TORYUM YAKIT DÖNGÜLÜ ERGİMİŞ TUZ HIZLI REAKTÖRÜ (MSFR) İLE İLGİLİ SON GELİŞMELER

Uzun bir geçmişi olan “Ergimiş Tuz Reaktörü (MSR)” ile ilgili 2004 yılında başlayan çalışmalar sonucu toryum yakıt döngüsü kullanan “Ergimiş Tuz Hızlı Reaktörü (MSFR)” önerisi geliştirilmiştir. Çalışmalar  Centre for Scientific Research (CNRS) Grenoble-France’da yapılmıştır.  2011 yılından başlayarak bir EURATOM projesi olan EVOL (Evaluation and Viability of Liquid Fuel Fast Reactor Systems) ve ROSATOM projesi olan MARS (Minor Actinides Recycling in Molten Salt) işbirliği MSFR önerisinin geliştirilmesine katkıda bulunmuştur.  Gelecek vaad eden bu proje Aralık 2017’de MAM’da yapılan çalıştayda bizlere tanıtılmıştır.  Son yapılan bir çalışma [1] bu güne kadar elde edilen ve olumlu bulunan sonuçların farklı kaynaklardan elde edilen sonuçlarla karşılaştırılmasını sağlamış ve sonuçların uyumluluğu MSFR ile ilgili olumlu sonuçların güvenilirliğini attırmıştır.   Önemi nedeniyle sizlere çalışma hakkında kısa bilgi vermek istedim.

Yapılan çalışma nötronik bechmark hazırlanmasıdır. Özelliği ise EVOL ve MARS projelerinde çalışan bilim insanlarının kullandıkları farklı veri setleri ve farklı bilgisayar programları kullanılarak  ayrı ayrı yapılan hesaplamalar ve bunların sonuçlarının karşılaştırılmışdır.  Dört farklı nötronik kod ile farklı veri setleri kullanılmıştır. Ayrıca, reaktör çalışma zamanı içersinde malzeme kompozisyonundaki değişimler de hesaplanmıştır.

Söz konusu çalışmada MSFR için iki farklı ilk yakıt yükleme düzeneği dikkate alınmıştır.  233U ve TRU.  İkincisi, yanma oranı 60 GWd/ton ile standart hafif sulu reaktörlerde (LWR) kullanılıp beş yıl saklandıktan sonra MSFR’a yüklendiği kabul edilen  UOX tipi kullanılmış yakıttır.  Bu yakıtın Trans Uranik çekirdek kompozisyonu aşağıda verilmiştir: Np 237- 6.3, Pu 238- 2.7, Pu 239- 45.9, Pu 240- 21.5, Pu 241-10.7, Pu 242- 6.7, Am 241- 3.4, Am 243-1.9,    Cm 244- 0.8, Cm 245- 0.1(mol%).

EVOL ve MARS projeleri çalışanları MSFR’ın nötronik hesaplarında kendilerinin geliştirdikleri de dahil olmak üzere farklı nümerik araçlar kullanmışlardır.  Oluşturulan benchmark’ın öncelikli hedefi sıvı yakıt ve hızlı nötron spektrumuna sahip MSFR kalbini simule etmekteki yeterliliği,  kullanılan farklı kodların yeterli ve geçerli olduğunun gösterilmesidir.  Reaktör kalbinin karakteristik büyüklüklerinin kullanılan farklı data setleri ile hesaplanarak, değerlerin data setlerine bağımlılığının incelenmesi de çalışmanın diğer hedefidir.  Her iki hedef başarı ile gerçekleştirilmiş ve çalışmanın sonuçlarından MSFR’ın diğer dördüncü nesil reaktör tasarımlarına nazaran üstün niteliklere sahip olduğu anlaşılmıstır.

