I. ULUSAL PARÇACIK HIZLANDIRICILARI VE UYGULAMALARI KONGRESİ 25-26 EKİM 2001, TAEK, ANKARA

NÜKLEER YAKIT ÜRETİMİ VE NÜKLEER ATIK DÖNÜŞÜMÜNDE HIZLANDIRICI KAYNAKLI SİSTEMLE FÜZYON-FİSYON (HİBRİD) SİSTEMLERİN KARŞILAŞTIRILMASI

Adnan SÖZEN, H.Mehmet ŞAHİN, Mustafa ÜBEYLİ

Gazi Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi Makine Bölümü, Enerji Anabilim Dalı

06500, Beşevler, Ankara

ÖZET

Konvansiyonel nükleer reaktörlerde nükleer enerji üretimi için gerekli olan yakıt üretiminin ve nükleer atıkların dönüşümlerinin yapılması için iki farklı sistem üzerinde çalışılmaktadır. Bunlardan birincisi füzyon kaynaklı füzyon-fisyon hibrid reaktörleri, ikincisi ise hızlandırıcı kaynaklı sistemlerdir. Bu çalışmada iki sistemin karşılaştırılması sunulmaktadır.

Anahtar Kelimeler: Hızlandırıcı, Hibrid reaktörler, nükleer yakıt.

COMPARISON OF ACCELERATOR DRIVEN SYSTEM WITH FUSION-FISSION (HYBRID) SYSTEMS IN PRODUCTION OF NUCLEAR FUEL AND TRANSMUTATION OF NUCLEAR WASTES

        ABSTRACT

        Two different systems have been studied for transmutation of nuclear wastes and nuclear fuel necessary for nuclear energy production in conventional reactors. First of these systems is fusion driven fusion-fission hybrid reactors and second one is accelerator driven systems. In this study, comparison of these two systems are presented.

Key words: Accelerator, hybrid reactors, nuclear fuel.

1. GİRİŞ

        Konvansiyonel nükleer reaktörlerde nükleer enerji üretimi için gerekli olan yakıt üretiminin ve nükleer atıkların dönüşümlerinin yapılması için iki farklı sistem üzerinde çalışılmaktadır. Sadece fisil olmayan (harici) nötron kaynakları, çok iyi kurulmuş LWR (Hafif Su Reaktörü) teknolojisi üzerine kurulu nükleer enerji üretimi için gerekli miktarda nükleer yakıt sağlayabilir. Fisil yakıt üreticileri olarak iki ana zengin nötron kaynağı mevcuttur.

Bunlar:

1) (D,T) veya (D,D) füzyon reaksiyonları üzerine kurulu füzyon reaktörleri,

2) Oldukça yüksek enerjili protonların (1 GeV civarında) bombardımanı altında, ağır çekirdeğin parçalanması temeline dayanan elektro-nükleer besleyiciler.

Fisil yakıt üretilmesi, nükleer atıkların dönüşümünün yapılması ve aynı zamanda enerji üretilmesi için iki sistem üzerinde çalışmalar yapılmaktadır. Bunlar füzyon kaynaklı füzyon-fisyon hibrid reaktörleri ile hızlandırıcı kaynaklı hibrid reaktörlerdir.

