Nükleer Santral Elektrik Sistemi Temel Konular

Nükleer sektörde ya da nükleer santral kavramı içinde elektrik sistemi; ağırlıklı olarak güç sistemleri, santral güç sisteminin analizi, şebeke kararlılık analizi ve güvenlik analizlerini de kapsayarak iletim şebekesine bağlantı,  şalt sahası konfigürasyonları ile santral içi alternatif akım, doğru akım sistemleri ve şebeke kaybı durumunda acil durum sistemlerini ve santral kararması durumunda devreye girecek besleme sistemlerini içermektedir. 

Nükleer santralin termik santralden en önemli farkı, kaza durumunda sonuçların ağır olması nedeniyle güvenlik (safety) kavramıdır. Santralde temelde 3 adet güvenlik fonksiyonu vardır. Bunlar, reaktivitenin kontrolü, artık ısının bertaraf edilmesi, radyoaktif maddenin sınırlandırılmasıdır. Elektrik sistemi beslemesi doğrudan bu 3 adet güvenlik fonksiyonunu gerçekleştirmez ancak bu fonksiyonları yapan ekipmanın çalışabilmesi için güç beslemesi sağlar. Güvenlik fonksiyonları, santral tipine bağlı olarak aktif ve pasif sistemlerle  gerçekleştirilir. Aktif ve pasif sistem kavramı, güvenlik fonksiyonlarının gerçekleştirilmesinde elektrik sistemine ve şebekeye ne kadar bağımlı olunması ile ilgilidir. Örnek olarak yakıt erimesine yol açabilen ısının santralden atılması için gerekli sistemlerin çalıştırılması elektrik şebekesine veya santral içindeki dizel generatör gibi elektriksel kaynaklara bağımlı ise aktif sistem geçerlidir. EPR aktif sistemli, AP1000  pasif sistemli reaktörlere örnek olarak verilebilir.

Elektrik sistemi, iletim şebekesi beslemesi (offsite power), santral elektrik dağıtım sistemi (onsite power), acil durum besleme sistemi, DC sistemler ve santral kararması durumunda devreye giren sistemler olarak ele alınabilir.

IEEE 765 ve 308 standartları nükleer santralin iletim şebekesi ve santral elektrik dağıtım sistemi konfigürasyonları hakkında güvenli bir işletmeyi sağlamak amacıyla tasarım kriterlerini belirler.

İletim Şebekesi Beslemesi ( Offsite Power)

Santral normal işletme sırasında iletim şebekesine enerji vermekte, devreye alma ve devreden çıkma esnasında şebekeden enerji çekebilmektedir. Ünite senkron generatörü genelde 3 adet tek fazlı ya da 3 fazlı yükseltici trafo ile iletim şaltına bağlanır. Bir PWR santralin elektrik sistemi tasarımına bağlı olarak normal işletme koşullarında santral iç tüketimi, senkron generatör yani ünite çıkışından ya da Amerika'daki nükleer santral örneklerinde olduğu santral şaltı vasıtasıyla şebekeden de karşılanabilir. Şekil 1 santral güvenlik fonksiyonlarını yerine getirecek sistemlerin beslenmesi amacıyla güvenlik baralarının bağlantılarını IEEE 765 standartı baz alarak örnek olarak göstermektedir. Santral teknolojisi ve elektriksel tasarıma göre tek hat değişecektir. 

Şekil 1'de santralin devreye alınması ve devreden çıkarılması durumunda generatör kesicisinin açılması ile çift yönlü ana trafo sayesinde santral iletim şebekesinden ünite trafolarını besleyerek gerekli fonksiyonları gerçekleştirir. Ana şebekeden (main grid) besleme olarak ifade edilen bu besleme biçiminde, ana şebekenin kaybı durumunda yedek besleme sistemi santral iç tüketim baralarına ayrı bir hat ya da hatlarla indirici trafolar (yedek şebeke trafosu) vasıtası ile bağlanmaktadır. Güvenlik fonksiyonu için besleme sağlayan güvenlik baraları ve güvenlikle ilgili olmayan bara sayısı santrale göre değişir. Güvenlikle ilgili olmayan baralar, güvenlik baralarını besleyen ünite trafosu hattı ile beslenebildiği gibi ayrı bir trafo veya trafolar ile de beslenebilir. 

