Üçüncü Baskıya Önsöz - Hacettepe Üniversitesi Nükleer Enerji

Üçüncü Baskıya Önsöz
Bu baskı, lisans programında giriş ve ileri seviyede nükleer mühendislik derslerini öğretirken edindiğim kişisel tecrübelerden türetilmiştir. John Lamarsh’ın
orijinal gayesi ile uyumlu olacak şekilde, onun nükleer mühendislik eğitimine
yaklaşımını ve stilini korumak için her çaba gösterilmiştir. Son baskıdan bu
yana endüstride önemli değişikler olmuştur. Bu değişiklikler; ileri santral tasarımlarının geliştirilmesi, santral inşasındaki süre kısalmaları, yüksek hızlı
bilgisayarların yaygın kullanımı ve Sovyetler Birliği ve Doğu Bloku ülkelerinin dağılması/açılmasıdır. Pedagojik açıdan, internet eskiden sadece kütüphanelerde bulunabilen birçok kaynağa erişim sağlamaktadır. Bu kaynakların
bazılarını bu baskıya dahil etmek için gayret gösterilmiştir.
Metni bu yeni teknolojileri de kapsayacak şekilde geliştirmek ve batı tasarımı olmayan nükleer reaktörlerin incelenmesi için faydalı hale getirmek
amacıyla, Nükleer Reaktörler ve Nükleer Güç bölümünde (Bölüm 4) kapsamlı
değişiklikler yapılmıştır. Bu bölüm Sovyet tasarımı reaktörleri ve teknolojiyi kapsayacak şekilde revizyon görmüştür. Dünyadaki nükleer güç kullanımı,
öngörüler ve maliyetler en güncel bilgileri kullanarak yenilenmiştir.
Reaktör Lisanslama ve Güvenlik bölümünde (Bölüm 11), Çernobil kazası,
en yeni reaktör güvenlik çalışması (NUREG-1150) ile birlikte ele alınmıştır.
Ayrıca, Tokai-Mura gibi güç üretimi ile ilgili olmayan reaktör kazalarının anlatıldığı bir altbölüm de eklenmiştir.
Bölüm 2’den 7’nin sonuna kadar olan temel malzeme, yeni referansları da
kapsayacak ve yazarın nükleer mühendislik eğitimindeki tecrübesini yansıtacak şekilde güncellenmiştir.
iii
iv
Üçüncü Baskıya Önsöz
Metin içerisinde mümkün olan yerlerde kaynaklar daha yeni referansları
kapsayacak şekilde güncellenmiştir. Birçok konuda, eski ve basımı tükenmiş
kitaplara olan referanslar, daha yenileri olmadığı için korunmak zorunda kalınmıştır. Bu kitaplar genellikle üniversite kütüphanelerinde bulunduğundan
çoğu okuyucu onlara ulaşabilir.
Bölüm 9 eski halinde bırakılmasına rağmen SI birim sisteminin daha kapsamlı incelenmesini ve radyasyondan korunma felsefesinde gerçekleşmiş değişiklikleri yansıtacak şekilde güncellenmiştir. Bu değişikliklerin çoğu henüz
genel kullanım aşamasına gelmediğinden eski irdelemelere de yer verilmiştir.
İkinci baskıda olduğu gibi, çeşitli yanlışlar düzeltildi ve şüphesiz yenileri
yapıldı. Gremlinler asla uyumaz!*
*
Çeviri Kurulu Notu: ‘Gremlinler, ilk olarak İngiliz havacılar arasındaki söylencelerde yer almış
olan ve hava taşıtlarındaki (genelde ölümcül olmayan) arızalardan sorumlu tutulan yaramaz, küçük,
hayali yaratıklardır. Günümüzde ise (Steven Spielberg ve Joe Dante’nin 1984 yapımı “Gremlins” adlı
filminin de etkisiyle), ‘Gremlin’ler denince, sevimli ama bazen canavarlaşıp tüm makineleri bozan,
hemen her şeyi tahrip eden fantastik küçük yaratıklar akla gelir oldu. Bu bağlamda yazar, “Gremlinler
asla uyumaz!” sözü ile, “yanlışları ne kadar düzeltmeye çalışırsan çalış, bazıları muhakkak gözünden
kaçar” demek istiyor. Yazar doğru söylüyor. Ancak, tüm yanlışların sorumluluğunu ‘Gremlin’lere yüklemek doğru değil; Çeviri Kurulunun önsözünü okumanızı öneririz.