[1]   “Neutronic benchmark of the molten salt fast reactor in the frame of the EVOL and MARS collaborative projects”.  Mariya Brovchenko, Jan-Leen Kloosterman, Lelio Luzzi, Elsa Merle, Daniel Heuer, Axel Laureau, Olga Feynberg, Victor Ignatiev, Manuele Aufiero, Antonio Cammi, Carlo Fiorina, Fabio Alcaro, Sandra Dulla, Piero Ravetto, Lodewijk Frima, Danny Lathouwers, Bruno Merk, EPJ Nuclear Sci. Technol. 5, 2 (2019).

                                                                                                  Şarman Gençay

                                                                                               Emekli Öğretim Üyesi

TEKNOLOJİNİN ÖZÜNÜ GÖZDEN KAÇIRMAK

Birkaç sayı önce “Herkese Bilim Teknoloji” dergisinde Prof.Dr.Ali Erdemir hakkında çok güzel haberler yer aldı. Ali Bey, ANL American Laboratuarının temel taşlarından biri olarak dünya çapında bir ilim ve teknoloji adamıdır. Kendisini 4-5 sene önce İstanbul Teknik Üniversitesi’nde verdiği “Sürtünmenin azaltılması, Triboloji ve Nano Teknoloji” konferansında tanıdım. Otomotiv sanayiinde piston ve tarağı arasındaki sürtünmeyi Coulomb kuvvetini kullanarak nasıl çok önemli oranda azaltmıştı. Pistonun en dış yüzünü hidrojeni bol (yani protonu bol) nano parçacıklarla kaplamış, yatağı bile hidrojeni bol malzeme ile kaplamaya lüzum kalmamış, orası da kendiliğinden kaplanmış. İki parça arasında hidrojenler (protonlar) birbirini aradaki mesafenin karesi ile ters orantılı olarak müthiş bir kuvvetle itmeye başlamışlar. Sürtünme müthiş düşmüş, motorun yağ yakması da azalmış. Ben senelerce, çekirdek içindeki protonların birbirlerini neden müthiş kuvvetlerle itmediklerini düşünüp durmuşumdur. Artı artıyı iter, artı eksiyi çeker. Nano teknolojide hidrojen (proton) bol malzemeler kaplama tekniği ile çok miktarda kullanılmaktadır. Bizde yerli otomobile babayiğit arandığı bu günlerde bu müthiş buluştan kimin haberi var? Ali Bey konferansında aramızda, bu salonda buluşun teorisini de yapan bir Türk araştırıcısının da bulunduğunu bizlere bildirdi. Ali Bey, konuşmasında Amerika’daki rüzgar enerjisini elektrik enerjisine çeviren büyük bir firmanın kendisini merkeze davet edip buluşunuzu bizim ürünlerimize de tatbik eder misiniz, çağrısında bulunduğunu da anlattı. Rüzgar türbününü jet kanatları ile karşılaştıran slaytı da bize gösterdi. Toplantı biter bitmez sorular kısmına gelindiğinde, parmağımı kaldırıp “Ali Bey, sizi Bursa’daki otomotiv sanayiine davet ettiler mi?” diye sordum. “Hayır, ah yarama bastınız” dedi. İçimden zaten yara bere içindeyiz dedim. Ali Bey soruma cevap verdikten sonra şöyle dedi “Ben Adana’lıyım, yarın uçakla Adana’ya uçup anneciğimin yaptığı enfes çiğ köfteyi yiyeceğim, ertesi günü Amerika’ya uçuyorum.”

Herkese Bilim Teknoloji dergisinde Prof.Dr. Ali Erdemir çok güzel bir şekilde tanıtılmış. Amerikan Bilim Akademisi’ne seçilmiş. Aldığı ödüller fotoğraflarla tanıtılmış. Aldığı çeşitli ödüllerde verilen meblağlar ayrı ayrı anlatılmış. Fakat hayret edersiniz, Ali Bey’in buluşunun ne olduğu hakkında bir kelime yok! Kaplama tekniği nasıl gerçekleştirildi? Teknoloji nedir? Sürtünme neden ve nasıl azalıyor? Teknolojinin özü gözden kaçmış. Biz teknolojiyi galiba sevmiyoruz, ne dersiniz?