Yedek şebeke,  ana şebeke ile aynı gerilim seviyesinde olabilir. Bu durum, nükleer güvenlik için yeterli olmakla birlikte farklı gerilim seviyesi ile bağlantı ile güvenlik artırılmaktadır. Nükleer güvenlikte en az iki iletim sistemi ile bağlantı gerekmekte ve kaza durumunda santrali güvenli duruma getirecek, birbirinden fiziksel olarak bağımsız bu iki iletim sistemi kullanılmaktadır. Türkiye'de bu durumda ana şebeke olarak 400 kV ve yedek şebeke olarak 154 kV iletim sistemi örnek olarak verilebilir. 

Şekil 1. Güvenlik Baralarının Ana ve Yedek Şebekeden Beslenmesi

Acil Durum Besleme Sistemleri

Yüksek güçlü nükleer santralin devreden çıkması nedeni ile santralin kendisinden kaynaklı veya şebeke kaynaklı kararsızlık ve şebeke çökmesi gibi durumlar olabilmekte ve nükleer santralin bağlı olduğu iletim şebekesinin kaybı durumu, nükleer santral tasarımda beklenen olay/durum ( tasarımda güvenlik analizlerinde hesaba katılan olay/kaza)  veya çalışma koşulu olarak tasarım kriterlerinde ele alınır. Bu durumda kısaltması nükleer literatürde LOOP olan "Loss of Offsite Power" oluşmaktadır. Bu nedenle santral acil durum besleme sistemleri şebeke kaybı nedeni ile çalışır. Acil durum besleme sistemi santrali güvenli bir şekilde devreden çıkarmaya ("safe shutdown") ve güvenli halde tutmaya yarayan generatör ( dizel, gaz türbini vs. ve kontrol, kumanda teçhizatı) ve ilgili her türlü sistemdir. Normal koşullarda standby durumunda olan dizel generatör bağlandığı baranın düşük gerilim sinyali ile otomatik olarak devreye girer ancak bunun için doğru akımla çalışan kontrol lojiğine ihtiyaç duyar. Bu durum santralde DC sistem ve genelde kullanılan kurşun asit aküleri önemli kılar. 

Dizel generatör gibi acil durum kaynakları, santrali güvenli bir şekilde devreden çıkarmaya yarayacak olan sistem ve ekipmanın ( motorlu valf, pompa vs) elektrik beslemesini sağlar. Santrali güvenli bir hale getirecek bu sistemlere güvenlikle ilgili sistemler (Safety-related) denilmektedir. IEEE 308 standartı ile Class 1E terimi güvenlikle ilgili fonksiyon yerine getirecek sistem ve ekipman için kullanılmaktadır. Örnek olarak dizel generatörler güvenlik fonksiyonu yerine getirdiğinden Class 1E ekipman olarak tanımlanabilir. Nükleer literatürde Class 1E ekipman, güvenlik ile ilgili bir fonksiyon yerine getirdiğinden yani basitçe beklenen bir olay ya da kaza durumunda çalışması gerektiğinden deprem gibi sismik olaylar ve sert çevre koşulları göz önüne alınarak kalifiye (qualification) edilir. 

Nükleer santralde güvenli devreden çıkarma ve sonrasında soğutma sağlanarak santrali güvenli durumda tutma, nükleer reaktörün kapansa dahi bir süre ısı üretmeye devam etmesi ve reaktör soğutulmazsa bu ısının yakıt erimesine yol açması nedeniyle yani bir nükleer kazanın önlenebilmesi amacıyla ısının reaktörden uzaklaştırılması zorunluluğundan kaynaklanır.

Nükleer santralin termik santralden elektriksel tasarım olarak farklarından biri güvenlik fonksiyonu yerine getirecek acil durum besleme sistemlerinin, örnek olarak dizel generatör ve güvenlik barası sayısının tekil arıza (single failure, N+1) ya da daha fazla arıza durumu göz önüne alınarak tasarlanmasıdır. Örnek olarak 3 adet generatör 3 adet farklı baraya bağlanır ve birinin arızası durumunda diğerleri birbirini yedekler. Bu generatörlerden her biri tek başına güvenlik fonksiyonunu yerine getirebilecek kapasitededir. Online bakımı göz önüne alarak generatör ve bara sayısı artırılan santral tasarımları Generation 3+ reaktörlerinde N+2 kısıtlılık ile yer almaktadır. Bu durumda 4 adet güvenlik barası (Class 1E) bara güvenlik fonksiyonları için ayrı dizel generator ya da gaz türbini generatorleri ile yedeklilik (redundancy) oluşturulur ve tekil arıza ve bakım durumunda yedekli baralar vasıtası ile kazayı tetikleyebilecek bir olay ya da kaza durumunda santrali güvenli bir şekilde kapatılmasını sağlar. 