2. FÜZYON-FİSYON HİBRİD SİSTEMİ

Füzyon-fisyon hibrid sistemi, füzyon ve fisyon işlemlerinin bir kombinasyonu olup, özellikleri birbirlerini tamamlar. Hibrid reaktör, yüksek orandaki füzyon nötronlarının yakalanmasıyla füzyon plazmayı çevreleyen mantodaki fertil malzemelerin (²³⁸U veya ²³²Th) fisil malzemelere (²³⁹Pu veya ²³³U) dönüşümü prensibine dayanır. Fertil malzemelerin önemli bir miktarı özellikle yüksek enerjili (14 MeV) D-T nötronların ışıması altında fisyona uğrayabilir. Hibrid reaktörün bir diğer potansiyeli ise yüksek etkinlikle aktinitleri yakmasıdır. Aktinitler, LWR(Hafif Su reaktörü)’lerde radyoaktif malzeme olarak önemli miktarlarda üretilmektedirler. Oldukça yüksek enerjili füzyon nötronları, bunların çoğunu değerli bir yakıt olarak yakabilmekte ve bazılarını yeni çok yüksek nükleer kalitede transplutonyum fisil malzemesine dönüştürebilmektedir. Hızlı bir besleyici, başlangıç için değerli plutonyum malzemesine ihtiyaç duyarken, hibrid reaktör doğal veya harcanmış uranyum ve toryumu kullanır. Hibrid reaktörün bir diğer avantajı ise, LWR’lerin harcanmış yakıtını gençleştirerek, yakıt çevrim prosedürünü ortadan kaldırmasıdır. Aynı zamanda, plutonyum izotoplarının oluşumu devam ederken, belli bir ışıma periyodundan sonra harcanmış yakıtın fisil stoku LWR’nin yeni yakıt şarjı seviyesine getirilecektir(1).

3. HIZLANDIRICI KAYNAKLI SİSTEM

Hızlandırıcı kaynaklı sistemde, yüksek enerjili yüklü parçacıklar, tercihen protonlar hedef malzeme olarak seçilen ağır metali bomdardıman etmek için kullanılmaktadır. Bu sayede oldukça yüksek enerjili nötronlar açığa çıkarılmaktadır. Yüksek enerjili nötronlar hedef malzemeyi çevreleyen yakıt bölgesindeki fertil malzemelerin fisil malzemelere dönüşmesini ve aynı zamanda fisyon yapmalarını sağlamaktadır. Rubbia'nın tanımladığı hızlandırıcı kaynaklı hibrid reaktör ise, yüksek yoğunlukta 1 GeV'luk proton hızlandırıcının direk olarak bağlandığı toryum ağırlıklı yakıt karışımı kullanan, kurşun-soğutmalı ve kritikaltı bir nükleer reaktörü içerir. Hızlandırıcılı sistemlerde, sürekli veya sık sık yakıtın yeniden işlenmesini gerektirmeksizin uzun dönem reaktör çalışması boyunca sabit çoğalım faktörünün güvenliği için hızlı nötronların kullanımı gerekmektedir. Hızlandırıcı tarafından üretilen nötronlar reaktör kontrolü için gerekli olan gecikmiş nötronlara olan gereksinimi azaltmaktadır. Hızlandırıcılı hibrid reaktörler de, enerji üretimi için değişik yakıtların kullanımını sağlamaktadır ve günümüz termal reaktörlerinde üretilen aktinitlerin dönüşümüne izin vermektedir. Şekil 1 hibrid reaktör dizaynının tasarımını şematik olarak göstermektedir. Nötronlar 15 cm yarıçapında, 50 cm  yüksekliğinde, kalın, doğal ve silindirik bir Pb hedefine gelen 1 GeV'luk proton ışını tarafından üretilmektedir. Yakıt bölgesi kurşunu soğutucu olarak kullanan 25 cm genişlikte hekzagon olarak düzenlenmiş 3.8 mm yarıçapında çelik iğneler içerir(2).

Şekil 1. Hızlandırıcı kaynaklı hibrid reaktör dizaynının şematik görünüşü (2)

3. İKİ SİSTEMİN KARŞILAŞTIRILMASI

Şekil 2 ve 3'te hızlandırıcı kaynaklı bir sistemle füzyon-fisyon (hibrid) sisteminde üretilen ²³³U ve ²³⁹Pu miktarlarının zamana göre değişimi verilmektedir. Her iki sistemde de üretken ²³²Th ve ²³⁸U yakıtlarından önemli miktarda fisil ²³³U ve ²³⁹Pu yakıtları üretilmektedir.

Şekil 2. Değişik yakıt şarjlarında hızlandırıcı kaynaklı sistemde a) ²³⁹Pu miktarının b) ²³³U miktarının zamana göre değişimi (2)

²³³U üretim miktarı her iki sistemde de zamanla azalmaktadır. ²³⁹Pu üretimi ise hızlandırıcı sistemde artarken hibrid sistemde azalmaktadır.

