GAZ SOĞUTMALI REAKTÖRLER (MAGNOX/AGR)

Gaz soğutmalı reaktörler, ilk tasarımlanan ve inşa edilen türlerden bir tanesidir. İlk inşa edilme sebepleri askeri amaçla plütonyum üretmektir. Bu tür reaktörlerde RBMK’larda olduğu gibi yavaşlatıcı olarak grafit kullanılmaktadır. Bugüne kadar soğutucu olarak karbon dioksit, helyum ve hava kullanılmıştır. Gaz soğutmalı reaktörlerin en önemli avantajı, gazın suya oranla çok daha yüksek sıcaklıklara ısıtılabilmesi, böylece bu tür reaktörlerinin verimlerinin çok daha yüksek olmasıdır.

Bugüne kadar ABD, İngiltere, Fransa, Almanya, Çin gibi birçok ülke gaz soğutmalı reaktörlere ilgi göstermiştir. Gaz soğutmalı reaktörlere en büyük ilgiyi İngiltere göstermiş ve bu tür reaktörleri ticarileştirmek için büyük çaba sarf etmiştir. Bugün İngiltere’de halen gaz soğutmalı reaktörler ticari elektrik enerjisi üretmek amacıyla kullanmaktadır.

İlk gaz soğutmalı grafit reaktörü ABD’de Oak Ridge Ulusal laboratuarında X-10 tesislerinde 4 Kasım 1943 yılında askeri amaçlarla plütonyum üretmek amacıyla 9 ay gibi kısa bir süre içerisinde inşa edilmiştir. Bu reaktörü savaş sonrası barış döneminde inşa edilen ilk reaktör olan ve 1947 yılında hizmete alınan ABD-Brookhaven’de inşa edilen BGRR takip etmiştir.

Aynı yıl grafit yavaşlatıcılı deneysel düzeneği İngiltere’de hizmete girmiştir. İngiltere’deki bu reaktör, Avrupa kıtasındaki ilk reaktör unvanını kazanmıştır. Bu küçük çaplı deneysel düzenekleri takiben, 1948 yılında İngiliz deney reaktörü BEPO çalışmaya başlamıştır. 1950 yılında da 160 MW termal çıkış gücüne sahip Windscale plütonyum üretim reaktörleri devreye alınmıştır. Bu yıllara gaz soğutmalı grafit yavaşlatıcılı reaktörlerin deneysel dönemi gözü ile bakmak mümkündür.

1951-53 yılları arasında İngiltere elektrik üretmek amacıyla ticari gaz soğutmalı reaktörleri geliştirme çalışmalarına başlamıştır. Geliştirilen bu ilk reaktörlere MAGNOX adı verilmiştir. İlk MAGNOX santralleri 1956-60 yılları arasında hizmete alınan 4 ünitelik Calder Hall (toplam 240 MWe) ve yine 4 ünitelik Chapel Corss (toplam 240 MWe) nükleer santralleridir. Calder Hall ve Chapel Cross santrallerini, gaz soğutmalı reaktörlerin ticari prototipleri olarak değerlendirmek mümkündür.

Aynı yıllarda Fransa’da da grafit yavaşlatıcılı gaz soğutmalı reaktörler geliştirilmiştir. 1956-68 yılları arasında hava soğutmalı 1.7 MWe kapasiteli Marcoule G-1 reaktörü kurulup işletmeye alınmıştır. Fransa’nın ilk ticari gaz soğutmalı reaktörü Chinon A-1, 1957 yılında hizmete girmiştir. Bu ilk reaktörü takiben, Fransa bu tür reaktörlerden 7 ünite daha inşa etmiştir. Bunlar 1959 ve 1960 yıllarında şebekeye bağlanan Marcoule G-2 ve G-3 ve daha sonrakiler ise Chinon A-2 ve A-3; Saint Laurent A-1 ve A-2; Bugey 1 üniteleridir. Bugey 1’in elektrik çıkış gücü 540 MW olmuştur. Fransa’da bir aralar gaz soğutmalı reaktörler toplam 2375 MW elektrik kapasitesine ulaşmıştır. Fransa, 1960’lı yılların başında 480 MWe çıkış gücünde 1 ünite de İspanya’ya ithal etmiştir (Vandellos 1). Bugün Fransızların geliştirdiği gaz soğutmalı grafit yavaşlatıcılı reaktörlerin hepsi (İspanyadaki de dâhil) bu kapatılmış durumdadır. Marcoule G-1 ve G-2 hali hazırda sökülmüş, Chinon A1 de müzeye dönüştürülmüştür.