Santral Kararması (SBO) Durumu

Santral kararması terimi  "Station Blackout(SBO) ile ifade edilmekte ve santralde her türlü alternatif akım kaynağının kaybı durumu bahsedilmektedir. Özetle "safe shutdown" için güvenlik fonksiyonunu yerine getirecek Class 1E sistemin ( yedekli baralara bağlı dizel generatorler) kaza/olay veya hata nedeniyle devrede olamamasıdır. Ancak santral kararmasında santralde doğru akım kaynakları ( kurşun asit akü, UPS, konvertör) devrededir. Anlaşıldığı üzere AC sağlayan elektrik şebekesi ve santral güvenliği ile ilgili dizel generatörlerin devreye girememesi yani LOOP sonrası oluşan durumdur. 

Santral kararması sonrası periyotta şebekenin tekrar kazanılmasına ve gerekli soğutma için yedek ve farklı bir AC kaynağın bulundurulması (farklı marka, model ve teknolojide generator - diversification yapma durumu) ve gerekirse mobil ekipman tedariği gibi önlemlerin alınması gerekmektedir. Bu tasarım kriteri güvenlikle ilgili kaza/olaylar dikkate alındığında tasarımda göz önüne alınmaktadır. Farklılaştırılmış AC generator manuel olarak devreye alınır (grace period) ve güvenli kapatma durumunda kalmak için gerekli yakıt kapasitesine sahip olmalıdır ( şebeke geri kazanılamazsa artık ısı(decay heat) zararsız hale gelene kadar soğutma devam etmeli). 

Şebeke Kararlılığı ve Güvenilirliği

Aktif soğutma sistemi kullanan nükleer santral için şebekenin büyüklüğü, kararlılığı ve güvenilir olması nükleer güvenlik için önemlidir. Büyük güçlü bir nükleer santral, hem iletim şebekesinin kararlılığını (nükleer santralde inertia fazladır ve kararlılığı artırır) yani güvenilir şebekeyi hem de nükleer güvenliği sağlamak durumundadır. İletim şebekesi kaybı (LOOP) durumunda reaktör soğutma yapılması için güvenli bir şekilde santrali devreden çıkaracak ve o durumda tutabilecek güvenlik sistemleri bulunmak zorundadır.

Nükleer santralde GW düzeyinde büyük güçlü bir generator veya generator grubunun bir anda devreden çıkması önlem alınmazsa ( nükleer santralin şebekeye etkisi çalışması ve buna göre şebeke tasarımı ve işletilmesi yapılmalı) iletim şebekesinde kararsızlığa hatta çökmeye ve aynı şekilde nükleer santralin çalışan ünitelerinin ya da başka bir nükleer santralin şebeke kararsızlığı nedeniyle güvenli kapatma durumuna geçmesine yol açabilir. Nükleer santrallerde şebeke kararlılığını sağlayan sistemler bulunmaktadır. 

House load (İç Tüketim Besleme) Çalışma

Bazı nükleer santraller özellikle Avrupa reaktörlerinde, iletim şebekesinin kısa süreli kararsızlığı durumunda senkron generatör sadece santral iç tüketimini sağlayacak şekilde yani "house load" çalışabilme özelliği ile şebeke bağlantısından ayrılır. Bu özellik ile, yüksek güçlü bir santralin devreden tamamen çıkmaması nedeni ile şebeke kararlılığı artar. House load çalışmada, yani santral dağıtım sisteminin generator çıkışından beslenmesi için kondenserin ve buhar bypass valfinin ebatı önem arz eder. Ancak house-load özelliği ile türbin ve reaktor kontrol sistemi ile röle koruma sistemi karmaşıklaşır. Generator kesicisinin kullanılması zorunludur. Ani yük düşüşü ile reaktördeki aşırı güç türbin-generator tarafından kondensere buhar gönderilerek absorbe edilmelidir. 

