Kazaya dayanıklı yakıt

Kazaya dayanıklı yakıt, son on yılda nükleer enerjinin geliştirilmesinde bir öncelik oldu. Fukushima Daiichi Nükleer Santrali’nde soğutma sisteminin kapanması ve 1200 °C’nin üzerindeki sıcaklıklarda oluşan zirkonyum buharı reaksiyonunun neden olduğu kazanın araştırılmasının ardından, büyük kazaları olabildiğince önlemeye yardımcı olacak bir nükleer yakıt geliştirmeye ihtiyaç olduğu fark edildi. Şu anda teknolojiyi geliştirmenin iki yolu var: Reaktör çekirdeğindeki zirkonyum miktarını azaltmak veya kimyasal bileşimini değiştirerek yakıtın ısı iletkenliğini artırmak.

Tek başına yeni yakıtın kazaları önleyeceğini düşünmemeliyiz. Ancak bu, nadir olaylara ve kazalara müdahale etmek için daha fazla zaman sağlarken, reaktörün rutin çalışmasını teknoloji açısından daha ekonomik ve daha faydalı hale getirebilir.

Mühendislik çalışmaları hem yeni kaplama malzemeler, hem de yakıt bileşimleri oluşturmaya odaklanıyor. Krom kaplamalar, olası tüm çözümlerin en basiti. Daha detaylı çalışma gerektirmesine rağmen bir başka ilginç seçenek, yakıt kaplaması olarak silisyum karbür kompozitlerin kullanılması. Yakıt bileşimleri için araştırmacılar, krom veya molibden eklemeyi ve uranyum oksidi uranyum silisit veya uranyum nitrür ile değiştirmeyi düşünüyor.

Krom kaplamalar daha yüksek korozyon direnci, dayanıklılık ve su geçirgenliği sağlayarak zirkonyum alaşımlarının esnek kalmasını sağlar.

Şimdiye kadar, genel olarak tercih edilen bir kaplama tekniği bulunmuyor. Birçok üretici en uygun buldukları çözümleri kullanıyor. Örneğin, Troitsk İnovasyon ve Füzyon Araştırma Enstitüsü’ndeki Atımlı İşlemler Bölümü’nden Alexei Yakushkin ve Moskova Devlet Üniversitesi Teorik Fizik Bölümü’nden Profesör Fyodor Vysikaylo, makalesinde, ağır alaşımlar gibi ince film biriktirme yöntemlerinin teknoloji açısından etkili, ancak çok pahalı olduğunu yazıyor. Onlara göre daha ümit verici olan ise, lazer biriktirme yöntemleri. Ayrıca, magnetron püskürtmenin, kaplamaların yüksek biriktirme hızı ve homojenliğinden dolayı yakıt elemanları kaplamalarında faydalı olabileceğinin de altını çiziyorlar.

Yeni yakıt bileşimleri arasında katkılı uranyum dioksit (UO2), yüksek yoğunluklu yakıtlar (örneğin U3Si2) ve metalik yakıtlar (ör. Uranyum-molibden yakıt) bulunur.

Rosatom, mevcut trendlere ayak uydurarak çeşitli kaplama ve yakıt bileşimleri kombinasyonları geliştiriyor. Geçen yıl, Atomik Reaktörler Araştırma Enstitüsü’ndeki MIR araştırma reaktörüne krom kaplı zirkonyum alaşımı ve kaplama malzemesi olarak kullanılan krom-nikel alaşımı ile iki deneme yakıt takımı yüklendi. Yakıt bileşimleri, artan yoğunluk ve termal iletkenliği olan geleneksel uranyum dioksit ve uranyum-molibden alaşımına sahip. Her yakıt takımı, farklı malzeme kombinasyonlarına sahip 24 yakıt elemanından oluşuyor.

Aynı yıl, Rosatom’un Bochvar Rusya İnorganik Malzemeler Araştırma Enstitüsü, oksijen içeriği yüzde 10–12 olan silisyum karbür elyaf örnekleri yarattı. Bir sonraki adım, nükleer yakıt kaplamasında kullanılabilecek sıfır oksijen içeriğine sahip bir karbür fiber üretimi için bir teknoloji geliştirmek olacak. Bu konuyla ilgili olarak bir numune bankası da  kuruldu. Burada lehimleme ve mühürleme teknolojileri test ediliyor. Proje 2021’de de devam edecek.

Pazara kazaya dayanıklı yakıt sunma hızı, yalnızca araştırma ve geliştirmedeki ilerlemeye değil, aynı zamanda belirli nükleer reaktörlerde kazaya dayanıklı belirli yakıtların kullanılmasının uygulanabilirliğine de bağlı olacak. Deneyimler, bunun birkaç yıl sürebileceğini gösteriyor.

Kapalı nükleer yakıt döngüsü

Rosatom, kapalı nükleer yakıt çevrimi için yeni yakıt türleri oluşturmak üzere sistematik olarak çalışıyor.

Yeni yakıtlar, her biri halihazırda incelenmekte ve test edilmekte olan REMIX, MOX ve MUPN olmak üzere üç üründen oluşuyor.

