Küresel nükleer endüstri, IV. Nesil teknoloji olarak adlandırılan temelde yeni bir reaktör teknolojisi paradigmasına doğru yöneliyor. Peki ama bu kavramın altında ne yatıyor? Rus nükleer mühendislerin yaklaşımlarını sunuyor.

Atomexpo 2024 forumunda konuşan Rosatom Yeni Nükleer Enerji Ürünleri Genel Müdür Birinci Yardımcısı Alexander Lokshin, IV. Nesil kavramının sadece bir reaktör olmaktan ziyade kapsamlı bir sistemle ilgili olduğuna dikkat çekti. Lokshin, IV. Nesil sistemlerin, kullanılmış nükleer yakıtın yeniden işlenmesi ve doğal uranyum kullanımının en üst düzeye çıkarılması gibi iki konuyu çözmek üzere tasarlandığını vurguladı. Ancak şu anda reaktör yakıtı %5 U-235’e kadar zenginleştirilmiş uranyumdan üretiliyor. Bu izotopun doğal uranyumdaki payı %0.7 kadar az, dolayısıyla uranyum-238’in çoğu stoklanmış durumda.

INPRO ve IV. Nesil Forumu

IV. Neslin ne olduğuna dair tek bir tanım mevcut değil. UAEA, “yenilikçi” ve “gelişmiş” reaktörler kavramlarını ortaya atarak reaktörleri nesillerine göre sınıflandırmaktan tümüyle kaçınıyor. Bununla birlikte, “nesil” terimi dünya çapında nükleer literatüre yerleşmiş durumda ve profesyonel topluluk tarafından yaygın olarak kullanılmaya devam ediyor. Söz konusu kesim için I, II, III ve III+ Nesiller, güvenlik açısından farklılık gösteriyor (bkz. aşağıdaki Reaktörün Evrimi bölümü). Örnek olarak, Rosatom’un dünya çapında inşa etmekte olduğu Rus tasarımı VVER-1200 reaktörleri III+ Nesil’e ait ve açık ara en güvenli reaktörler olma özelliğini taşıyor.

Geleceğin ne tür bir nükleer enerjiye ihtiyacı olduğuna ilişkin mevcut tartışmayı başlatan Rusya oldu. Bu tartışma, 2000 yılında UAEA himayesinde başlatılan Uluslararası Yenilikçi Nükleer Reaktörler ve Yakıt Çevrimleri Projesi (INPRO) çerçevesinde devam ediyor. UAEA eski temsilcisi Vladimir Kagramanyan, AtomInfo.ru’ya verdiği demeçte şunları hatırlattı: “Projeye olan ilgi muazzamdı. Hindistan ve Çin de dahil olmak üzere nükleer enerji teknolojilerinin potansiyel tüketicisi olan birçok gelişmekte olan ülke, hatta nükleer karşıtı Almanya, mevcut reaktör filolarını korumayı arzulayan Fransa ve Japonya gibi ülkelerden bahsetmeye bile gerek yok, projeye derhal dahil oldular.”

INPRO başından bu yana IV. Nesil sistemler için bugün de geçerliliğini koruyan güvenlik, yayılmanın önlenmesi ve atık yönetimi gibi gereklilikleri ortaya koydu. Vladimir Kagramanyan, konuyla ilgili olarak, “Rusya geleneksel bir bakış açısına sahipti. Kullanılmış nükleer yakıt atık değil, hızlı reaktörleri içeren kapalı bir nükleer yakıt döngüsü içinde yeni yakıt için hammaddedir” dedi.

Bir sonraki yıl ABD tarafından başlatılan IV. Nesil Uluslararası Forumu (GIF IV) düzenlendi. Vladimir Kagramanyan’a göre, Batılı geliştiricilerin bir ya da iki teknoloji seçmesi ve bir tanıtım reaktörü inşa etmesi bekleniyordu. Ancak tarafların yaklaşımlarının ve teknolojilerinin çok farklı olduğu hemen anlaşıldı. Taraflar, tartışmaların ardından, gereksinimlerini karşılayan altı IV. Nesil reaktör teknolojisinden oluşan bir liste üzerinde anlaşmaya vardılar (aşağıya bakınız). Kuşkusuz, benzer teknolojiler INPRO tarafından da değerlendiriliyor.