Aile yakınlarımızdan Y.Müh. Muzaffer Canay da Ali Bey gibi Türkiye’nin yetiştirdiği ender yüksek mühendislerimizden biri. Prof. Cahit Arf’tan cebir dersi imtihanına girmeden önce 2-3 ders Muzaffer Ağabey’den ders almıştım. Bana çok faydası oldu. Muzaffer Ağabey genç yaşlarda Teknik Üniversite’de doçentlik imtihanına girdi ve çaktırıldı. Türkiye’yi terk etti. İsviçre’de Brown Boveri’de çok büyük başarılarla yıllarca çalıştı. O sıralarda Avrupa’da en büyük teknolojik ödül “Ettora Mayorana” ödülü idi. Her beş yılda bir Avrupa’da en başarılı çalışmaya verilirdi. 15 yıldan beri ödüle layık teknik adam bulunamamıştı. O sıralarda elektrik üreten güç jeneratörlerinde çok korkunç bir olay oluyordu. Jeneratör çok seçkin ve güzide büyük bir firma tarafından inşaa ediliyor ve fakat çok sık olmamakla beraber, arada sırada tam bitmiş devreye alınırken zınk edip duruyordu. Pırıl pırıl, muazzam, çok pahalı alet devreye alınamadan çöpe gidiyordu. Tamir edilmesi imkansızdı. Muzaffer Bey, çok seneler önce İsviçre’den İstanbul’a geldi ve bu problemin çözümünü 2-2,5 saatte anlattı. Ben bu toplantıda bulundum. Aletin değeri 1 milyar dolar civarındaydı. Muzaffer Ağabey bu 2,5 saatte bu aletin geometrisindeki ufak değişikliklerin malzemedeki ufak değişikliklerin bu olaya nasıl etki edeceğini çok açık ve seçik şekilde izah etti. Geometri ve malzemenin etkilenmeyeceği şartları bir bir irdeledi. Muzaffer Ağabey problemi çözmüştü. Gösterdiği şartlarda imal edilen güç jeneratöründe bu olay artık olmadı ve Ettore Mayorana ödülünün sahibi oldu.

Doç.Dr.Çetin ERTEK

26.02.2019

ELEKTRİK ÜRETİMİNDE ‘ŞİŞEDEN ÇIKACAK CİN !?’: NÜKLEER FÜZYON

Bin ton kömür ve CO₂ salınması yerine, iki kova sudan elektrik üretimi!!

Giriş

Hidrojen(H1), dötöron(H2) ve trityum (H3) gibi hafif elementlerin atom çekirdeklerinin,  çok yüksek basınç ve sıcaklıkta birbirleriyle kaynaşmasıyla,  yeni bir atom çekirdeğinin (örrneğin helyum) oluşmasına ‘nükleer füzyon’ deniyor ki, bu, milyarlarca yıldır  güneşte olagelen bir nükleer tepkime. Dünyamızdaki yaşamın ve her türlü enerjinin (fosil yakıtlar, biyokütle, rüzgar, güneş ve su enerjilerinin) ana kaynağı,  füzyon sonucu ortaya çıkan güneş ışınlarıyla sürebiliyor. Kaynaşan dötöron ve trityumun toplam kütlesi, bir nötronla birlikte ortaya çıkan helyum atom çekirdeğinin kütlesinden daha fazla olduğundan, bu kütle fazlalığı, Einstein’ın  E=mc² bağıntısıyla gösterilebileceği gibi, enerjiye dönüşüyor (Bkz.Şekil 1). Güneşin merkezinde füzyon, 200 milyar bar’lık çok yüksek bir basınçta ve 15 milyon derece (C) sıcaklıkta ortaya çkıyor.