‘Çeviri Kurulu’nun Önsözü
Hacettepe Üniversitesi - Nükleer Enerji Mühendisliği Bölümü (HÜ-NEM),
1982 yılında, Prof. Dr. Yalçın Sanalan ve Prof. Dr. Osman K. Kadiroğlu’nun
çabaları ile ve önderliğinde, Nükleer Enerji Mühendisliği alanında lisans
düzeyinde eğitim/öğretim programı başlatmış ve bugüne dek Türkiye’nin
‘Nükleer Enerji Mühendisi’ diploması veren ilk ve tek eğitim/öğretim kurumu
olma özelliğini sürdürmüştür.
John R. Lamarsh ve Anthony J. Baratta’nın “Introduction to Nuclear
Engineering” kitabının ikinci baskısı, 1990’lı yılların ilk yarısından itibaren
HÜ-NEM üçüncü yıl programında bulunan ‘Nükleer Reaktör Analizine Giriş
- I’ ve ‘Nükleer Reaktör Analizine Giriş - II’ derslerinin kitabı olarak kullanıldı. 2000’li yıllarda kitabın üçüncü baskısı çıktı ve ikinci baskının yerini
aldı. 2013 yılında HÜ-NEM eğitim/öğretim programında yapılan kapsamlı
revizyon sonrasında, bahsi geçen derslerin adı ‘Nükleer Mühendislik - I’ ve
‘Nükleer Mühendislik - II’ olarak değiştirildi; ders kitabı ise aynı kaldı. Bu
iki dersin amacı, öğrencileri dördüncü sınıftaki Nükleer Mühendislik meslek
derslerine hazırlamaktır. Nükleer Mühendislik - I dersinde kitabın ilk 6 bölümü işlenmektedir. 7. Bölümden 11. Bölüme kadar olan kısım ve 11. Bölümün
seçilmiş bazı altbölümleri Nükleer Mühendislik - II dersine dahil edilmektedir.
Bunun yanı sıra, söz konusu iki ders, HÜ-NEM’e lisans-üstü çalışma yapmak için gelen, fakat nükleer mühendislik altyapısı bulunmayan tüm öğrencilerin öncelikle başarması gereken ‘bilimsel hazırlık’ programına da muhakkak
konmaktadır. Yani, HÜ-NEM’deki tüm lisans-üstü öğrencilerin öncelikle bu
kitabın içeriğini öğrenmesi/bilmesi beklenmektedir.
“Introduction to Nuclear Engineering” kitabı nükleer mühendisliğin hemen
hemen tüm konularını makul derinlikte ele aldığı için nükleer mühendislik
xi
xii
Çeviri Kurulunun Önsözü
eğitiminin ön aşamalarında kullanıma çok uygundur ve muhtemelen bu nedenle, nükleer mühendislik alanında başka dillere en fazla çevrilmiş kitap
olma vasfına sahiptir.
Tüm bu olumlu vasıflar kitabın az sayıda hata içerdiği anlamına gelmiyor.
Yıllar boyu bu kitabın ikinci baskısını ders kitabı olarak kullanmış olan HÜNEM öğretim üyeleri pek çok hata tespit ettiler. 2000’li yıllarda, kitabın üçüncü baskısı çıktığında bu hataların çoğunun düzeltilmiş olacağı ümit edildi, ancak düzeltilenden fazla yeni hata ile karşılaşmak tam bir hayal kırıklığı yarattı.