UAEA eski Genel Müdür Yardımcısı Alexander Bychkov da AtomInfo.ru’ya yaptığı açıklamada şunları belirtti: “INPRO kapsamında yürütülen çalışmalar, UAEA’ya ve tüm nükleer camiaya, nükleer enerjiyi insanlığın sürdürülebilir kalkınmasını amaçlayan kapsamlı ‘uzun ömürlü’ sistemler olarak değerlendirmek için güvenilir kanıtlar sağlamıştır.”

Hem INPRO hem de GIF IV geleceğin teknolojilerini tanımlarken bir dizi benzer kritere göre hareket etmişti. Bunlar şunlardı: Bu teknolojiler minimum atıkla sürekli enerji üretimi sağlamalı, üretilen enerjinin maliyeti tüm hizmet ömrü boyunca diğer enerji kaynaklarına kıyasla daha düşük olmalı, güvenlik seviyeleri tasarım temelinin ötesindeki kazaları içermemeli ve yayılmanın önlenmesi garanti altına alınmalıydı.

Yeni sistemlerin amacı

Özünde yeni nükleer teknolojilere duyulan ihtiyaç, mevcut su soğutmalı reaktör tasarımlarının üç dezavantajından kaynaklanıyor. İlk olarak bu reaktörler, nispeten düşük verimlilikle çalışıyor. İkincisi bu reaktörler, birincil devrede potansiyel olarak tehlike teşkil eden yüksek basınca sahipler. Son olarak, nötronların termal spektrumunu, yani doğal uranyumda saklı olan enerji potansiyelinin sadece küçük bir kısmını kullanırlar. Dolayısıyla yeni nesil sistemler bu dezavantajları ortadan kaldırmayı amaçlıyor.

UAEA temsilcisi Vladimir Kriventsev’in Atomexpo 2024’te belirttiği üzere, her yeni teknolojinin (GIF IV tarafından değerlendirilenlerin) bir şu veya bu şekilde dezavantajı bulunuyor. Örneğin, süperkritik reaktörler daha yüksek sıcaklık ve verimlilik sağlarken çok daha yüksek basınca sahip. Yüksek sıcaklıklı gaz soğutmalı reaktörlerde verimlilik sorunu ortadan kalkar ve soğutucu olarak gaz kullandıkları için yüksek basınç o kadar da tehlikeli değildir ancak nötron spektrumu hala termaldir. Sodyum soğutmalı hızlı reaktörler yukarıdaki dezavantajların hiçbirine sahip değildir, ancak sodyum su ve hava ile şiddetli reaksiyona girer, bu nedenle bir ara (üçüncü) devreye ihtiyaç duyar. Kurşun soğutmalı hızlı reaktörlerde bu sorun yoktur ve diğer tüm reaktör tasarımlarına kıyasla daha yüksek güvenlik sunarlar fakat soğutucu veya radyasyondan zarar görmemesi gereken yapısal malzemeler için artan gereksinimler söz konusudur. Buna ek olarak, GIF IV tarafından dikkate alınan teknolojilerin çoğu henüz denenmemiş veya test edilmemiştir.

Rus nükleer endüstrisinin izlediği yaklaşım, “test edilmemiş IV. Nesil teknolojilerin, zaman içinde kendini kanıtlamış III. Nesil teknolojilerden daha iyi kabul edilmesini sağlayan nedir” sorusunu ortadan kaldırıyor. IV. Nesil, güvenlik, sıfır atık, maliyet etkinliği ve hammaddelerin maksimum kullanımı gibi gelişmiş özelliklere sahiptir, yani bir nükleer santralin hizmet ömrü boyunca daha fazla sürdürülebilirlik sağlayan sistemleri içermektedir.

IV. Nesle Giriş

Rusya tek tek reaktör tasarımlarına değil, kapsamlı sistemlere odaklanıyor (dünya genelinde genellikle ikinci durum söz konusu). Yeni reaktör konseptlerinin yanı sıra, Rus mühendisler çabalarını yeni yakıt türleri ve üretim teknolojisi ve en önemlisi, sadece bir nükleer istasyondan daha geniş olarak görülebilecek bir nükleer üretim tesisinde nelerin bulunması gerektiğine dair yeni yaklaşımlar üzerinde yoğunlaştırıyor.