İngiltere’de ise bu reaktörler iki nesil olarak geliştirilmeye devam edilmiştir. İlk nesil reaktörler MAGNOX, ikinci nesil reaktörler ise AGR adıyla tanınmaktadır:

MAGNOX Tasarımı

İngiltere’de ilk nesil gaz soğutmalı grafit yavaşlatıcılı reaktörler 1956-71 yılları arasında devreye alınan MAGNOX reaktörleridir. MAGNOX’lardan grafit bloklarından oluşan dev bir reaktör kalbine sahip bulunmaktadır. Silindire yakın bir reaktör kalbi bölgesi oluşturabilmek için binlerce grafit blok üst üste ve yan yana yığılmıştır. Oluşan bu bölgede belirli sayıda dikey yakıt kanalı açılmıştır.

Bu kanalların sayısı inşa edilen ilk iki MAGNOX santralin ardından her santralde değişmiştir. Açılan kanallarda yakıt elemanları üst üste yerleştirilmektedir. Yakıt elemanları reaktörün ismini aldığı magnezyum-oksit (MAGNOX) alaşımı yakıt zarfı ile kaplanmış dökme doğal uranyum metalidir. Yakıt kanallarına yerleştirilen yakıt elemanı sayısı da santralden santrale farklılık göstermiştir.

Örneğin ilk inşa edilen Calder Hall reaktöründe 1696 kanalı ve kanal başına 5-6 yakıt elemanı kullanılırken, en son inşa edilen MAGNOX olan Wylfa’da 6156 yakıt kanalı ve kanal başına 8 yakıt elemanı kullanılmıştır. Yukarıdaki tabloda inşa edilen bütün MAGNOX’lar için ikiz ünitelerin sahip olduğu yakıt kanalları ve kanal başına kullanılan yakıt demeti sayıları listelenmektedir.

MAGNOX’larda soğutucu olarak kullanılan karbon dioksit gazı (CO2), gaz pompaları yardımıyla basınçlandırılarak kanalların altından girmekte, yakıtın üzerinden geçerek ısınmakta ve kanaları yukarıdan terk ederek buhar üreteçlerine gitmektedir. Buhar üreteçlerinden enerjisini ikinci döngüdeki suya aktararak, suyun buharlaşmasını sağlamaktadır. Oluşan buhar elektrik üretiminde kullanılmak üzere türbin adasına gönderilmektedir.

MAGNOX reaktörlerinin tasarımları, inşa edilen her yeni ünite ile birlikte zaman içerisinde önemli değişikliklere uğramıştır. Dolayısıyla birbirinin aynısı olan iki MAGNOX santrali bulmak mümkün değildir. Değişiklilikler arasında en önemlisi, inşa edilen ilk santrallerde çelik basınç kabı kullanılırken, son iki santralde (Oldbury ve Wylfa) ön-gerilmeli betonarme basınç kabının kullanılmasıdır.

İlk MAGNOX ünitelerinde kullanılan çelik basınç kabı, buhar üreteçlerine ve gaz pompalarına 2 metre çaplı dev bağlantı ağızları ile bağlanmıştır. Bu kap, betonarme bir bölme içerisine yerleştirilmiştir. Bu betonarme bölme, radyasyona karşı biyoloji zırh görevi görmektedir. Buhar üreteçleri bu biyolojik zırhın dışında bulunmaktadır.