Şekil 1:                                                                      

Yeryüzünde füzyon enerjisi, hidrojen bombası yapımında kullanılabildığı gibi, son yarım yüzyıldır  gelişmiş ülkelerin araştırma merkezlerinde bundan elektrik üretilebilmesi amacıyla yoğun araştırmalar yapılıyor. Füzyonda bir anda patlamalar şeklinde ortaya çıkacak büyük enerjinin, kontrollu olarak, zamana yayılarak dağılımı ve bunun yıl boyunca elektrik enerjisine dönüştürülebilmesi büyük zorluklar içeriyor. Bu nedenle, örneğin AB’de planlanan bütçenin 3 katını bulan 15 milyar Avro gibi büyük paralar harcanmasına rağmen, nükleer füzyon’dan elde edilecek elektriğin, şebekelere büyük miktarda verilebilmesinin 2050’den önce olamayacağını ilgili araştırıcılar açıklıyorlar.

Her ne kadar Lockheed şirketi,  füzyon enerjisinden 5-10 yıl içinde elektrik üretebileceklerini ya da ‘şişeden cini !’ çıkaracaklarını geçen Ekim ayında açıklamışlarsa /1/  da bunun, henüz uygulanabilirliği olamayacak bir kuram (teori) olabileceğini ve belki de, Lockheed’in araştırmaları için daha fazla destek sağlayabilmeyi amaçladıklarını, ilgili bilim adamları belirtiyorlar. Lockheed, ileride elektrik enerjisi üretimi için kimsenin kaygılanmasına gerek olmadığını, yılda 20 kg kadar deniz suyu yakıtıyla!! (trityum karışımlı), 1 milyon kg petrolden elde edilebilecek kadar enerji elde edilebileceğini web sitelerinde duyuruyor. Ancak Lockheed, 1 yıl sonra, 1 kamyon büyüklüğündeki ilk deneme reaktörünü ve 5 yıl sonra da elektrik üretimine geçebilecek 100 MW’lık bir ’prototip füzyon reaktörü’nü işletmeye açabileceğini açıklarken, füzyon reaktörlerinin, nükleer santrallar gibi, temel elektrik üretim reaktörü olarak devreye (şebekeye) alınabilmelerinin ancak 2050’de  gerçekleşebileceğini de belirtiyor/1/.

‘Nükleer füzyon’, nükleer santrallardaki ‘Nükleer Fisyon (ya da çekirdek bölünmesi)’ ile karıştırılmamalı. Nükleer fisyonda, uranyum 235 gibi ağır bir atom çekirdeğinin bölünerek ortaya iki farklı kütlede atom çekirdeğiyle birlikte enerji açığa çıkarken, nükleer füzyonda bunun tersi, hafif atom çekirdeklerinin kaynaşması sırasında enerji açığa çıkıyor /2/. Füzyon’la ortaya çıkan enerji, nükleer santrallarda fisyon’la ortaya çıkandan 3-4 kat daha fazla.

Güneşte, ancak 200 milyar bar’lık basınçta oluşan proton/proton kaynaşması, bu büyüklükte çok yüksek bir basınç yeryüzünde sağlanamayacağından, yapılmakta olan araştırmalarda, hidrojenin sırasıyla 1 ve 2 nötron fazlalığı olan döteron (H2)  ve trityum (H3) kullanılıyor. Bunun nedeni, bunların birbirleriyle kaynaşabilmesi için 2 bar’lık basınç yeterli oluyor, ancak 100 milyon derecelik sıcaklığın da sağlanması gerekiyor. Atom çekirdeklerinden oluşan ‘Plazma’, genellikle bir kap içinde, manyetik bir alanda tutularak, yüksek sıcaklıktaki plazmanın kaba değmesi önleniyor (Şekil 2).

Döteron özellikle deniz suyunda tükenmeyecek kadar çok var. Trityum ise, yerkabuğunda binlerce yıl yetebilecek kadar bulunan lityum’dan nükleer tepkimeyle elde edilebiliyor.