Bu fikirler, Rosatom tarafından yürütülen Proryv (Rusça “atılım’” anlamına geliyor) inovasyon projesi kapsamında vücut buldu. Proje, Rosatom’un yakıt bölümünün bir parçası olan Sibirya Kimya Fabrikası tesislerinde deneysel bir enerji üretim tesisinin inşasını öngörüyor. Tesis (Rusça’da ODEK olarak adlandırılıyor) deneysel bir kurşun soğutmalı hızlı reaktör BREST-OD-300, bir yakıt üretim/yeniden üretim ünitesi ve bir kullanılmış yakıt işleme ünitesinden oluşacak. Bu kombinasyon, kullanılmış nükleer yakıtın sahada yeniden işlenerek taze yakıta dönüştürülmesine yönelik ilk döngünün test edilmesini sağlayacak. Başka bir deyişle, Alexander Lokshin’in bahsettiği sorunlar da böylece pratikte çözülmüş olacak.

Proryv Projesinin Baş Tasarımcısı Vadim Lemekhov, Novy Atomny Ekspert (Yeni Nükleer Uzman) dergisine şunları söyledi “IV. Nesil reaktörler için gereklilikler büyük ölçüde Proryv Projesi’nin nükleer yakıt döngüsünün kapatılması, bir kaza durumunda santral sahası dışında tahliye ve yeniden yerleşime gerek kalmaması vb. hedefleriyle örtüşmektedir. O zamanlar böyle adlandırılmayan Proryv’in bu hedefleri, 1980’lerin sonunda küresel ve Sovyet nükleer enerji endüstrilerinin edindiği deneyimlerden hareketle belirginleşmiş ve 1990’larda olgunlaşmış, Uluslararası IV Nesil Forum’un yaklaşımları ise 2000’lerde oluşturulmuştur. Yani fikirler dünyanın dört bir yanında konuşuluyordu ve şu anda uygulamakta olduğumuzla neredeyse aynı gerekliliklere evrildi.”

Proryv Projesi hızlı bir ilerleme gösteriyor. Nisan ayı ortasında, Rus denetim kurumu Rostechnadzor, Sibirya Kimya Fabrikası’na yoğun yakıt üretim/yeniden üretim ünitesinin nükleer tesisleri için işletme lisansı verdi. Nükleer tesisler, radyoaktif veya bölünebilir maddeler üreten, işleyen veya işleyen tüm endüstriyel tesisleri kapsıyor. Rostechnadzor’dan lisansın alınması, ekipman testleri ve üretim denemelerinin bir sonraki aşamasına geçilmesini mümkün kılıyor. Bu aşamada, BREST-OD-300 yakıt tertibatları için tüm üretim hattı test modunda çalıştırılacak. Mart ayı sonlarında, yakıt imalat/yeniden imalat ünitesinde bir karbotermal sentez hattının test lansmanı yapıldı ve tüm Atomexpo 2024 ziyaretçileri lansmanın canlı yayınını izleme fırsatı yakaladı.

Nisan ayı ortasında, reaktör koruyucu yapısının bir ara bölümü BREST-OD-300 reaktör çukuruna indirilerek yapımının ikinci aşaması tamamlandı. Üst bölümün bu aralık ayında reaktör çukuruna yerleştirilmesi planlanıyor. Yapının nihai yüksekliği 17 metre olacak.

ODEK’in tamamının 2030 yılında faaliyete geçmesi bekleniyor. Nitekim ODEK’te kullanılan araştırma bulguları ve mühendislik çözümleri, iki kurşun soğutmalı hızlı nötron reaktörü BR-1200’ü içerecek bir ticari enerji tesisinin (CEF) tasarımında halihazırda kullanılıyor. CEF ayrıca sahada kullanılmış yakıt yeniden işleme ve üretim ünitesi de içerebilecek. CEF’in diğer üretim tesisleriyle rekabet edebilir olması bekleniyor.