İnşa edilen son iki MAGNOX santralinde ise ön-gerilmeli beton basınç kabı kullanılmıştır. Bu ünitelerde buhar üreteçleri bu beton yapının içersine yerleştirilmiş ve reaktör kalbi, gaz pompaları ve buhar üreteçlerinin bir arada aynı beton yapının içinde bulunduğu bütünleşmiş bir tasarım oluşturulmuştur. Yüksek sıcaklıktaki soğutucu gaza karşı betonarme kabı korumak ve soğutucu gazı her halükarda yapının içinde tutabilmek amaçlarıyla, betonarme yapının iç yüzeyi yalıtkan bir kaplama ile kaplanmıştır. Betonarme basınç kabı aynı zamanda radyasyon zırhı olarak da görev yapmaktadır.

MAGNOX’larda Yakıt

MAGNOX reaktörlerinde yakıt olarak doğal metal uranyum kullanılmaktadır. Uranyum metalinin yakıt elemanları şekilde dökümü yapılmakta ve işlenerek yakıt elemanı şekline getirilmektedir. Daha sonra magnezyum-alüminyum alaşımı (MAGNOX) ile kaplanarak reaktörlerde yakıt elemanı olarak kullanılmaya hazır hale getirilmektedir (magnezyum-alüminyum alaşımı yakıt zarfı görevini görmektedir). MAGNOX’lar için yakıt elemanlarının şekli, inşa edilen her ünite için zaman içinde değişiklikler göstermiştir. Fakat genel olarak üzerleri girintili çıkıntılı bir şekildedir ve omurgalardan oluşmuştur. Bu girintili çıkıntılı yapı ve omurgalar, yakıt elemanının daha sağlam olmasına sebep olmakta ve gaz soğutucu ile olacak ısı transferi alanını arttırarak daha yüksek ısı transferi katsayılarına ulaşılmasını sağlamaktadır. Tipik bir MAGNOX yakıt elemanının boyutu 0.9 metre civarındadır.

MAGNOX’larda belirli aralıklar yakıt değiştirilmesi yapılması gerekmektedir. Yakıt elemanları reaktörde yaklaşık ortalama 5-7 yıl arası bir süre kullanılabilmektedir. Yakıt değiştirme (aynen RBMK ve CANDU türü santrallerde olduğu gibi) özel olarak geliştirilmiş bir yakıt değiştirme makinesi yardımıyla gerçekleştirilmektedir. Bu makine reaktör tam güçte çalışırken yakıt değiştirme işlemini gerçekleştirebilmekte, yakıtın değiştirilmesi için reaktörün kapatılması gerekmemektedir.

MAGNOX’larda yaklaşık 100 civarında kanal da bor emdirilmiş çelik içeren kontrol çubuklarının hareketi için ayrılmış bulunmaktadır. Aslında her MANGOX santralde kontrol çubuklarının sayısı da değişmiştir (bunların sayısı yukarıdaki tabloda verilmektedir). Kontrol çubukları elektrikli motorlar yardımıyla hareket ettirilmektedir. Elektrik sisteminde bir problem oluştuğunda, kontrol çubukları yer çekimi ile otomatik olarak düşmektedir. MAGNOX’larda ayrıca bor boncukları veya toz bor enjekte eden ikinci bir kapatma sistemi daha bulunmaktadır.

İngilizler, Japonlara ve İtalyanlara da birer adet MAGNOX reaktörü ithal etmiştir. İngilizler İtalya’ya ithal edilen ünitenin adına Latina denmiştir. 1958 yılında inşaatına başlanan ve 1963 yılında işletmeye alınan Latina, İtalya’da Çernobil kazasının ardından yapılan halk oylamasının ardından diğer nükleer santrallerle beraber 1987 yılında kapatılmıştır. Japonya’daki MAGNOX’a Tokai-1 adı verilmiştir. 1961 yılında inşaatına başlanan ve 1965 yılında işletmeye alınan Tokai-1, işletme ömrünün sonunda 1998 yılında kapatılmıştır.

AGR

AGR’lere (Advanced Gas-Cooled Reactor) ikinci nesil gaz soğutmalı reaktörler gözü ile bakmak mümkündür. Bu modelin prototip reaktörü olan 36 MW brüt elektrik kapasiteli Windscale, 1963 yılında şebekeye bağlanmış ve Nisan 1981’de kapatılmıştır.