Yük Takibi (Load Follow), Frekans Kontrolüne Katılım 

Büyük güçlü nükleer santral baz yük santrali olarak düşünülse de özellikle Avrupa reaktörlerinde yük takibi (load follow) yapılabilmekte ( reaktördeki kontrol çubuklarının özelliğine ve malzemesine bağlıdır) ve gerektiğinde sistem frekansını dengelemek amacıyla primer ve sekonder frekans kontrolüne katılım sağlayabilmektedir. Özellikle, Fransa gibi nükleer santral sayısının fazla olduğu ülkelerde ve yenilenebilir enerji kaynaklarının şebekede çoğalması ile şebeke kararlılığı açısından nükleer santrallerde işletme esnekliği özelliği önem kazanmıştır.

Yük takibi, primer ve sonrasında sekonder frekans kontrolünden farklı olarak santral elektrik üretiminin tüketim talebini takip ederek birkaç gün ya da bir hafta önceden planlanan zamanlara göre veya talimata göre merkezi bir sinyal ile gerçekleştirilmesi ve santral elektriksel ve termal gücünün dakikalar içinde artırılıp azaltılmasıdır. Özellikle ilk etapta sekonder frekans kontrolüne benzemekle birlikte burada amaçlanan talebe göre çıkış gücünü ayarlamaktır. Frekans kontrolünde özellikle önceden belirlenen yüzdelik bir değere göre santral çıkış gücü artırılıp ya da azaltılır, yük takibi özelliği bu yüzdelik değere göre daha fazla esneklik sağlar, yani yük takibi yapabilmek frekans kontrolünden daha gelişmiş bir özelliktir. 

Kaynak Önerileri

1- Türkiye'deki mevzuat, özellikle Şebeke Yönetmeliği ( nükleerle ilgili maddeler içerir) ve alakalı olarak ENTSO-E

2- TAEK'in Akkuyu ile ilgili saha raporunda genel olarak nükleer santralin saha uygunluğunun özellikle santral tek hattı, iletim sistemine bağlantısının nasıl olacağı ile ilgili bilgiler içerir (11. Elektrik Sistemleri). 

https://webim.ndk.gov.tr/file/bf8aec82-4609-45d6-85cc-b3822a1509a9

3- Amerikan Nükleer Düzenleme Kurumu'nun da web sayfası özellikle lisanslama için başvuru yapan nükleer santrallerin nihai güvenlik raporlarının 8. Kısmı ( FSAR- Final Safety Analysis Report), Chapter 8 Electric Power Systems), tasarım kontrol dokümanları ( DCD- Design Control Document) santral elektrik sistemi hakkında bilgi içerir. 

Amerika kaynaklı olduğundan IEEE standartlarına atıfı ve analiz raporlarının ağırlıklı olarak IEEE'ye uygunluk açısından döndüğünü farkedeceksiniz. Sitenin güzel yanı farklı ülke teknolojilerinin Kore, Fransa gibi lisanslama için başvuru yaparak santral tasarımı hakkında bilgi vermesidir. Asıl amaç, lisanslama için NRC'nin güvenlik kriterlerine santralin uyumlu olduğunu göstermek olsa da içerik nispeten detay içerir.

https://www.nrc.gov/reactors/new-reactors/col.html

4- IAEA Yayınları

https://www.iaea.org/search/google/electrical

Raporlar, yayınlar genel ifade ve güvenlik kavramı 

5- OECD Yayınları 

https://www.oecd-nea.org/

6-IEEE Standartları

7-IEC Standartları

8- Kitap: Electrical Systems for Nuclear Power Plants ( Dr. Omar. S. Mazzoni)

    Bir şekilde tedarik edilebilir. Genel bir tanıtım şeklinde bir kitap. 

9-https://www.nuclearelectricalengineer.com/ 

    Amerika ağırlıklı bir site ancak içeriği işe yarar.

10- Genel olarak bilgi sahibi olmak için : https://world-nuclear.org/

11- Nette digital dergi takibi, e-news letter takibi faydalı olacaktır. https://www.powermag.com/

Güvenlik Analizi Raporu -Elektrik Sistemi

Nükleer sektörde güvenlik analizi raporu (safety analysis report) temelde santralin güvenilir olduğunun ispatının yapıldığı ya da haklı çıkarıldığı, santrale inşa izni verilmesi ve işletilmesi için gerekli olan ve santralin bir olay ya da kaza durumunda güvenlik fonksiyonlarının hangi sistemle nasıl yerine getirileceğini belirten bir nükleer santral lisanslama dokümanıdır. 