Öyle ki kitabın üçüncü baskısının 4. Bölümüne güncelleştirme amaçlı eklenen
(nispeten) yeni reaktörler ile ilgili çoğu ‘Şekil’e gerekli açıklamaları ve bir
‘Tablo’ya ilgili sayıları koymak dahi unutulmuş. Ayrıca, bir sürü ‘Eşitlik’te ve
bazı ‘Örnek’lerde daha önce tespit edilen yanlışlar aynen kalmış, hatta bunlara
yeni yanlışlar da eklenmiş...
Kitabın orijinal üçüncü baskısındaki hata sayısı o kadar çoktu ki, Çeviri
Kurulu olarak, bunları tek tek not etmenin boşa zaman, enerji ve kitap hacmi
kaybına yol açacağını düşündük. Bu nedenle, yalnızca, 4. Bölüme eklediğimiz
açıklamalara ‘Çeviri Kurulu Notu’ koymakla yetindik; diğer tüm hataları ise
not etmeye gerek görmeksizin elimizden geldiğince düzelttik. Bu bağlamda,
çeviri sürecinde orijinal kitaptaki hataları arayıp bulup bize bildiren HÜ-NEM
araştırma görevlileri Ahmet Burak Aksoy, Haluk Atak, Muhammet Ayanoğlu,
Hüseyin Ayhan, Osman Şahin Çelikten, Şamil Osman Gürdal, Ali Tiftikçi ve
Mehmet Türkmen’e teşekkür ederiz.
Şunu da özellikle belirtmek isteriz: Elinizdeki bu Türkçe kitabın içerdiği
tüm yanlışların (teknik, gramer vd.) sorumluluğu öncelikle Çeviri Editörüne
ve sonra da Çeviri Kurulunda yer alan Hacettepe Üniversitesi – Nükleer Enerji
Mühendisliği Bölümü öğretim üyelerine aittir.
Türkçe kitapta tespit ettiğiniz her hatayı, yanlış olabileceğini düşündüğünüz her hususu, dili nedeniyle anlaşılması zor gelen ve/veya Türkçesi
hoşunuza gitmeyen yerleri vb. bize bildirirseniz, bunları düzeltmek ve yazım
dilini iyileştirmek için gayret gösteririz.
Kitabı Türkçeye çevirirken, bir yandan orijinaline sadık kalmaya özen
gösterdik, diğer yandan da konuyu anlaşılır kılmak için çaba harcadık; nadiren
de olsa ‘anlaşılır’lığı ön plana aldığımız yerler oldu. Nükleer Enerji alanındaki İngilizce pek çok sözcüğün Türkçe karşılığını bulamamak da zaman
zaman sorun yarattı. Bu sorunu en aza indirmek amacıyla, ‘Türk Dil Kurumu – Büyük Türkçe Sözlük’ü referans olarak benimsedik ve orada yer alan
(çok yadırgamadığımız) sözcükleri kullanmaktan çekinmedik. Büyük Türkçe
Sözlük’te karşılığını bulamadığımız kelimeler de oldu haliyle. Bu kelimelere
Türkçe karşılık üretmeye çalışmak yerine, onları Türkçe okunuşuyla (mesela
“fluence” yerine ‘fluens’ gibi, tek tırnak içinde) aynen kullanmayı tercih ettik.
Ayrıca, çevirinin genelinde orijinal İngilizce sözcükleri çift tırnak içinde sık
sık belirttik; böylece yerlerine kullanılan Türkçe sözcüklerin daha iyi anlaşılacağını düşündük.
Umarız bu çeviri kitap Nükleer Mühendislik eğitimine katkı sağlar.
