Nükleer Yakıt ve Atıklar

Yakıt Üretimi

Uranyum

Uranyum doğada hiçbir zaman serbest olarak bulunmaz. Çeşitli elementlerle birleşerek uranyum minerallerini meydana getirir. Yerkabuğunda yüzlerce uranyum minerali vardır; ancak bunların büyük çoğunluğu ekonomik boyutta uranyum içermezler. Ekonomik yatak oluşturanlar, autunite, pitchblende (uraninite), coffinite ve torbernite’tir.

Uranyum cevheri doğada bulunuş şeklinden nükleer reaktörde kullanılacak yakıt haline getirilinceye kadar birçok evreden geçer. Bunlar:

1. Cevher Arama,
2. Cevher Yatağının İşletilmesi, Cevher Çıkarma,
3. Sarı Pasta Üretimi,
4. Sarı Pasta Arıtma (ADU yapımı),
5. Kalsinasyon ve UO2’ye İndirgeme,
6. UO2’nin UF4’e Dönüştürülmesi,
7. UF4’den UF6 Yapımı.
8. Zenginleştirme
9. UO2’ye dönüştürme
10. Yakıt fabrikasyonu

Uranyumun diğer madenler gibi kolayca alınıp satılamaması, nakliyesinin çok sıkı kurallara, ülkeler arasındaki bazı anlaşmalara ve de uluslararası denetime bağlı olması nedeniyle, nükleer santral kuran veya kurmayı planlayan ülkeler, kendi uranyum kaynaklarını bularak değerlendirmeyi amaçlamaktadırlar.

Dünyadaki Uranyum üretimi:

1_10

Türkiye’de bugüne kadar bulunmuş uranyum yataklarının büyük bir çoğunluğu sedimanter tip yataklardır. Bu gruba, Köprübaşı, Fakılı, Küçükçavdar ve Sorgun uranyum yatakları girmektedir. Sadece Demirtepe yatağı damar tipi uranyum yatakları grubuna konulmaktadır.

1_11

Toryum

Toryum, nükleer santrallerde yakıt olarak kullanılma potansiyeli olan bir elementtir. Ancak toryum bölünebilen bir element olmadığından, fisyon yapamaz. Dolayısıyla zincir reaksiyonlarını devam ettiremez. Bu sebeple tek başına nükleer santrallerde kullanılması teknik açıdan mümkün değildir.

Toryum-232 bir nötron yutunca, toryumun farklı bir izotopuna dönüşür (Th-233). Birkaç hafta içinde ışıma yaparak U-233 izotopuna dönüşür. U-233 fisyon yapabilen bir izotoptur ve zincir reaksiyonu sürdürebilir. (U-235 izotopu gibi)

Toryum doğada Uranyumdan 3 kat daha fazla bulunur.

Toryum kaynakları açısından Hindistan, Türkiye, Avustralya, ABD, Venezüella ve Norveç önde gelen ülkelerdir.

Günümüzde Toryum’un önemli bir pazarı bulunmamakta ve nadir toprak elementleri üretiminde yan ürün olarak elde edilmektedir.

Toryum, Uranyum ve Plütonyuma göre daha hafif bir element olduğundan, yakıt çevrimi sonunda daha az transuranik elementler çıkmaktadır. Ancak, toryum yakıt çevriminde oluşan Paladyum-231 ve Th-229 oldukça radyotoksiktir[1].

Toryum’un enerji üretiminde kullanımı yeni bir kavram değildir. 1950’lerde ABD Oak Ridge Ulusal Laboratuarlarının sorumlusu Alvin Weinberg, ergimiş tuz yataklı reaktör tasarımı üzerinde çalışmıştır.

Şimdiye kadar toryumun nükleer santrallerde yakıt olarak kullanımı zenginleştirilmiş Uranyum ve Plütonyum ile birlikte olmuştur.

Toryumun Teknik Avantajları:

Madencilik açısından, Toryumun ortalama konsantrasyonu 10 ppm civarındadır. Barit, floritve nadir toprak elementleri ile birlikte bulunur. Uranyuma göre 3-4 kat daha fazla bulunmakla birlikte şimdiye kadar ticari olarak aranmamıştır.Toryum genel olarak nadir toprak elementlerinin madenden çıkartılması sonucunda ikincil ürün olarak çıkar. Bu madenciliği yapmak oldukça kolaydır ve madencilik sırasındaki radyoaktivite değeri olarak Uranyum madenciliğinden 100 kat daha düşüktür.[2]

Nükleer açıdan; Th-232, U-238’e göre 3 kat daha fazla termal nötron yutma olasılığına sahiptir. Dolayısıyla Th-232’den U-233’e dönüşme olasığı, U-238’den Pu-239’a dönüşme olasılığından daha yüksek ve verimlidir.U-233 fisyon yapabilen bir malzemedir. Bir nötron yutup bölününce, 2’den fazla nötron açığa çıkarmaktadır. Bu nötronlar termal spektrumda geniş bir yayılım gösterir.U-233’ün termal nötron yutma olasılığı U-235 ve Pu-239’a göre düşüktür. Ancak nötron yuttuktan sonra fisyon yapma olasılıkları eşittir.