"Regulatory Body" olarak adlandırılan düzenleyici kuruluş tarafından nükleer santrale lisans verilir. Ülkemizde düzenleyici kuruluş Nükleer Düzenleme Kurumu (NDK)'dur. Amerika'da Nuclear Regulatory Commission (NRC), İngiltere'de Office for Nuclear (ONR), Fransa'da ASN, Finlandiya'da STUK sektörde referansları çok kullanılan nükleer düzenleme kuruluşlarıdır. 

Genel düzenleyici kuruluşlar için:

https://www.world-nuclear.org/information-library/safety-and-security/safety-of-plants/appendices/nuclear-regulation-regulators.aspx

Santral sahibi güvenlik analizi raporunu hazırlar ve düzenleyici kuruluşa lisanslama için gönderir. Güvenlik analizi raporu santral sistemini, nükleer sektörde yer alan teknik konuları ve tartışmaları anlamada da yardımcı olan nispeten kapsamlı bir kaynaktır.

Amerika örneği olan NRC kaynakları oldukça açık ve kısmen daha paylaşımcı bir yapıdır. Düzenleyici kuruluş NRC'nin sitesi incelendiğinde de bu durum kolaylıkla farkedilecektir.

https://www.nrc.gov/

Örnek olarak yapımı devam eden  Vogtle 3 santrali için en yeni güvenlik analiz rapor içeriği incelenebilir. 

https://www.nrc.gov/reactors/operator-licensing/regs-guides-comm.html

Rapora bakıldığında, ekipman sınıflandırılması, kalite temini, kaza analizi, risk değerlendirme, santral sistemleri, test programı, radyasyonda koruma, insan faktörü mühendisliği vb. konulara yönelik santral güvenliği ile ilgili konular ele alınmaktadır. Rapor incelendiğinde teknik içerik hakkında genel bir bilgi sahibi olunmakta ancak nasıl yapıldığı ve analizler anlamında  farklı alanları barındıran ciddi bir mühendislik çalışması gerekmektedir.

Elektrik sistemi, Güvenlik Analiz Raporu'nda Chapter 8 olarak adlandırılan kısımda yer alır. Rapor genel anlamda, düzenleyici kuruluş tarafından ele alınan uluslararası ve/veya ulusal standartlarda, yönetmelikte veya bir düzenleme noktasında klavuz, raporlarda vb. belirlenen kriter ve durumlara göre elektrik sisteminin, santral güvenlik foksiyonunu yerine getirecek sistemi besleme noktasında nasıl karşılık verdiğini, hangi yapıları içerdiğini kapsar. Basitçe elektrik sisteminin bu kaynaklarda yer alan kriterleri, ifadeleri, durumları nasıl karşıladığı raporda gerek tablolama, gerekse analiz ve ifadelerle belirtilir. 

NRC regülasyonunda (yönetmelik olarak çevrilebilir) 10 CFR 50 ( Code of Federal Regulations) Appendix A General Design Criteria for Nuclear Power Plants olarak ele alınır ve genel tasarım kriterlerini belirler. Elektrikle ilgili örnekte Appendix A'da Critetion 17 yüzeysel olarak genel güvenlik için tasarım kriterini verir. Doküman incelendiğinde kriter bağımsız, yedekli, test edilebilir bir sistemin kurulmasını, iletim hattı beslemesinin 2 adet bağımsız besleme ile yapılmasını ister. Asıl amaç nükleer yakıtın erimemesini sağlayacak sistemin kurulumudur. 

NRC'de regulatory guide (düzenleyici kılavuz) elektrik sistemlerinin güvenlik için neleri sağlaması gerektiğini belirten ağırlıklı olarak IEEE standartlarına atıfta bulunan bir başka lisanslama kaynağıdır. Zaten elektrik standartları da (örnek IEEE) güvenlik kriterleri ortaya koyan yapıdadır. Örnek olarak "IEEE 603 Standard Criteria for Safety Systems for Nuclear Power Generating Stations" santralde güvenlik sistemleri için standart kriterleri ( yedeklilik, Class 1E ekipmanın kalifiye edilmesi, fiziksel ayrıştırma bağımsız yapı, farklılaştırma ) belirtirken "IEEE 308 Standard Criteria for Class 1E Power Systems for Nuclear Power Generating Stations" güvenliğe yönelik Class 1E sistemin özelliklerini belirtir. IEEE 308, Class 1E kavramının ortaya çıktığı bir kaynaktır. Class 1E ekipmanı kalifiye olma anlamında sismik olaylar ve kaza sonrası çevre koşullarında çalışmak zorundadır. Class 1E ile ilgili diğer bir durum "single failure criterion" denilen tekil arıza kriterine göre tasarım koşuludur. Amaç, bir sistemin arıza yapması durumunda birbirini yedekleyecek diğer sistemlerin devrede kalmasıdır. Aşağıdaki şekilde dizel generator baralarının birinde arıza olması durumunda diğer iki bara tekil arıza kriterini sağlamak için faal olmalıdır. Arıza sonrası iki baraya ihtiyaç olmasının sebebi güvenlik fonksiyonu için besleme sağlarken kalan iki baradan birinin daha arıza yapması durumunda nükleer güvenliğin tehlikeye düşmesidir. Tekil arıza kriteri aktif sistemli reaktörler için minimum güvenlik gereksinimidir. EPR gibi aktif sistemli reaktörlerde güvenlik fonksiyonlarını yerine getirme, ağırlıklı olarak elektrik sistemlerine bağlı olduğundan alternatif akım (AC) Class 1E sistemi önemlidir.