Sodyum soğutmalı hızlı nötron reaktörleri, kullanılmış nükleer yakıtın yeniden işlenmesi ile nükleer yakıt döngüsünün kapatılması, doğal uranyumun enerji potansiyelinden daha fazla faydalanılması ve daha yüksek maliyet verimliliği elde edilmesi gibi aynı genel hedeflere katkıda bulunuyor. Beloyarsk NGS’de sodyum soğutmalı BN-800 reaktörü iki yıldır tükenmiş uranyum ve kullanılmış nükleer yakıttan çıkarılan plütonyumdan yapılan MOX yakıtı ile çalışıyor. Sodyum soğutmalı hızlı reaktör BN-1200’ün tasarlanması için de çalışmalar devam ediyor. Yeni reaktör için saha seçildi ve konuyla ilgili halka açık oturumlar düzenlendi. 2026 yılında inşaat ruhsatı alması hedefleniyor. İlk betonun 2027 yılında dökülmesi planlanıyor. 2031’de ise işletme lisansının alınması, reaktörün kritik seviyeye getirilmesi ve ardından faaliyete geçirilmesi amaçlanıyor.

Rosatom ayrıca nükleer yakıt döngüsünü kapatmayı ve kullanılmış nükleer yakıtı yeniden işlemeyi amaçlayan erimiş tuz reaktörü teknolojisini de geliştiriyor. Erimiş tuz reaktörleri, reaktör çekirdeğindeki ışınlama sırasında nükleer yakıtta ortaya çıkan yüksek radyoaktif elementler olan minör aktinitleri yakabiliyor. Küçük aktinitleri ortadan kaldırmak, kullanılmış nükleer yakıtın radyoaktivitesini önemli ölçüde düşürecek.

Rosatom tarafından geliştirilen yeni teknolojilerin listesi, bir hidrojen tesisi, spektral kayma kontrol reaktörleri ve süperkritik su reaktörleri ile çalışmak üzere tasarlanmış yüksek sıcaklıklı gaz soğutmalı reaktörlerden bahsetmeden tamamlanmış sayılmaz.

Aslında dünyada nükleer enerjinin geleceği için çalışan tek ülke Rusya değil, Çin ve Hindistan da benzer araştırmalar yapıyor ve diğer ülkelerde de bu yönde girişimlerde bulunuluyor. Ancak, sodyum ve kurşun soğutmalı hızlı reaktör teknolojisinin gelişmişliği, kapalı nükleer yakıt döngüsü için farklı yakıtlar ve diğer birçok çözüm, Rusya’nın fikirleri gerçeğe dönüştürmesine olanak tanıyarak küresel nükleer enerji endüstrisini verimlilik, hammaddelerin rasyonel kullanımı ve atık minimizasyonu açısından daha sürdürülebilir hale getiriyor.

GIF IV teknolojileri

1. Süperkritik su soğutmalı reaktör (SCWR)
2. Sodyum soğutmalı hızlı reaktör (SFR) 
3. Kurşun soğutmalı hızlı reaktör (LFR)
4. Erimiş tuz reaktörü (MSR) 
5. Gaz soğutmalı hızlı reaktör (GFR)
6. Çok yüksek sıcaklıklı reaktör (VHTR)

Reaktörün evrimi

I. Nesil 1950-1960s. Doğal ya da düşük oranda zenginleştirilmiş uranyumla çalışan, grafit, hafif su ya da ağır suyla hafifletilmiş ve su ya da gazla (CO2) soğutulmuş güç reaktörlerinin ilk tasarımları.

II.  Nesil 1970’lerin başı – 1990’ların sonu. Hafif su reaktörleri: Kaynar su reaktörleri (BWR) ve basınçlı su reaktörleri (PWR, VVER).

II+ Nesil. Bu terim zaman zaman 2000 yılından sonra inşa edilen yükseltilmiş II. nesil reaktörleri ifade etmektedir.

III. Nesil Bu sınıftaki reaktörler, daha yüksek yakıt ve termal verimlilik, önemli güvenlik iyileştirmeleri (geliştirilmiş nükleer güvenlik dahil) ve standartlaştırılmış tasarımlar ile nitelendirilmektedir.

III+ Nesil. Bunlar, modüler tasarım, artırılmış ekipman birleştirmesi, uçak çarpmasına dayanabilme ve birçok pasif güvenlik sistemi (pasif ısı giderme, çekirdek tutucular, RPV soğutma vb.) özelliklerine sahip geliştirilmiş güvenlik reaktörleridir.