Kimyasal ve Fiziksel açıdan; ThO2 kimyasal ve termo-fiziksel özellikleri UO2 ye göre daha iyidir. ThO2 yakıtının sıcaklıkla genleşme katsayısı UO2’ye göre daha düşüktür. Dolayısıyla yakıt zarf etkileşimi daha az olmaktadır.Ayrıca ThO2 yakıtı kimyasal olarak kararlıdır. Dolayısıyla kullanılmış yakıtların uzun dönem geçici depolanması daha kolaydır.

Yakıt Performansı açısından; Th-232 yakıtların HTGR’de (High Temperature Gas Cooled Reactor) çok iyi performans gösterdikleri ABD, Almanya ve İngiltere’de gösterilmiştir. 1000 oC’ye kadar çıkış sıcaklığı olacak olan VHTR’ler (Very High Temperature Reactor) hidrojen üretimi gibi alanlarda kullanılabilecektir.

 Toryumun Teknik Dezavantajları:

Toryum yakıtlarının erime sıcaklığı (3500 oC) Uranyum yakıtlarına (2800 oC) göre daha yüksek olduğundan yakıt fabrikasyonu sırasında zorluklar yaşanmaktadır.

Th-232 yakıtları kimyasal olarak kararlı bir yapıda olduğundan, yeniden işleme sürecinde zor çözünmektedir. Kullanılmış toryum yakıtlarının yeniden işlenmesi için daha yoğun kimyasal süreçler ve daha uzun süre gerekmektedir.

Kullanılmış Th-232 yakıtları yoğun miktarda U-232 içermektedir. U-232’nin yarılanma ömrü sadece 76 yıldır ve yarılanma ömrü çok kısa olan Bi-212 ve Tl-208 elementlerine dönüşür. Bunlar güçlü gama yayıcı elementlerdir. Dolayısıyla kullanılmış Th-232 yakıtlarıyla işlem yapmak için uzaktan kontrollü robotik sistemlere ihtiyaç duyulmaktadır. Buda yakıt çevrim maliyetini oldukça etkilemektedir.

Toryum yakıt çevirimi Uranyum ve Plütonyuma göre daha az tecrübe kazanılmıştır ve daha az bilinmektedir. Dolayısıyla tüm işlemlerin tamamen anlaşılabilmesi için yatırım yapmaya ihtiyaç vardır.

Türkiye’de Durum

Uranyum

Türkiye’de MTA tarafından yapılan aramalar sonucunda 9.129 ton uranyum (U3O8) kaynağı bulunmuştur. Bulunan uranyum yataklarının tenör ve rezervleri aşağıda verilmiştir.

1_12

Köprübaşı: %0,4-0,05 U3O8 ortalama tenörlü, 1.351 tonu Kasar tipi, 1.201 tonu Taşharman tipi, 300 tonu Ecinlitaş tipi olmak üzere toplam 2.852 ton görünür rezervi vardır

Fakılı: %0,05 U3O8 ortalama tenörlü, 490 ton görünür rezervi vardır.

Küçükçavdar: %0,04 U3O8 ortalama tenörlü, 208 ton görünür rezervi vardır

Sorgun: %0,1 U3O8 ortalama tenörlü, 3.850 ton görünür rezervi vardır.

Demirtepe: %0,08 U3O8 ortalama tenörlü, 1.729 ton görünür rezervi vardır.

 Toryum

1959 yılı itibariyle Eskişehir’de MTA çalışma yürütmüş. 380 bin ton tespit edilmiş Toryum kaynağı belirlenmiş. Toryum’un bulunduğu kayaç tipi sebebiyle diğer ülkelere göre cevher zenginleştirme işlemi daha zordur.

Toryum’un uranyum’a göre malzeme olarak daha kararlı olması reaktör kullanımında bir avantaj fakat reaktörden çıkarıldıktan sonra yeniden işlenmek istendiğinde bir dezavantaj olarak görülüyor.

Th-232’nin fisil izotop olan Uranyum-233’e dönüşmesi için reaktörde yüksek zenginlikte Uranyum veya Plütonyum ile birlikte kullanılması gerekiyor. Bu sebeple Toryum yakıt üzerine yapılan çalışmaların Uranyum yakıt çalışmaları ile paralel yürütülmesi gerekiyor.

Kullanılmış yakıtlar ve radyoaktif atıklar

Radyoaktif atıklar nükleer tesislerin işletilmesi (nükleer santral, nükleer yakıt üretimi, yeniden işleme vb.), tıbbi ve endüstriyel uygulamalar ile araştırma geliştirme faaliyetleri sırasında bir daha kullanılmamak üzere ortaya çıkan doğal radyasyon seviyesinin üzerinde aktiviteye sahip atıklardır. Bu atıklar katı, sıvı veya gaz formunda olabilir.