Tekil Arıza Kriteri (Single Failure Criterion)

Generation 3+ reaktörlerinde Tekil Arıza Kriteri online bakım göz önüne alınarak güvenliği artırma adına ( maliyet artışı da sağlar) N+2 şeklindedir. Aşağıdaki şekilde görüldüğü gibi bara arızası durumunda online bakıma alınan diğer bir bara olmasına rağmen nükleer güvenliği tehlikeye atmayacak şekilde en az iki bara güvenlik fonksiyonunu sağlamada çalışır durumdadır. İkisinden birinin arızası durumunda bile bir bara aktiftir. Farkedildiği üzere güvenlik kriteri olan yedeklilik kriteri tekil arıza durumunda tasarımı şekillendirmektedir. 

Tekil Arıza Kriteri + Online Bakım

Class 1E tasarım kriterini sağlamak için örnek olarak dizel generatörlerin yedeklenmesi ve fiziksel olarak ayrı kısımlarda yer alarak bağımsız bir yapı içinde bulunması, %100 çalışır durumda olmasının sağlanması ve sistemin kalifiye edilmesi gerekmektedir.

Nükleer güvenlik elektriksel sistemde sadece Class 1E sistemi baz alarak sağlanmaz. Aşağıdaki şemada görüldüğü üzere örneğin acil durum generatörleri Class 1E olmayan normal baralara bağlanır ve teknolojik ve yapı olarak farklılaştırılır. Tüm Class 1E sistemin gitmesi durumunda bu acil durum generatörleri devrededir. Bu tasarım Fukushima sonrası güvenlik fonksiyonlarının yerine getirilememesi durumunda örneğin yedekliliğin de çalışamaz olduğu " Common Cause Failure" durumunda alınan tasarım durumudur. Class 1E nükleer güvenlik kriterleri elektriksel besleme harici ölçü kontrol sitemlerine, DC sistemlere de uygulanır. 

Vogtle 3 örneğinde olduğu gibi AP1000 tipi ağırlıklı  pasif sistemli reaktörlerde benzer tasarım kriterleri geçerli olmakla  birlikte AC sistem bir güvenlik fonksiyonu görevine sahip değildir. Günümüz reaktörleri artan sayıda pasif özellikler içermektedir. Bazı reaktörler aktif sistemlerin yanında bir takım pasif soğutma yöntemleri ile yakıt erimesinin önüne geçecek tasarımlar içerir. 

 

A thttps://www.nrc.gov/reading-rm/doc-collections/cfr/part050/part050-appa.htmlo Part 50—General Design Criteria for Nuclear Pow

SMR ( Küçük Modüler Reaktör) Güvenli Mi?

Orta ya da küçük ölçekli reaktör  olan Small Modular Reactor - SMR, esnek enerji üretimi ve elektrik üretimi harici, elektrik dışı ve kojenerasyon uygulamaları için ve altyapının daha az olduğu kırsal bölgelerde kullanım için de düşünülmektedir. Tek ünite, çoklu ünite ve yenilenebilir kaynaklarla birlikte SMR kullanılabilmektedir. Özellikle eskimekte olan fosil yakıtlı üretimin yerini almasına yönelik de kurulumu olabilmektedir. Kendiliğinden ya da doğası gereği güvenli ve pasif özelliklerin ( elektriğe ihtiyaç duymayan ve operator müdahalesi gerektirmeyen) gelmesi ile güvenliklerinin arttığı belirtilmektedir. Sistem basitleştirilmesi ile yatırım maliyeti de azalmaktadır. Normal santrallere göre ebat küçüldüğünden inşaat maliyeti daha yönetilebilir olmakta ve fabrikasyon ile önceden yapılmaları inşaat süresini kısaltmaktadır.