Çeviri Kurulu
Ankara, Türkiye
Eylül 2014
E-posta: [email protected]
[email protected]
ÇEVİRİ KURULU
Çeviri Editörü
H. Okan ZABUNOĞLU
Prof. Dr., Hacettepe Üniversitesi - Nükleer Enerji Mühendisliği Bölümü
Çeviride Emeği Geçenler
C. Niyazi Sökmen
Prof. Dr., Hacettepe Üniversitesi
Nükleer Enerji Mühendisliği Bölümü
Mehmet Tombakoğlu
Prof. Dr., Hacettepe Üniversitesi
Nükleer Enerji Mühendisliği Bölümü
Ayhan Yılmazer
Prof. Dr., Hacettepe Üniversitesi
Nükleer Enerji Mühendisliği Bölümü
Cemil Kocar
Doç. Dr., Hacettepe Üniversitesi
Nükleer Enerji Mühendisliği Bölümü
Şule Ergün
Doç. Dr., Hacettepe Üniversitesi
Nükleer Enerji Mühendisliği Bölümü
Üner Çolak
Prof. Dr., İstanbul Teknik Üniversitesi
Enerji Enstitüsü
Süleyman Sırrı Öztek
Fizik Mühendisi, Elektrik Üretim A. Ş. Genel Müdürlüğü,
Çevre Daire Başkanlığı
İçindekiler
1 NÜKLEER MÜHENDİSLİK 1
2 ATOM FİZİĞİ VE NÜKLEER FİZİK 5
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
2.10
2.11
2.12
2.13
2.14
Temel Parçacıklar 5
Atomik ve Nükleer Yapı 7
Atom ve Mölekül Ağırlığı 8
Atom ve Çekirdek Yarıçapları 11
Kütle ve Enerji 11
Parçacık Dalga Boyları 14
Uyarılmış Düzeyler ve Radyasyon 15
Nükleer Kararlılık ve Radyoaktif Bozunma
Radyoaktivite Hesaplamaları 22
Nükleer Tepkimeler 26
Bağlanma Enerjisi 29
Nükleer Modeller 33
Gazlar, Sıvılar ve Katılar 37
Atom Yoğunluğu 40
18
xv
xvi
İçindekiler
Referanslar 44
Problemler 45
3 RADYASYONUN MADDE İLE ETKİLEŞİMİ 3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
3.8
3.9
Nötron Etkileşmeleri 52
Tesir-Kesitleri 54
Nötron Demeti Zayıflaması 57
Nötron Akısı 60
Nötron Tesir-Kesiti Verileri 62
Saçılma Çarpışmalarındaki Enerji Kaybı 68
Fisyon 74
γ Işını Etkileşimleri 90
Yüklü Parçacıklar 100
Referanslar 109
Problemler 110
4 NÜKLEER REAKTÖRLER VE NÜKLEER GÜÇ 4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
4.8
4.9
117
Fisyon Zincir Tepkimesi 117
Nükleer Reaktör Yakıtları 119
Nükleer Güç Santrallerinin Nükleer-Olmayan Bileşenleri 129
Nükleer Reaktörlerin Temel Bileşenleri 133
Güç Reaktörleri ve Nükleer Buhar Sağlama Sistemleri 136
Nükleer Yakıt Çevrimleri 185
İzotop Ayırma 201
Yakıt Yeniden İşleme 217
Radyoaktif Atık Tasfiyesi 219
Referanslar 223
Problemler 224
5 NÖTRON DİFÜZYONU VE YAVAŞLATMA 5.1
5.2
5.3
5.4
5.5
5.6
5.7
5.8
5.9
5.10
52
Nötron Akısı 230
Fick Kanunu 231
Süreklilik Eşitliği 235
Difüzyon Denklemi 237
Sınır Koşulları 238
Difüzyon Denkleminin Çözümleri 240
Difüzyon Uzunluğu 246
Grup-Difüzyon Yöntemi 248
Termal Nötron Difüzyonu 252
Nötron Yavaşlatmanın İki-Grup Hesabı 257
230
xvii
İçindekiler
Referanslar 260
Problemler 260
6 NÜKLEER REAKTÖR KURAMI 6.1
6.2
6.3
6.4
6.5
6.6
6.7