AGR’lerde çok daha yüksek yakıt ve soğutucu sıcaklıklarına ulaşılmaktadır. Dolayısıyla bu modellerin verimleri MAGNOX’lara oranla daha yüksektir. AGR’lerin de aynen MAGNOX’lar gibi kurulan yeni santrallerle beraber tasarımları geliştirilmiş ve farklılaştırılmıştır. Her AGR reaktörü 600-660 MWe kapasiteli ikiz ünitelerden oluşmaktadır. Bugün İngiltere’de hali hazırda 7 adet ikiz AGR ünitesi işletme halinde bulunmaktadır. AGR’ler yoğun olarak 1967-89 yılları arasında inşa edilmiştir. İlk inşa edilen ikiz ünite Hinkley Point B 1976-77 yıllarında işletmeye alınmıştır. En son hizmete alınan ise 1988-89 tarihlerinde şebekeye bağlanan Torness reaktörüdür. Prototiple beraber toplam 15 AGR ünitesi inşa edilmiştir. Bundan sonra ne İngiltere’de ne de dünyadaki başka bir ülkede AGR ünitelerinin yapılması beklenmemektedir.

AGR’nin reaktör kalbi bölgesi, kavramsal olarak MAGNOX reaktörleri ile aynıdır. Silindire yakın grafit yavaşlatıcıdan oluşan bir reaktör kalbi bölgesine sahiptir. Grafit bloklar üst üste ve yan yana dizilerek 16 köşeli (silindir şekline yakın) bir reaktör kalbi bölgesi elde edilmektedir.

AGR’lerde grafit ortamda açılan yakıt kanallarının sayısı MAGNOX’larda olduğu gibi binlerce değil sadece birkaç yüzdür. Bu grafit bloklar içinde açılmış yakıt kanalları yaklaşık 23 cm çapa sahiptir ve aşağıdan yukarıya doğru uzanmaktadır. Enerjinin üretildiği aktif bölge yaklaşık 10 grafik bloğu yüksekliğindedir. Aktif bölgeyi çevreleyen nötron yansıtacı (reklektörü) ve zırh görevini üstlenen üst, alt ve yan grafit blokları bölgeleri de bulunmaktadır. Reaktör aktif bölgesi, üst alt ve yan bölgeleri de dahil, reaktör kalbi toplam 6000 grafit bloktan oluşmak-tadır.


 

Bu kanallarda 7 veya 8 yakıt demeti üst üste yerleştirilmiştir. Kanallardaki yakıt demetleri ortadan geçen nikel/krom alaşımı çubuklarla birbirine tutturulmuştur. Her yakıt kanalında, bir üst kapak kullanılarak “yakıt değiştirme holü” olarak kullanılan reaktör kalbinin üst bölgesi oluşturulmaktadır. (Yandaki şekilde daire şeklinde olanlar yakıt kanalları, yıldız şeklinde olanlar üst kapak yuvaları)

AGR’lerde reaktör silindir şeklinde ön-gerilmeli beton bir basınç kabının içine yerleştirilmiştir. Basınç kabının iç yüksekliği tipik olarak 22 metre, iç çapı 20 metre ve duvar kalınlığı da 5.8 metre civarındadır (bu değerler santralden santrale farklılık göstermektedir). Bu beton yapı içinden geçen çelik kirişler yardımıyla güçlendirilmiş ve ön-gerilmeli hale getirilmiştir. Betonun yüzeyi yalıtkan çelik kaplama ile kaplanmıştır. Beton kabı iç bölgelerine yerleştirilen soğutma sistemi yardımıyla beton yapı sürekli soğutulmaktadır. Bu basınç kabı hem soğutucuya gazına ev sahipliği yapmakta, hem radyasyona karşı zırh görevini görmekte, hem de koruma kabuğu olarak işlev görmektedir.