Özellikle SMR'ın satışı ile ilgili belirtilen noktalardan biri mevcut reaktör tasarımlarına göre daha güvenli olmalarıdır. Güvenlikle (Safety) ilgili olarak aşağıdaki durumların DOE tarafından göz önüne alınması istenmiştir. 

Nükleer Santral Terimlerine Yönelik Çeviri Önerileri

Nükleer sektör ağırlıklı olarak ingilizce doküman üzerine kurulu olduğundan kullanılan terim ve kavramlar konuşma esnasında türkçe ifade ederken bile sanırım kolaylık sağladığından ingilizceye dönülmektedir. Türkçe bir rapor hazırlarken de ingilizce ifadelerle türkçe kelimeler anlaşılabilirliği artırmak için birlikte kullanılmaktadır.

Türkiye'de gelişmekte olan nükleer sektörde aşağıda bazı temel nükleer ekipman ve kavramlara yönelik bulabildiğim çeviriler ve önerilerim yer almaktadır. 

Nükleer Santral Elektrik Sisteminin Nükleer Güvenliğe Etkisi

Nükleer santralde temelde 3 adet olan güvenlik fonksiyonlarının nükleer kazayı önleme ve sonuçlarını hafifletmek için gerçekleştirilmesi gerekmektedir.

1. Reaktivitenin kontrolü (reactivity control)
2. Bozunum ısının bertaraf edilmesi (decay heat removal)
3. Radyoaktif maddenin sınırlandırılması 

Nükleer santraldeki elektrik sistemi doğrudan bu 3 adet güvenlik fonksiyonunu gerçekleştirmez ancak bu fonksiyonları yapan ekipmanın çalışabilmesi için gerekli güç beslemesini sağlar. 

Nükleer santral işletme koşulları, normal işletme durumları ve kaza koşulları olarak ikiye ayrılmaktadır. Aşağıdaki tablo Uluslararası Atom Enerjisi Ajansı'nın dokümantasyonundan alınmıştır. Olayların olma olasılıklarına göre de bir sınıflandırma söz konusudur. Örnek olarak şebekeyle ilgili iletim sisteminin kaybı olayı (LOOP) her santralin ömrü boyunca bir kez karşılaşma ihtimali olunan beklenen bir işletme koşulu olarak tasarımlarda göz önüne alınmaktadır. İletim sisteminin kaybı durumuna karşı tasarımda yedekli dizel/gaz generatörleri kullanılmaktadır.

PWR gibi ağırlıklı olarak aktif sistemli reaktörler için en güvenilir besleme kaynağı elektrik iletim şebekesidir. Normal işletme, beklenen işletme koşulları (anormal durumlar da denebilir), kaza koşulları ve kaza sonrası durumlarda iletim sisteminin santral elektrik dağıtım sistemini beslemesi gerekmektedir. İletim sistemi, santral elektrik dağıtım sisteminde yer alan güvenlikle ilgili baraya (Class 1E'de denilir) güvenlik sistemlerinin çalışarak santralin güvenli şekilde devreden çıkarılması amacıyla besleme sağladığından nükleer güvenlik açısından önemli sistemdir. Bu nedenle, yedeklilik, fiziksel ayrım, bağımsız olma gibi kriterler şebeke besleme sistemine uygulanır.

Büyük güçlü nükleer santralin kendisinin ya da bazı ünitelerinin, ya  da başka bir büyük güçlü üretim santralinin (başka bir nükleer santral ya da üretim tesisi olabilir) devreden çıkması ya da şebeke kaynaklı olaylar şebeke kararlılığını etkilemektedir. Şebeke kararsızlığı ya da çökmesi santralin LOOP durumuna yani şebeke beslemesi kaybına yol açacağından güvenlik fonksiyonlarını çalıştırır.

İletim şebekesi, hat güzergahı, iletim hattı direklerinin tipleri, şalt sahası konfigürasyonu ve bağlantılar nükleer santralin kurulacağı sahaya özgü olmaktadır.

Nükleer santral elektrik sistemi Şekil 1'deki gibi gruplandırılabilir.

