SMR Tasarımlarında Pasif Güvenlik Sistemleri

*revize

Küresel enerji talebinin artması ve iklim değişikliğiyle mücadele, nükleer enerjiyi düşük karbonlu bir seçenek olarak öne çıkarırken güvenlik kaygıları da büyük reaktörlerin yaygınlaşmasını sınırlamaktadır. Small Modular Reactor (SMR) konsepti, modüler yapısı ve fabrika üretimi sayesinde maliyetleri düşürme ve esnek kapasite sunma hedefiyle geliştirilmiştir. Bu makale, SMR tasarımlarında kullanılan pasif güvenlik sistemlerini incelemektedir. Pasif güvenlik, doğal fiziksel ilkelerle (doğal sirkülasyon, yerçekimi ve basınç farkı) çalışarak acil soğutma ve reaktörü durdurma işlemlerini harici güç, pompa veya operatör müdahalesine ihtiyaç duymadan gerçekleştirir. NuScale, CAREM ve SMART reaktörleri örnek alınarak, bu sistemlerin prensipleri ve kaza senaryolarındaki performansları değerlendirilmiştir.

Nükleer enerjinin yüksek kapasite faktörü ve düşük karbon salımı avantajlarına rağmen büyük ölçekli santrallerin karmaşık güvenlik sistemleri ve maliyetleri, yeni tasarım arayışlarını tetiklemiştir. SMR’ler, 50–300 MWe aralığında enerji üreten küçük reaktör modülleridir. Fabrikada üretildikten sonra sahada birleştirilebildiklerinden inşaat sürelerini ve ilk yatırım risklerini azaltırlar. Küçük çekirdek gücü ve entegre tasarım, güvenlik açısından yeni bir yaklaşımın önünü açar bu da pasif sistemlerdir. Geleneksel basınçlı su reaktörlerinde (PWR) acil soğutma pompalarına, dizel jeneratörlere ve karmaşık kontrol sistemlerine ihtiyaç duyulurken, pasif sistemler fizik yasalarına dayandığından elektrik veya operatör desteği olmadan devreye girer. Bu nedenle, SMR’ler özellikle istasyon elektriksiz kalması (SBO) gibi senaryolara karşı dayanıklıdır[1].

Pasif güvenlik sistemleri, yerçekimi, doğal sirkülasyon ve basınç farkı gibi doğal sürücüleri kullanır. IAEA rehberi, pasif sistemleri dört ana grupta sınıflandırır:

(1) yerçekimi veya basınçla çalışan soğutant enjeksiyon sistemleri,

(2) doğal sirkülasyonla çalışan ısı giderim sistemleri,

(3) basınç ve vakum farkı kullanan kondansatörler,

(4) depolanmış potansiyel enerji (kontrol çubukları, borlama tankları) kullanan reaktivite bastırma sistemleri[2].

Bu sistemler, tasarımdaki entegre hazneler ve boru düzenleri sayesinde, kazanın başlangıcında otomatik olarak devreye girer. Pompa veya motor içermedikleri için arızalanacak hareketli bileşenler yoktur, bakım ihtiyaçları düşük, güvenilirlikleri yüksektir.

Pasif sistemlerin avantajları kadar tasarımda getirdiği zorluklar da vardır. Doğal sirkülasyon, akışın yalnızca sıcaklık farkı ile sağlandığı bir döngüdür. Debi sınırlı olduğundan ısı transfer yüzeylerinin ve havuz hacminin yeterli büyüklükte olması gerekir. Bu nedenle SMR tasarımcıları pasif sistemleri fazla güvenlik marjı ile boyutlandırır ve pasif dönem sonrası operatör müdahalesine olanak tanıyan prosedürler geliştirir[2].

Doğal sirkülasyon, reaktör çekirdeğinde ısınan suyun yoğunluğunun azalması ve yükselmesi, soğuyarak yoğunlaşan suyun ise aşağı inmesi ile pompasız bir dolaşım döngüsü oluşturur. Reaktör kabı ile buhar jeneratörü arasındaki yükseklik farkı ve uygun boru konfigürasyonu, bu akışı destekler. IAEA el kitabı, istasyon elektriksiz kalması durumunda doğal sirkülasyonun tek fazlı veya kaynamalı akış rejimlerinde ısıyı güvenli biçimde uzaklaştırabildiğini vurgular[2]. Yerçekimi enjeksiyonu ise basınçlı veya yüksek kotlu tanklarda depolanan suyun, reaktör basıncı düştüğünde vana açılması ile serbest düşüşle çekirdeğe verilmesi yöntemidir. Bu pasif enjeksiyon, borular ve valflerle sınırlı olsa da küçük kırıklı LOCA senaryolarında kritik rol oynar.Pasif Sistemler Kullanan SMR Örnekleri

NuScale, NRC tarafından tasarım sertifikasyonu alan ilk SMR’dir. Modül başına 77 MWe güç üretir ve 4–12 modül bir havuz içinde gruplanabilir. Tasarımın öne çıkan pasif yönleri:

·         Triple Crown güvenlik felsefesi: Reaktör, harici güç, operatör müdahalesi veya ek su olmadan kendi kendini kapatıp soğutabilir[3].

·         Entegre tasarım: Çekirdek, basınçlandırıcı ve helical bobinli buhar jeneratörleri tek kabın içindedir. Büyük çaplı borular ve pompalar bulunmaz. Bu sayede büyük kırıklı LOCA ihtimali ortadan kalkar[1].

·         Ultimate heat sink: Her modül yer altı havuzunda bulunur. Havuz suyu 30 gün boyunca artık ısıyı uzaklaştırır sonrasında doğal konveksiyon ile ısı hava yoluyla transfer edilir[1].