Rosenergoatom’a (Rosatom’un bir bölümü olan Rus nükleer santral operatörü) göre, şu anda BN-800 reaktöründe 26 MOX yakıt takımı kullanılıyor. Bunlardan 18’i, pelet haline getirilmiş MOX yakıtı içeren ve Rosatom Madencilik ve Kimya Fabrikası’nda üretilerek Rosatom Petrol Şirketi tarafından Rosenergoatom’a tedarik edilen ilk standart yakıt takımları olma özelliğini taşır. Yakıt takımları, 2019’un sonunda Beloyarsk Nükleer Santrali’nin BN-800 reaktörüne yüklendi. Nükleer Reaktörler Araştırma Enstitüsü’nün deneme üretim hattında, vibro-paketlenmiş MOX yakıtı içeren 8 yakıt grubu daha üretildi. Pelet haline getirilmiş MOX yakıt takımları, bir buçuk yıl boyunca radyasyona maruz kalacak ve bu süre zarfında reaktöre üç kez yakıt ikmali yapılacak. Boşaltma zamanı gelene kadar, bu yakıt takımları yaklaşık 465 gün boyunca çalışmış olacak. Rosenergoatom’dan yapılan açıklamada, “Şu anda, bu yakıt grupları tasarıma uygun olarak çalışıyor ve yaklaşık 310 gün boyunca etkin olarak çalıştı” denildi.

Pelet haline getirilmiş MOX yakıtının performansı, BN-600 reaktöründe düzinelerce deneysel yakıt takımının radyasyona maruz kalmasıyla doğrulandı. 2015 yılında piyasaya sürülen BN-800 reaktörüne başlangıçta yüklenen yakıtın neredeyse dörtte biri, Nükleer Reaktörler Araştırma Enstitüsü ve Mayak Üretim Derneği deneme üretim hatlarında üretilen MOX yakıt takımlarından oluşuyordu. Bu takımların radyasyona maruz kalması, pelet haline getirilmiş MOX yakıtının güvenilirliğini doğruladı. Bu, Madencilik ve Kimya Tesisi’nde (MKT) BN-800’ün yalnızca üretilen pelet haline getirilmiş MOX yakıtı ile çalışmasını sağladı.

Rosatom, Beloyarsk Nükleer Santrali’nin tüm reaktör çekirdeğinin yakıt ikmali için ilk 168 MOX yakıt takımını şimdiden üretip teslim etti. Bu yakıt grupları, 2021’in ilk yarısında reaktöre yüklenecek. MOX yakıtına geçişin 2022’nin ikinci yarısında tamamlanması bekleniyor. Bakım programındaki değişiklikler nedeniyle yakıt ikmali programında küçük farklılıklar olma ihtimali bulunuyor.

MOX yakıtı gibi, REMIX yakıtı da uranyum ve plütonyum oksitlerin bir karışımı. Ancak bu yakıt daha düşük plütonyum içeriğine sahip. (ağırlıkça % 1–3) Ek olarak REMIX yakıtı, tükenmiş uranyum yerine zenginleştirilmiş uranyum içeriyor. (ağırlıkça yaklaşık % 3–4 U-235) MOX yakıtından farklı olarak, REMIX yakıtı hızlı besleyici reaktörlere değil güç reaktörlerine yükleniyor. (VVER veya RBMK) Bir diğer fark da, REMIX yakıtının, önceki modellere göre daha fazla yakıt içeren ve daha uzun yakıt çubukları (uranyumgadolinyum yakıtlı olanlar dahil) ve raflar, geliştirilmiş hücre şekli ve daha ince alt ara ızgaraları içeren TVS-2M yakıt takımları ile kullanılması.

2016 yılından bu yana, her biri REMIX yakıtlı 6 çubuk içeren Balakovo NGS’nin 3 numaralı güç ünitesinde 3 yakıt takımı test edildi. Her yakıt paketinde toplam 312 yakıt çubuğu bulunuyor. Üçüncü 18 aylık radyasyona maruz kalma döngüleri 2020’de başladı. Bir sonraki adım, yalnızca REMIX yakıtı içeren yakıt takımlarını yüklemek olacak.

Ağustos 2020’de Rosatom’un Yatırım Komitesi, gerekli sayıda yakıt takımını sağlamak için madencilik ve kimya tesisinde yeni bir REMIX yakıt hattı oluşturmaya karar verdi. Yeni hat, deneme yakıt üretim hattının yenilenmesi, yakıt elemanları ve takımların üretimi için ekipman eklenmesiyle oluşturulacak. REMIX yakıt hattı, 2021 yılına kadar faaliyete başlayacak. Yeni üretim hattı test edildikten ve Balakovo NGS’deki deneme yakıt takımları boşaltıldıktan sonra Rosatom, REMIX yakıtının endüstriyel üretimine başlama konusunda kararını verecek.