Şekil 3. Füzyon-fisyon hibrid sisteminde a) ²³³U miktarının b) ²³⁹Pu miktarının zamana göre değişimi(3,4)

Bu farklılık hızlandırıcı sistemdeki nötron spektrumunun hibrid sistemdekinden daha sert bir yapıda olmasından kaynaklanmaktadır. Hibrid sistemde ²³⁹Pu aynı zamanda düşük enerjili nötronlarla fisyona uğrarken, hızlandırıcılı sistemde daha yüksek enerjili nötronlardan dolayı fisyona uğraması çok daha az olmaktadır.

Dolayısıyla ²³⁹Pu üretimi hızlandırıcılı sistemde zamanla artmaktadır. Ayrıca her iki sistemde konvansiyonel reaktörlerden elde edilen harcanmış yakıtın gençleştirme işlemleri yapılarak dönüşümleri sağlanmakta ve bu yolla enerji üretimi yapılabilmektedir. Harcanmış yakıtlarda yüksek enerjili nötronlar altında fisyon tesir kesitleri çok büyük olan minör aktinitler bulunmaktadır. Hızlandırıcılı ve hibrid sistemle harcanmış yakıtların fisyona uğratılarak enerji elde edilmesi mümkündür. Örneğin PWR(Basınçlı Su Reaktörü) atığındaki TRU(transuranik elementleri)'da bulunan enerji yaklaşık olarak PWR'de üretilen miktarın %40'ıdır. Özellikle hızlandırıcılarda, toryumla karışık TRU'nun yakıt olarak kullanımı genel bir strateji olarak düşünülmektedir (5).

4. SONUÇLAR VE İRDELEME

Hızlandırıcı kaynaklı ve füzyonfisyon hibrid sistemi üzerinde yapılan çalışmalar her iki sisteminde fisil yakıt üretimi, nükleer atık dönüşümü ve aynı zamanda enerji elde edilmesi yönünde çok iyi sonuçlar verdiğini göstermektedir. Bu iki sistemle:

1) Konvansiyonel nükleer reaktörler için gerekli fisil yakıtın üretken yakıtlardan temini,

2) Harcanmış yakıtların değerlendirilerek dönüşümünün sağlanması ve bu yolla enerji elde edilmesi,

3) Harcanmış yakıtın yeniden işlenmesinde kullanılan proseslerin ortadan kaldırılması ve bu yolla zaman ve maliyetin azaltılması mümkün görülmektedir.

5. REFERANSLAR

1. S., ŞAHİN, "Mainline fusionfission (hybrid) reactor concepts", Ecole Polytechnique Federale de Lausanne Instutut de Genie Atomique PHB-Ecublens, 1015 Lausanne, Switzerland.

2. David, S., Billebaud, A., Brandan, M.E., Brissot, R., Giorni, A., Heuer, D., Loiseaux, J.M., Meplan, O., Nifenecker, H., Viano, J.B., Schapira, J.P., "Fast Subcritical Hybrid Reactors for Energy Production: Evolution of Physical Parameters and Induced Radiotoxicities", Nuclear Instruments & Methods in Physics Research A, vol. 443 pp.510-530, (2000).

3. Yapıcı, H., Özceyhan, V., "Numerical Neutronic Analysis of a Natural Lithium Cooled Fusion Breeder Fueled With UO2", The Arabian Journal for Science and Engineering, vol.25, no.2A, (2000).

4. Şahin, S., Yapıcı, H., "Neutronic Analysis of a Thorium Fusion Breeder with Enhanced Protection Against Nuclear Weapon Proliferation", Annals of Nuclear Energy, vol.26, pp.13-27, (1999).

5. Revol, J. P., "An Accelerator-Driven System For the Destruction of Nuclear Waste", Progress in Nuclear Energy, vol.38, No. 1-2, pp. 153-165, (2001).