Şekil 1. Nükleer Santral Elektrik Sistemi 

Nükleer santralin elektrik sistemi tasarımına bağlı olarak normal işletme koşullarında santral iç tüketimi, senkron generatör yani ünite çıkışından ya da Amerika'daki nükleer santral örneklerinde olduğu gibi devreye alma/çıkarmada bara transferine ihtiyaç duyulmadığından santral şaltı ile şebekeden de karşılanabilir. Ünite senkron generatörü genelde 3 adet tek fazlı ya da 3 fazlı yükseltici trafo ile iletim şaltına dolayısıyla ana şebekeye bağlanır. 

Şekil 1'de santral güvenlik fonksiyonlarını yerine getirecek sistemlerin beslenmesi amacıyla güvenlik baralarının bağlantılarını IEEE 765 standartı baz alınarak örnek olarak gösterilmektedir. Santral teknolojisi ve elektriksel tasarıma göre tek hat değişecektir. 

Şekil 2. İletim sistemi güvenlik baralarının beslemesi

Nükleer santral normal işletme sırasında iletim şebekesine yani ana şebekeye enerji vermekte, devreye alma ve devreden çıkma durumunda şebekeden enerji çekebilmektedir. 

Şekil 2'de santralin devreye alınması ve devreden çıkarılması durumunda generatör kesicisinin açılması ile çift yönlü ana trafo sayesinde santral iletim şebekesinden ünite trafolarını besleyerek gerekli fonksiyonları gerçekleştirir. Ana şebekeden besleme olarak ifade edilen bu besleme biçiminde, ana şebekenin kaybı durumunda yedek besleme sistemi santral iç tüketim baralarına ayrı bir hat ya da hatlarla indirici trafolar (yedek şebeke trafosu) vasıtası ile bağlanmaktadır. Yedek şebeke ağırlıklı olarak santrali güvenli şekilde devreden çıkarmaya yarar. 

Güvenlik fonksiyonu için besleme sağlayan güvenlik baraları ve güvenlikle ilgili olmayan bara sayısı santrale göre değişir. Güvenlikle ilgili olmayan baralar, güvenlik baralarını besleyen ünite trafosu hattı ile beslenebildiği gibi ayrı bir trafo veya trafolar ile de beslenebilir. Güvenlik barası sayısında N+1 kriteri, hatta yeni tip reaktörlerde N+2 kriteri dikkate alınmaktadır. Bu kriterlerle birlikte güvenlik fonksiyonu yapacak ekipmanı besleyecek bara sayısı yedeklilik ve nükleerde yer alan kısıtlı işletme şartını ortadan kaldırmak adına 3 adet ( biri arızalı iken ikisi birbirini yedekleyecek şekilde devrede olmalı) ve online bakım göz önüne alındığında 4 adet ( bakım+ arıza + 2 yedekli çalışma) olmaktadır. 

Yedek şebeke,  ana şebeke ile aynı gerilim seviyesinde olabilir. Bu durum, nükleer güvenlik için yeterli olmakla birlikte farklı gerilim seviyesi ile bağlantı ile güvenlik artırılmaktadır. Nükleer güvenlikte en az iki adet bağımsız iletim sistemi ile bağlantı gerekmekte ve kaza durumunda santrali güvenli duruma getirecek, birbirinden fiziksel olarak bağımsız ve aynı kabiliyete bu iki iletim sistemi kullanılmaktadır. Türkiye'de bu durumda ana şebeke olarak 400 kV ve yedek şebeke olarak 154 kV iletim sistemi örnek olarak verilebilir. 

Nükleer Santral Güvenlik Fonksiyonu

Isı çevrimine bağlı olarak elektrik üretmesi ile bir termik santral olmasına rağmen nükleer santrali termik santralden ayıran en önemli özelliklerden biri, kaza durumunda sonuçlarının ağır olması nedeniyle göz önüne alınması gereken nükleer güvenlik (safety) kavramıdır. Nükleer güvenliği sağlamak adına santralde gerçekleştirilmesi gereken temelde 3 adet güvenlik fonksiyonu vardır.

1. Reaktivitenin kontrolü (reactivity control)

2. Bozunum ısının bertaraf edilmesi (decay heat removal)

3. Radyoaktif maddenin sınırlandırılması 

Literatürde ve düzenleyici kuruluşların dokümanlarında bu üç fonksiyon farklı ifadelerde aynı anlamda verilebilmektedir.