Toryum Nedir? Geleceğin Enerji Kaynağını Tanıyalım

Toryum ilk kez 1828 yılında Norveçli mineralog Morten Thrane Esmark  tarafından keşfedilmesine rağmen İsveçli kimyager Jöns Jacob Berzelius tarafından tanımlanarak periyodik cetveldeki yerini almıştır. Element adını İskandinav mitolojisinde savaş tanrısı olarak kabul edilen Thor’dan almaktadır. Toryum, atom numarası 90, atom ağırlığı 232 g/mol, yoğunluğu 11,72 g/cm3 fiziksel özellikleri ile periyodik tabloda aktinit serisinin ikinci üyesi olarak yer almaktadır. Aktinitler arasında en yüksek erime ve kaynama noktasına sahip elementtir. Ergime noktası 1750 °C, kaynama noktası 4785 °C, asıl rengi gümüş beyazı olan toryum, oksitlendiğinde önce gri renge bürünen sonrasında ise siyahlaşan ve nükleer enerji kaynağı olarak kullanılan radyoaktif bir elementtir. Toryumun bilinen 6 izotopu bulunmaktadır. Bunlar; 227Th, 228Th, 230Th, 231Th, 232Th ve 234Th dür. Sadece 232Th izotopu duraylıdır.

Dünya Toryum Rezervleri

Toryumun yerkabuğundaki ortalama konsantrasyonu yaklaşık 7 ppm olarak kabul edilmektedir. Diğer bir radyoaktif element olan uranyuma göre birkaç yüz kat daha fazla bulunmaktadır. Bu elementin doğada bulunma sıklığı molibden, arsenik ve kalay’dan yaklaşık 2 kat daha fazladır. Bununla birlikte kayaçlar içerindeki konsantrasyonları ise oldukça düşüktür. Toryum, uranyum gibi doğada serbest halde bulunmayıp 50’den fazla mineralin yapısı içinde yer almaktadır. Bu mineraller genellikle nadir toprak elementleri (NTE) cevherleşmeleri ile birlikte bulunmaktadır.  Üretim yapılabilen minerallerin en önemlileri monazit, torit ve torianit’dir. Allanit de içerdiği %0,1-2 toryum konsantrasyonu ile önemli bir mineraldir.
Toryum içeren önemli mineraller
Mineralin AdıKimyasal FormülüToryum İçeriği
Monazit(Ce, La, Nd, Th, Y)PO4%2,5
Torit(Th, U)SiO4%1-2
Torianit(ThO2+UO2)%12
Allanit(Ce,Ca,Y,La,Th)2(Al,Fe+3)(SiO4)3(OH)%0,1-1
2015 verilerine göre Dünya’da bilinen rezervin yaklaşık 5,8 milyon ton olduğu tahmin edilmektedir. Rezervler ağırlıklı olarak Hindistan, Brezilya, Avustralya, ABD ve Türkiye’de yer almaktadır.
 Dünya Toryum Oksit (ThO2) Rezervleri (ton)
ÜlkeRezervÜlkeRezerv
Hindistan963.000Güney Afrika148.000
Brezilya632.000Norveç132.000
Avustralya489.000Mısır100.000
ABD440.000Grönland86.000
Türkiye380.000İsveç50.000
Venezuela300.000Kazakistan50.000
Kanada172.000Diğer Ülkeler1.725.000
Rusya155.000

Toplam5.822.000
Idaho-Montana sınırında yer alan Lemhi Pass yatağı ABD’nin bilinen en büyük toryum yatağıdır (Şekil 2a). 5,5 km2 alana yayılan cevherleşme bölgesinde 64.000 ton kesin monazit rezervi bulunmaktadır. Mümkün rezervin 121.000 ton olduğu öngörülmektedir. Bu yatağın NTE konsantrasyonuda ortalama %0,073 ile 2,2 arasında değişmektedir. Toryum konsantrasyonu ise ortalama %0,43 olarak hesaplanmıştır. Diğer önemli bir yatak ise Colorado’da yer alana Wet mountains yatağıdır. Siyenitik ve karbonatit dayklar içerisinde damarcıklar ile birlikte gelişmiş bir cevherleşmedir. Ortalama tenör %0,04 – 0,6 arasında değişmekte, 58.200 ton kesin, 145.600 ton mümkün rezerve sahiptir.