Betonarme basınç kabının içinde, reaktör kalbi, buhar üreteçleri ve soğutucu gazı pompaları bütünleşmiş hale getirilmiştir. Reaktör kalbi bölgesinin çapı yaklaşık 12 metre ve yüksekliği ise yaklaşık 10 metredir (onaltıgen yapıda).

Soğutucu gazı pompaları, karbon dioksit gazını reaktör kalbine basmaktadır. AGR’lerde her santraldeki değerleri farklı bile olsa tipik olarak karbon dioksit 4.2 MPa basınçta reaktör kalbine 298 °C’de girmekte ve 640 °C’de çıkmaktadır. Buhar üretecinde ikinci döngü suyu buharlaştırılarak, 541 °C’de 166 bar basınçta kızgın buhar oluşmaktadır. Oluşan buhar türbine gönderilmekte ve yaklaşık 157 °C’de sıcaklıkla besleme suyu pompaları yardımıyla buhar üreteçlerine geri dönmektedir. AGR’lerde buhar üreteçlerinin sayısı 2, 4, 8 veya 12 olmuştur (her santralde farklı). Tipik olarak 8 adet de ana soğutucu gazı pompası kullanılmıştır.

AGR’lerde Yakıt

AGR’lerdeki yakıt tasarımı MAGNOX’larınkinden çok farklıdır. AGR’lerde daha yüksek sıcaklıklara çıkıldığından, yakıt olarak yüksek sıcaklıklara karşı daha dayanıklı bir malzeme olan uranyum dioksitin ve yakıt zarfı malzemesi olarak da paslanmaz çeliğin kullanılması gerekmiştir.

Paslanmaz çeliğin nötronları yutma özelliğinden dolayıda uranyum’un zenginleştirilmesine ihtiyaç duyulmuştur. AGR %2.5-3.5 arasında uranyum-235 açısından zenginleştirilmiş uranyum dioksit yakıt peletleri kullanmaktadır. Bu peletlerden 64 tanesi paslanmaz çelikten imal edilmiş boruların içine doldurularak yakıt çubukları haline getirilmektedir. Bu yakıt çubuklarından 36 tanesi grafit kılıflın içerinde destek ızgaraları ile bir araya getirilerek yakıt demetleri oluşturulmaktadır. AGR’lerde yakıt demetleri yaklaşık 1 metre uzunluğa sahip bulunmaktadır.

AGR’lerde de aynen MAGNOX’larda olduğu gibi özel tasarımlanmış yakıt değiştirme makineleri yardımıyla, reaktör tam güçte çalışırken yakıt değiştirme yapılabilmekte, yakıt değiştirme için reaktörün kapatılması gerekmemektedir.

AGR’lerde yakıt kanalları dışında, kontrol çubuklarının hareket edebilmesi için de genelde 80-90 civarında kontrol çubuğu kanalı bulunmaktadır. Kontrol çubukları MAGNOX’un-kiler gibi bor emdirilmiş paslanmaz çelikten imal edilmektedir. AGR’lerde kontrol çubukları genellikle 4 grup olarak düzenlenmiştir. Bunların yarısı reaktör kapatma sistemi olarak, diğer yarısı da reaktörde güç dağılımını düzenlemek amacıyla kullanılmaktadır.

AGR’lerde ayrıca tamamen bağımsız, reaktör kalbine alttan yüksek basınçta azot gazı basan ve nötron yutucu bor boncuklar enjekte eden kapatma sistemleri de bulunmaktadır. Bu sistemler, kontrol çubuklarından oluşan kapatma sistemi görevini yapamadığı durumlarda otomatikman devreye girecek şekilde düzenlenmiştir. AGR’lerde grafit gövdenin üzerinde bu amaçla da kanallar açılmıştır.

AGR’lerde ayrıca grafit bloklar üzerinde ölçü-kontrol aygıtları için de kanallar bulunmaktadır.
 

