulmakta, yani suya dönüştürülmektedir.

Birinci Soğutma Suyu Döngüsü

PWR'larda birinci döngü basınç kabı, soğutucu suyu pompaları, basınçlandırıcı ve buhar üreteçleri ve bu bileşenler arasındaki borulardan oluşmaktadır.

Basınç kabının içinde reaktör kalbi diye adlandırılan bölgede bulunan nükleer yakıt demetlerindeki çekirdeklerin bölünme (fizyon) tepkimesine uğraması sonucunda enerji açığa çıkmaktadır. Bu enerji, soğutucu olarak kullanılan suyu ısıtmaktadır.

 

Soğutucu suyunun basınç kabına giriş ve çıkış sıcaklıları tasarıma göre değişmektedir, fakat bir fikir vermek amacıyla giriş sıcaklığı yaklaşık 290°C ve çıkış sıcaklığı ise yaklaşık 330°C civarında bulunmaktadır.

Reaktör basınç kabında sıcaklığı artan su buhar üretecine gönderilmektedir. Buhar üretecinde soğutucu suyu “ters U” şeklinde borulardan geçerek enerjisini ikinci soğutucu döngüsüne aktarmakta ve pompa yardımıyla tekrar basınç kabına geri dönmektedir. Bu şekilde sürekli devri daim halinde nükleer bölünme sonucunda oluşmuş enerji basınç kabından buhar üretecine taşınmaktadır.

Birinci döngü, soğutucu suyun buharlaşmaması amacıyla sürekli yüksek basınç altında tutulmaktadır. PWR’lardaki birinci su döngüsü basıncı yaklaşık 15–16.5 MPa seviyelerindedir (normal atmosfer basıncının 150–160 katı). Bunu sağlamak amacıyla döngü üzerine basınçlandırıcı eklenmiştir.

Birinci döngüdeki soğutma suyunun reaktör basınç kabı ile buhar üreteçleri arasında devri-daim etmesini sağlayan çok güçlü ve büyük pompalar bulunmaktadır. Bu pompalara “reaktör soğutucu suyu pompaları” adı verilmektedir.

 

Birinci döngü, reaktör tasarımına göre 2, 3 veya 4 buhar üretecinden oluşabilmektedir. Yanda örnek olarak 3 buhar üreteçli bir sitem gösterilmiştir. Her bir buhar üreteci yaklaşık 300 MW elektrik üretilmesine katkı yapacak kadar buhar üretmektedir. Dolayısıyla örneğin bir nükleer reaktörde 4 buhar üreteci varsa, reaktör yaklaşık 1200 MW gücünde olacaktır. Her buhar üreteci için bir soğutma suyu pompası olması gerekmektedir. Kaç tane buhar üreteci olursa olsun, sadece bir adet basınçlandırıcı bulunmaktadır. (Yandaki şekilde: 1-reaktör basınç kabı, 2- buhar üreteçleri, 3-ana soğutma suyu pompaları, 4-basınçlandırıcı).

Dört buhar üretecine sahip bir PWR’ın üstten görünüşü. Ortada reaktör basınç kabı, yanlarda da 4 adet buhar üretecinin üstten görünüşü.

İkinci Soğutma Suyu Döngüsü
PWR'ların ikinci döngüsü buhar üretecinin “buhar kısmı”, türbin-jeneratör sistemi, yoğuşturucu, pompa, ilgili boru ve diğer sistemlerinden oluşmak-tadır. PWR’ların ikinci döngü suyuna “besleme suyu” adı verilmektedir.

Buhar üretecinde oluşan yüksek kalitede ve yüksek basınçtaki buhar, borular yardımıyla türbin binasına getirilmekte, türbin düzeneğindeki türbinin kanatlarına çarparak dönmesine sebep olmaktadır. Dönmekte olan türbinin ucunda bulunan jeneratörde elektrik enerjisi oluşmaktadır. Enerjisini kaybeden buhar, yoğuşturucudan geçerken tekrar su haline dönüşmekte ve besleme suyu pompası yardımıyla ön ısıtıcılardan (şekilde gösterilmemiş) geçirildikten sonra tekrar buharlaşmak üzere buhar üretecine gönderilmektedir. Besleme suyunun ısıtılması, türbine gelen buharın çok küçük bir kısmının ön-ısıtıcılara yönlendirilmesi suretiyle gerçekleştirilmektedir.
 