6.8
266
Bir-Grup Reaktör Denklemi 266
Levha Reaktör 271
Diğer Reaktör Geometrileri 274
Bir-Grup Kritiklik Denklemi 282
Termal Reaktörler 286
Yansıtıcılı Reaktörler 297
Çok-Grup Hesaplamaları 308
Heterojen Reaktörler 309
Referanslar 320
Problemler 321
7 ZAMANA BAĞIMLI REAKTÖR 327
7.1
7.2
7.3
7.4
7.5
7.6
Zaman Problemlerinin Sınıflandırılması 328
Reaktör Kinetiği 330
Kontrol Çubukları ve Kimyasal Kontrol 348
Reaktivite Üzerinde Sıcaklık Etkileri 365
Fisyon Ürünü Zehirlemesi 376
Ömrü Boyunca Kor Özellikleri 389
Referanslar 397
Problemler 398
8 NÜKLEER REAKTÖRLERDEN ISI ÇEKİLMESİ 403
8.1
8.2
8.3
8.4
8.5
8.6
Genel Termodinamik Değerlendirmeler
Reaktörlerde Isı Üretimi 408
İletimle Isı Akışı 417
Soğutuculara Isı Aktarımı 428
Kaynama İle Isı Transferi 441
Bir Reaktörün Isıl Tasarımı 450
Referanslar 457
Problemler 459
9 RADYASYONDAN KORUNMA 466
9.1
9.2
9.3
9.4
Radyasyon Etkilerinin Tarihçesi 467
Radyasyon Birimleri 468
Bazı Temel Biyoloji Bilgileri 476
Radyasyonun Biyolojik Etkileri 479
404
xviii
İçindekiler
9.5
9.6
9.7
9.8
9.9
9.10
9.11
Radyasyonun İnsan Üzerindeki Nicel Etkileri 485
Radyasyon Etkilerinin Hesabı 495
Doğal ve İnsan Yapımı Radyasyon Kaynakları 499
Radyasyondan Korunma Standartları 506
Işınlanma ve Doz Hesapları 511
Radyonüklidlerin Alımına İlişkin Standartlar 526
γ Işını Kaynakları İle Işınlanma 535
Lügatçe 539
Referanslar 542
Problemler 544
10 RADYASYON ZIRHLAMASI 10.1
10.2
10.3
10.4
10.5
10.6
10.7
10.8
10.9
10.10
10.11
10.12
10.13
Gama Işını Zırhlaması: Yığılma Faktörleri 549
Sonsuz Düzlemsel ve Disk Kaynaklar 559
Çizgi Kaynak 566
Dahili Kaynaklar 571
Çok Katmanlı Zırhlar 573
Nükleer Reaktör Zırhlaması: Reaktör Zırhlama İlkeleri 576
Çıkarılma (“Removal”) Tesir-Kesitleri 578
Reaktör Zırh Tasarımı: Çıkarılma-Zayıflatma Hesaplamaları 584
Çıkarılma-Difüzyon Yöntemi 588
Kesin Yöntemler 590
γ Işınlarının Zırhlanması 595
Soğutucu Aktivasyonu 599
Zırhlardaki Kanallar 604
Referanslar 605
Problemler 606
11 REAKTÖR LİSANSLAMA, GÜVENLİK VE ÇEVRE 11.1
11.2
11.3
11.4
11.5
11.6
11.7
11.8
11.9
548
Resmi Yetki ve Sorumluluk 613
Reaktör Lisanslama 614
Nükleer Güç Santrali Güvenliğinin İlkeleri 623
Nükleer Tesislerden Salınan Atıkların Yayılması 631
Nükleer Santrallerden Kaynaklanan Radyasyon Dozları 650
Reaktör Yer Seçimi 669
Reaktör Kazaları 681
Kaza Risk Analizi 701
Çevresel Radyasyon Dozları 710
Referanslar 721
Problemler 723
612
İçindekiler
xix
EKLER
I
II
III
IV
V
Birimler ve Birim Dönüştürme Çarpanları 731
Temel Sabitler ve Veriler 737
Ortogonal Eğrisel Koordinat Sistemlerinde Vektör İşlemleri 745
Termodinamik ve Fiziksel Özellikler 751
Bessel Fonksiyonları 757
DİZİN 761