Yüksek Sıcaklıklı Gaz Soğutmalı Reaktörler (HTGR)

Hem MAGNOX, hem de AGR türü ticari reaktörlerin bir daha inşa edilmeyeceği düşünülmektedir. Fakat gaz soğutmalı reaktörleri geliştirme çalışmalarına biraz daha farklı bir kulvarda halen devam edilmektedir. Hali hazırda en çok gelecek vadeden gaz soğutmalı reaktör tasarımı yüksek sıcaklıklı gaz soğutmalı reaktörler adı verilen ve kısaca HTGR olarak ifade edilen tasarımlardır. Bu tasarımlar soğutucu olarak Helyum gazını kullanmakta ve reaktör içinde çok yüksek soğutucu sıcaklıklarına ulaşılabilmektedir. Bu tür reaktörler sadece elektrik üretmek için değil, sanayiye yönelik ısı enerjisi üretmek amacıyla da öngörülmektedir. Gelecekte kullanılması öngörülen sanayi uygulamaları arasında sudan hidrojen gazı üretmek bulunaktadır ve gelecekte hidrojenin petrolün yerini alabileceği düşünülmektedir.

Geliştirilmekte olan bazı HTGR’larda soğutucu gaz doğrudan gaz türbinlerine gönderilmekte ve ikinci bir ara döngü kullanılmamaktadır. Diğer bazı tasarımlarda ise helyum gazı buhar üretecinde enerjisini ikinci döngü suyuna aktararak suyun buharlaşmasını sağlamakta ve buhar türbine gönderilmektedir. Bir başka tasarımda ise helyum ısı değiştiricisinde enerjisini ikinci döngüdeki azot gazına aktarmakta, azot ise gaz türbinini döndürmektedir.

En meşhur HTGR, ABD’de kurulan Forst Saint Vrain reaktörüdür. Bu reaktör 1974-89 arasında işletmede kalmıştır.

Özellikle Almanya’da da HTGR’lar üzerinde önemli çalışmaları olmuş ve çok farklı bir yakıt sistemine sahip çakıl taşlı reaktör tasarımı geliştirmiştir. Almanlar 1967-88 arasında 15 MWe’lik AVR Juelich adlı HTGR deney reaktörünü, 1985-89 yılları arasında da 300 MWe’lik THTR adlı ticari prototip HTGR reaktörünü işletmişlerdir. THTR reaktörü bazı tasarım özellikleri nedeniyle başarısızlıkla sonuçlanmış ve beklenenden çok önce kapatılması gerekmiştir.

Küçük araştırma HTGR reaktörleri Japonya ve Çin’de de bulunmaktadır. Ticari HTGR tasarımları Çin, Güney Afrika, ABD, Hollanda ve Fransa’da geliştirilmeye çalışılmaktadır. Fakat bu tür daha henüz başarıyla ticarileştirilememiştir.

Gaz soğutmalı reaktörlerin diğer türlere göre bazı avantajları bulunmaktadır. Bunlar arasında, soğutucu nedeniyle yapısal malzemeler ve yakıt üzerinde oluşan aşınma ve paslanmanın en düşük düzeyde olması, soğutucunun ucuz olması ve çok az nötron yutması, soğutucunun çok yüksek sıcaklıklara çıkabilmesi ve dolayısıyla santral veriminin nispeten yüksek olması, gaz türbinleri kullanarak ikinci bir aracı döngü olmadan doğrudan elektrik üretilebilmesi, yakıt değiştirmek için santralin kapatılmasının gerekmemesi, santral tam güçteyken yakıt değiştirme gerçekleştirilebilmesi, MAGNOX’larda doğal uranyum yakıt kullanılması bulunmaktadır.

Dezavantajları arasında ise reaktör kabının ve ısı değiştirişlerinin çok büyük ve pahalı olması, ısı aktarım katsayısının düşük olması, soğutucunun basınçlandırılmasının gerekmesi, güç yoğunluğunun düşük olması bulunmaktadır. MAGNOX ve AGR’lerde reaktör kalbi bölümünün, diğer reaktör türlerine göre oldukça büyük olması nedeniyle betonarme reaktör kabının, santral sahasında imal edilmesi gerekmektedir. Ayrıca, reaktör kabı ve binlerce grafit blok, zaman içinde aşınmakta ve bunların değiştirilmesi de mümkün olmamaktadır.