MUPN yakıtı, oksitlerden ziyade nitrürler içeriyor olması bakımından REMIX ve MOX’tan farklılık gösteriyor. (MUPN, karışık uranyum plütonyum nitrür anlamına gelir) Yakıt, BREST-OD-300 reaktöründe Atılım Projesi’nin (Breakthrough Project) parçası olarak kullanılacak. Ayrıca MUPN yakıtının şu anda tasarım aşamasında olan BN1200 hızlı nötron reaktörüne yüklenmesi planlanıyor. Yeni reaktör için deneme yakıt takımları artık BOR-60 ve MIR araştırma reaktörlerinde ve BN-600 ticari reaktöründe üretilip test ediliyor. Bunların 20’den fazlası radyasyona maruz kalıyor ve yakıt tüketimi zaten yüzde 9’u aşıyor. BREST-OD-300 reaktörü için Sibirya Kimya Fabrikası’nda inşa edilen yakıt üretim / yeniden üretim ünitesinde ekipman kurulumu devam ediyor.

REMIX, MOX ve MUPN yakıtlarının ticari üretimini organize ederken en önemli sorun, yüksek seviyeli radyoaktif malzemelerin, (özellikle iki veya daha fazla kez radyasyona maruz kalan veya yeniden kullanılan nükleer yakıtın) uygun şekilde kullanılması.

Geliştirme işlemlerinin önemi

Rosatom, sadece yeni reaktörler için yeni yakıt geliştirmekle kalmıyor, aynı zamanda mevcut müşterileri için mevcut yakıt türlerini de geliştiriyor. Ekim ayında şirket, Macar Paks NGS’deki VVER-440 reaktörlerinde kullanılan yakıt takımlarının modifiye edilmiş bir versiyonunu tanıtmak için 2017’de başlatılan bir projeyi tamamladı. Optimize edilmiş Su/Uranyum oranı sayesinde, yeni yakıt takımları yakıt kullanımını iyileştiriyor ve reaktörü daha ekonomik hale getiriyor.

Bu Temmuz ayında Rosatom ve Çek enerji şirketi ČEZ a.s., Dukovany NGS’de VVER 440 reaktörleri için yeni bir RK-3+ nükleer yakıt versiyonunun tedarik edilmesine ilişkin bir anlaşma imzaladı. Önceki versiyona göre geliştirmeler arasında kanal sisteminin köşebent çerçeveleme ile değiştirilmesi, yakıt çubukları arasında artırılmış aralık ve enine kesit zenginleştirme profilinde bir değişiklik yer alıyor. Bu geliştirmeler, Dukovany’deki yakıt döngülerinin uzatılmasına yardımcı olacak.

Rosatom ile Slovak şirketi Slovenské elektrárne a.s. arasındaki sözleşmeye uygun olarak Mochovce ve Bohunice Nükleer Santralleri için yeni bir nükleer yakıt ve yeni bir yakıt döngüsü stratejisinin geliştirilmesi için bir proje sürüyor. Yeni yakıt, optimize edilmiş bir enine kesit zenginleştirme profiline (U-235 zenginleştirme seviyesine bağlı olarak yerleştirilen yakıt elemanları ile) ve farklı bir uranyum sınıfından yapılmış yakıt peletlerine sahip olacak. Geliştirilmiş yakıtın, yakıt döngüsünü uzatması ve güç ünitelerinin maliyet verimliliğini artırması bekleniyor.

MOX yakıtında Plütonyum

Rusya’nın hızlı reaktörlerinde kullanılan MOX yakıtı, plütonyum oksitlerin tükenmiş veya doğal uranyum karışımını içeriyor. Plütonyumun kütle oranı, zenginleştirme alanına ve plütonyum izotoplarının içeriğine bağlı olarak ağırlıkça % 15–25’e ulaşır. Pelet haline getirilmiş MOX yakıt takımları, çeşitli kaynaklardan elde edilen plütonyum içerebilir:

• Düşük seviyeli plütonyum (Sodyum soğutmalı hızlı besleyici reaktörlerde kullanılmış nükleer yakıtın yeniden işlenmesiyle elde edilir)
• Yüksek seviyeli plütonyum (VVER reaktörlerinden gelen kullanılmış nükleer yakıtın yeniden işlenmesiyle elde edilir)
• Homojenleştirilmiş plütonyum (Bu bir silah sınıfı ve yakıt sınıfı plütonyum karışımıdır. Bu plütonyum türü, Rusya’nın üretim fazlası silah sınıfı plütonyumun idaresi ve elden çıkarılması için imzalanan ve “Plütonyum Yönetim ve Elden Çıkarma Anlaşması” olarak bilinen bir anlaşmayı askıya almış olması nedeniyle şu anda kullanılmıyor)

Şu anda BN-800’de radyasyona maruz kalan pelet haline getirilmiş MOX yakıt takımları, düşük seviyeli plütonyum içerir. Düşük seviyeli ve homojenleştirilmiş plütonyumdan izotopik içeriği ile farklı olan MOX yakıtında 2021–2022 yıllarında yüksek seviyeli plütonyum kullanılması planlanıyor. Örneğin, nükleer yakıtın güç reaktörleri (BN, VVER ve RBMK) radyasyona maruz kalması sırasında biriken daha fazla A-izotop içeriyor.