Enerjisini türbin kanatlarında bırakan buhar ise türbinin hemen altında bulunan yoğuşturucuya girerek içinde denizden veya nehir suyundan alınan soğuk suyun dolandığı borulara çarpmakta ve bu boruların üzerinde yoğuşmaktadır (yani suya dönüşmektedir).

İkinci soğutucu döngüsü besleme suyu sistemi pompa yardımıyla devri daim edilerek buhar üretecinden alınan buhar sürekli olarak türbine, yoğuşturucudan alınan su da buhar üretecine taşınmaktadır.

Üçüncü Soğutma Suyu Döngüsü
Üçüncü soğutma suyu döngüsü yoğuşturucu, pompa veya soğuk su kaynağından oluşmaktadır. Soğuk su kaynağı olarak ya deniz ya da nehir suyu kullanılmaktadır. Denizden alınan su pompa yardımıyla yoğuşturucuya gönderilmektedir.

Bu soğuk su yoğuşturucu borularının içinden akarken, türbinden çıkan ve enerjisini kaybetmiş buhar boruların dışına çarpmakta ve boruların üzerinde yoğuşarak suya dönüşmekte, boruların üzerinden damlayarak yoğuşturucunun altındaki alanda toplanmaktadır.

Üçüncü döngü pompa yardımıyla deniz ile yoğuşturucu arasında sürekli devri daim etmektedir. Denizden alınan soğuk su biraz ısınmış olarak tekrar denize bırakılmaktadır.

Reaktör nehir kıyısına kutulmuş ise, nehir suyunun soğutma kapasitesi yeterli olmayabilmekte, bu gibi durumlarda üçüncü döngüye soğutma kuleleri de eklenebilmektedir.

Deniz kıyısına kurulmuş nükleer santrallerde çoğu zaman soğutma kulesi bulunmamaktadır.

PWR’larda Yakıt ve Kontrol Çubukları

PWR'lar yakıt olarak uranyum–235 izotopu açısından yaklaşık %3–5 seviyelerine zenginleştirilmiş uranyum kullanmaktadır. PWR yakıtı içi uranyum yakıt peletleri ile doldurulmuş 200–300 arası yakıt çubuğundan oluşan 14x14, 15x15 veya 17x17'lik demetler halinde düzenlenmiştir. Bu demetlerden 120–250 tanesi yan yana dizilerek silindire yakın şekle sahip bir yakıt bölgesi elde edilmektedir. Reaktör kalbi diye adlandırılan bu yakıt bölgesi 80–100 ton arası Uranyum içermektedir. PWR'larda uranyum-plütonyum karışımı yakıtların kullanılması çalışmaları sürdürülmektedir.

PWR'larda enerji üretimini kontrol etmek veya reaktörü kapatmak amacıyla reaktör kalbine tepeden sokulan ve nötronları yutma özelliğine sahip kontrol çubukları kullanılmaktadır. PWR’larda kontrol çubukları tipik olarak gümüş-indiyum-kadmiyum alaşımından imal edilmektedir. PWR’larda soğutucuna eklenen nötron yutan malzemeler olan “çözünür zehir (soluble poison)” yardımıyla, reaktör kalbinde üretilen güç yoğunluğu ayarlanabilmektedir. Bu amaçla nükleer terminolojide kısaca SOLBOR diye adlandırılan asit borik kullanılmaktadır. PWR’larda ayrıca reaktörün uzun vadede reaktör güç dağılımı düzenini sağlamak amacıyla yakıt peletlerine “sabit zehir (fixed poison)” denen nötron yutucu malzemeler de kullanılmaktadır.

PWR'lar ayrıca sadece acil durumlarda kullanılmak amacıyla tasarlanmış birçok güvenlik sistemi ile de donatılmıştır. Bunlar arasında yüksek ve alçak basınç kor soğutma sistemleri, koruma kabuğu sprey sistemi, kapalı haldeki reaktörden reaktör kalbinde bulunan radyoaktif maddelerden kaynaklanacak artık ısıyı uzun vadeli olarak taşımak amacıyla tasarımlanmış sistemler bulunmaktadır.

PWR'larda soğutucu suyu aynı zamanda yavaşlatıcı görevi de görmektedir.