Şekil 2:

Şeklin açıklanması: Füzyon reaktörüne, döteron ve trityum’dan oluşan gaz enjekte ediliyor, mikro dalgalarla 100 milyon dereceye (C) yükseltilen sıcaklıktaki plazmada (mor) kaynaşan atom çekirdeklerinden helyum oluşurken, ortaya çıkan hızlı nötronlar enerjilerini, battaniyeye aktararak bunu ısıtıyorlar. Isı enerjisi, battaniyeyi çevreleyen borulardaki suya aktarılarak suyu buharlaştırıyor. Her çeşit elektrik santralında olduğu gibi buhar, türbinleri çeviriyor, türbinler de elektrik üretecini (jeneratör, dinamo) çevirerek elektrik üretiliyor.

Nükleer füzyonda, nükleer santrallarda ortaya çıkan radyoaktif maddelere oranla çok daha az ve çok daha kısa yarılanma süreli radyoaktif maddeler açığa çıkıyor. Bir füzyon reaktörünün radyoaktifliğinin 100 ile 500 yıl arasında giderilebileceği hesaplanıyor.

Sonuç

Bugün dünyada 1,3 milyar kişi herhangi bir enerjiden yararlanamıyor. 2050 yılında dünyanın enerji gereksiniminin bugünkünün iki katına çıkacağı kestiriliyor. Bugün dünyadaki 50.000 kömür santralına 1.200 adet yeni kömürlü santralın eklenmesi planlanıyor.Her yıl salınan 10 milyar ton!! CO₂ ve diğer gazların iklimi gitgide olumsuz etkilediği ise biliniyor. Yenilenebilir enerjiler (güneş, rüzgar, su) ileride de artan enerji gereksinimini, ne yazık ki, karşılayabilecek kapasitede ve günün her saatinde hazır değil. Bu nedenle, nükleerden çıkan Almanya’da bir dizi, kömürlü elektrik santralı yapılıyor /3/. Geliştirilen nükleer santralların da sayısının gitgide artmasına rağmen, uzun ömürlü radyoaktif atıklar ve kaza olasılığı sorunları ise gündemde.. Sonuç olarak, elektrik enerjisinin üretiminde bugün çıkmazda olan dünyada,  ileride füzyon reaktörleri düşünüldüğü gibi geliştirilebilirse, elektrik gereksinimine kalıcı bir çözüm getirilmiş olacaktır.  ITER bilimsel çalışmalarıyla ilgili olarak  yeni yayınlara bkz /örneğin 4 , 5/.

Not: 18.yüzyılda yaşamış, büyük fizikçi Newton’a ışıkla ilgili araştırmalar yaparken, güneş ışığının kaynağı sorulduğunda – onu Tanrı bilir, ben bilemem demiş! Zaten insanlık tarihi boyunca fiziğin henüz açıklayamadığı doğa olayları hep tanrılara havale edilmemiş midir? sonra da bunları fizik açıkladıkça, tanrıların sorumluluk alanlarından çıkarılarak, fiziğe aktarılmamış mıdır?

Yüksel Atakan, Dr.Fizik Y.Müh.,

 Almanya,

ybatakan@gmail.com

-------------------------

www.lockheedmartin.com/us/products/compact-fusion.html 

/2/ Radyasyon ve Sağlığımız? Nobel Yayınları, 2014, Y.Atakan, Syf:99 http://nobelyayin.com/detay.asp?u=4025  

/3/ Güneş, rüzgar, kömür ve nükleerden enerji üretiminde gerçek sorunlar, Y.Atakan,

 Bilim ve Gelecek, Ekim 2014

/4/ https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0029-5515/50/1/014002/meta

/5/ https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0920379613007448 (Lessons learnt from ITER safety & licensing for DEMO and future nuclear fusion facilities)