Radyoaktif atıklar Uluslararası Atom Enerjisi Ajansının (UAEA) kriterlerine göre temel olarak 5 sınıfa ayrılmıştır[3]. Her sınıf için alınacak tedbirler ve uygulanacak yöntemler farklıdır.

1. Kısa Yarılanma Ömrüne Sahip Atıklar
2. Çok Düşük Seviyeli Radyoaktif Atıklar
3. Düşük Seviyeli Radyoaktif Atıklar
4. Orta Seviyeli Radyoaktif Atıklar
5. Yüksek Seviyeli Radyoaktif Atıklar

Nükleer Santral işletmesinde çıkan atıkların sadece %3’ü yüksek seviyeli atıklardır. Örneğin, 40 yıl işletmede bulunan 1000 MW’lık basınçlı su reaktöründen çıkan yüksek seviyeli atıklar olimpik havuz büyüklüğünde bir alanda saklanabilmektedir. Buna rağmen, toplam radyoaktivitenin ise %95’ini,  atıkları yönetmek için gerekli maliyetin %80-85’ini yüksek seviyeli radyoaktif atıklar oluşturmaktadır.

1_13

4 kişilik bir aile hayatları boyunca elektriğini nükleer enerjiden karşılarsa bir golf topu kadar yüksek seviyeli atık çıkar. Eğer nükleer enerji yerine kömür kullanılmış olsa 68 ton atık çıkar.

Çok Kısa Yarılanma Ömrüne Sahip Atıklar: Yarılanma ömürleri çok kısa olduğundan radyoaktivitesi hızlı bir şekilde azalır. Bu atıklar birkaç ay ile birkaç yıl arasında bekletilir ve endüstriyel atıklar gibi bertaraf edilir.

Çok Düşük Seviyeli Radyoaktif Atıklar: Radyoaktivite seviyesi doğal radyasyon seviyesinin 100 katı fazlasına kadar olan atıklardır. Bu atıklar düşük seviyede radyoaktivite içerdiklerinden yüzey bertaraf tesislerinde bertaraf edilir. Nükleer santral işletmesinde veya işletmeden çıkarma sürecinde çıkan radyoaktif atıkların büyük bölümünü çok düşük seviyeli radyoaktif atıklar oluşturur.

Düşük Radyoaktif Atıklar: Radyoaktivitesi doğal radyasyon seviyesinden 100 kat kattan fazla olup 400 Bq/g’a kadar olan atıklardır. Bu atıkların bertarafı yüzeyde, yüzeyden 30-100 m yeraltında bulunan bertaraf tesislerinde ya da 500-1000 m yeraltında bulunan derin jeolojik bertaraf tesislerinde bertaraf edilebilir.

Orta Seviyeli Radyoaktif Atıklar:  Radyoaktivite seviyesi 400 Bq/g’den 10 milyon Bq/g’a kadar olan atıklardır. Bu atıkların bertarafı mühendislik yapıları desteklenmiş yüzeyden 30-100 m yeraltında bulunan bertaraf tesislerinde ya da 500-1000 m yeraltında bulunan derin jeolojik bertaraf tesislerinde bertaraf edilebilir.

Yüksek Seviyeli Radyoaktif Atıklar: Radyoaktivite seviyesi doğal radyasyondan 10-100 milyon kat daha fazla olan atıklardır. Kullanılmış yakıtlar ve yeniden işleme sonrası açığa çıkan sıvı atıklar bu kategoriye girer. Yarılanma ömrü uzun olduğundan binlerce yıl radyoaktivitesi devam eder. Kullanılmış yakıtlar soğumaları ve radyoaktivitelerinin düşmesi için reaktörden çıkar çıkmaz özel olarak tasarlanmış kullanılmış yakıt havuzlarına alınır. Sonrasında bertarafına kadar olan süreçte ya kuru depolama yapılır ya da uzun süre depolama yapmaya uygun başka bir kullanılmış yakıt havuzuna alınır. Buralarda 100 yıla kadar güvenli ve emniyetli bir şekilde saklanabilir. Kullanılmış yakıtların bertarafı 500-1000 m yeraltında formasyonu uygun kayaçlarda, özel olarak tasarlanmış çelik veya bakır kaplar içinde gömülerek bertaraf edilir.

[1] https://www.gen-4.org/gif/upload/docs/application/pdf/2013-10/gif_egthoriumpaperfinal.pdf

[2] Radon kaynaklı.

[3] http://www-pub.iaea.org/MTCD/publications/PDF/Pub1419_web.pdf

Paylaş
Share on FacebookTweet about this on TwitterShare on LinkedInShare on VK