·         Küçük yakıt envanteri: Yakıt miktarının az olması salınabilecek radyoaktiviteyi sınırlar[3].

Bu özellikler, NuScale’ı istasyon elektriksiz kalması ve soğutant kaybı senaryolarında oldukça dirençli hale getirir. Acil soğutma valfleri pasif olarak açılır, buhar containment içinde yoğuşur ve su yerçekimi ile çekirdeğe döner. Basit sistem mimarisi modüllerin seri üretimini kolaylaştırır.

CNEA tarafından geliştirilen CAREM, 32 MWt prototip bir entegre PWR’dir. Tasarımın temel pasif güvenlik özellikleri:

·         Doğal sirkülasyon: Pompalar yerine çekirdek ve buhar jeneratörü arasındaki yoğunluk farkı sirkülasyonu sağlar[4].

·         Kendi kendine basınçlandırıcı: Kabın üst kısmında su-buhar bölmesi bulunur. Harici basınçlandırıcı gerekmez[4].

·         Sınırlı boru çapı: Reaktörden çıkan en büyük boru 1,5 inçtir. Bu nedenle büyük kırıklı LOCA oluşamaz[4].

·         Yüksek termal atalet: Büyük soğutant hacmi transiyentleri yavaşlatır ve operatör müdahalesi için zaman tanır[4].

CAREM’de acil durumda doğal sirkülasyon ısıyı buhar jeneratörüne taşır. Yerçekimi enjeksiyonu ve basit basınç farkı mekanizmaları, soğutant teminini sağlar. Küçük ölçek ve yıllık yakıt değişimi ekonomik işletmeye katkı sunar.

330 MWt gücünde olan SMART, sistem entegrasyonu ve pasif sistemlerin kombinasyonu ile tanınır. Öne çıkan noktalar:

·         Entegral kabı: Çekirdek, buhar jeneratörleri, pompalar ve basınçlandırıcı tek kabın içinde yer alır. Böylece LB‑LOCA senaryosu ortadan kalkar[5].

·         Pasif artık ısı giderim sistemi (PRHRS): İstasyon elektriksiz kaldığında veya reaktör durduğunda, doğal sirkülasyonla ısıyı ikincil devre üzerinden dış ortama taşır[5].

·         Pasif güvenlik enjeksiyonu: Küçük kırıklı LOCA’da reaktöre basınçlı su sağlar. Basınç farkı aracılığıyla çalışır[5].

·         Sadeleştirilmiş sistemler: Azaltılmış boru ve vana sayısı işletme ve bakım maliyetlerini düşürür[5].

SMART, düşük kapasiteli pompalarla normal işletim sırasında dolaşım sağlar. Acil durumlarda pasif sistemler otomatik olarak devreye girer. Tasarımın lisanslanmış olması, pasif SMR konseptinin ticari olgunluğa eriştiğini göstermektedir.

_{Pasif ve Aktif Borlama Sistemi (Yapay zeka tarafından oluşturuldu.)}

Aktif sistemler motorlar, pompalar ve kontrol ekipmanları içerirken pasif sistemler fizik yasalarına dayanır. Aktif sistemler yüksek performans sağlar ancak elektrik kesintisi veya mekanik arıza riskine açıktır. Pasif sistemler, operatör müdahalesi veya harici enerji gerektirmediği için SBO gibi senaryolara karşı dayanıklıdır ve bakım gereksinimleri azdır[3]. Bununla birlikte, pasif sistemlerin akış kapasitesi sınırlıdır. Uzun süreli kaza senaryolarında ısıyı atmak için ilave önlemler veya sonunda operatör müdahalesi gerekebilir[1]. Optimum güvenlik, pasif ve aktif sistemlerin birlikte tasarlandığı hibrit yaklaşımlarla sağlanır.

SBO durumunda aktif pompalar ve jeneratörler devre dışı kalır. Pasif SMR tasarımlarında, doğal sirkülasyon ve havuz soğutması çekirdeğin artık ısısını uzaklaştırır. NuScale’da havuz suyu 30 gün boyunca soğutma sağlar ve ardından konveksiyonla hava soğutması devreye girer[1]. LOCA senaryosunda ise büyük kırıklı LOCA’lar SMR’lerde tasarım gereği önlenmiştir. CAREM’in boru çapı 1,5 inç ile sınırlandırılmış, SMART tüm birincil devreyi kabın içine almıştır[4][5]. Küçük kırıklı LOCA’larda pasif enjeksiyon ve doğal sirkülasyon, reaktörü güvenli hale getirir[5].

Pasif güvenlik sistemleri, SMR tasarımlarının en önemli yeniliklerinden biridir. NuScale, CAREM ve SMART reaktörleri incelendiğinde, entegre tasarım, doğal sirkülasyon ve yerçekimi enjeksiyonunun ortak özellikler olduğu görülmektedir. Bu sistemler, harici güç gerektirmeden kazalara karşı yüksek dayanıklılık sağlayarak Fukushima benzeri olayların tekrarlanma olasılığını azaltır. Pasif sistemler aynı zamanda bakım ve işletme maliyetlerini düşürür ancak tasarımda yeterli ısı giderim kapasitesi ve belirsizlik analizi yapılması şarttır. Gelecekte, pasif SMR’lerin geniş çapta uygulamaya konulması için kapsamlı test programları, düzenleyici onay süreçleri ve uluslararası işbirliği gerekecektir. Türkiye’nin nükleer programında pasif güvenlik konseptine sahip SMR’ler, güvenlik ve ekonomiklik açısından önemli bir alternatif olarak değerlendirilebilir.