Türkiye Toryum Yatakları

Eskişehir-Sivrihisar
Ülkemizde bu enerji kaynağınan yönelik ilk çalışmalar 1959 yılında Maden Tetkik ve Arama Genel Müdürlüğü (MTA) tarafından havadan uçak ile gerçekleştirilen jeofizik prospeksiyonu çalışmalarıdır. Eskişehir-Sivrihisar ilçesinin kuzey batısında Kızılcaören, Karkın ve Okçu Köyleri arasında kalan bölgede tespit edilen doğal radyoaktivite anomalilerinden yola çıkılarak uranyum ve toryum elementlerine yönelik etütler yapılmıştır. Yaklaşık 15 km2‘lik bir alanı kaplayan cevherleşme zonu içerisinde toryumun yanı sıra nadir toprak elementlerinin de varlığı tespit edilmiştir. Yürütülen arama faaliyetleri sonrasında 1977 yılında, “Eskişehir-Sivrihisar-Kızılcaören Köyü Yakın Güneyi Bastnazit-Barit-Florit Kompleks Cevher Yatağı” Nihai Etüt Raporu hazırlanmıştır. Bu rapor sonuçlarına göre bölgedeki cevherin ortalama tenörü %0,2 ThOolup, toplam rezervin yaklaşık 380.000 ton olduğu belirtilmiştir. Sahadaki ekonomik mineraller ise; monazit, florit, barit ve bastnazit olarak tespit edilmiştir.
Toryum, kompleks bünyesindeki monazit ve torobastnazit minerallerinin kafes yapısında yer almaktadır. Kompleks cevhere klasik yöntemler uygulandığında toryumun bir fonksiyonda toplanamayacağı, sadece toryumun kazanılmasına yönelik cevher çözündürme işlemleri uygulandığında toryumun yüksek verimle kazanılabileceği fakat işletme maliyetinin çok yüksek olması nedeniyle cevherdeki NTE’lerin elde edilmesi sonucu toryumun yan ürün olarak kazanılmasının daha uygun olacağı belirtilmektedir.
Burdur-Çanaklı
2006 yılında AMR Minerals firması tarafından Burdur-Çanaklı bölgesinde başlatılan arama çalışmalarında, Çanaklı-1 sahasında ortalama 49 ppm Th, 806 ppm NTE ve %6,1 Fe2O3 olmak üzere 80 milyon ton, Çanaklı-2 sahasında 38 ppm Th, 636 ppm NTE ve %5,92 Fe2O3 olmak üzere 414 milyon ton cevher tespit edilmiştir. Bölgede arama çalışmalarını sürdüren yatırımcı pilot tesis kurarak ilk fazda magnetit üretimi yapmakta olup, 2016 yılında cevherden toryum ve NTE eldesine yoğunlaşacağı belirtilmektedir.
Türkiye Bilinen Toryum Yatakları
Yatak AdıCevher MineraliCevherleşme TürüTh (ppm)NTE (ppm)Zr (ppm)Manyetit (%)
SivrihisarMonazit, torobasnazitAlkali magmatizma2000


Çanaklı-1Thorite, uranothorit ve betafitKül-döküntü çökelleri498084906,1
Çanaklı-2Thorite, uranothorit ve betafitKül-döküntü çökelleri386764145,92

Yataklardan Toryum Üretimi

Toryum ağırlıklı olarak monazit kumlarından üretilmektedir (Şekil 4). Bu mineral kumu nitrik asit ile reaksiyona alınarak toryum nitrat ve tribütil fosfat elde edilir. Çözelti içerisindeki nadir toprak elementleri ortamın pH oranının artması ile solüsyondan ayrılır. Diğer bir ayırma metodu ise monazitin %45’lik sulu çözelti haline sodyum hidroksit ile getirilerek 140°C’de karıştırılması ve sonrasında 80°C’ye soğutularak metal hidroksitler filtrelenmesidir. Sonrasında ise su ile yıkanarak konsantre hidroklorik asit ile çözülmesi sağlanır.  Son aşamada asidik solüsyonun pH’ı hidroksitler ile nötralize edilerek toryum hidroksitin Th(OH)4 çökelmesi gerçekleşir. Çökelmiş olan toryum hidroksit içerisinde yaklaşık %3 oranında nadir toprak elementleri emprütesi bulunmaktadır. Bu elementlerde inorganik asitler ile çözülerek ortamdan ayrılırlar. En çok tercih edilen toryum üretim tekniği ise nitrik asit kullanımıdır.
Th(OH)4 + 4 HNO3     ⇒         Th(NO3)4 + 4 H2O

Toryum’dan Nükleer Enerji Üretim Çalışmaları

Toryum kendiliğinden bölünebilme yeteneğine sahip değildir. Bu yüzden doğrudan nükleer yakıt olarak kullanılamaz. 232Th izotopunun, bir nötron yutarak, fisyon yapabilen (fisil) bir izotop olan 233U’e dönüştürülmesi gerekir. 232Th’nin düşük enerjili nötronlarla reaksiyonu (nötron yutumu) sonucunda, önce kararlılığı daha az olan 233Th oluşur. Radyoaktif yarılanma süresi 23 dakika olan 233Th ise, bir beta ışıması (β) yaparak yarılanma süresi 27 gün olan, 233Pa’a dönüşür. 233Pa, bir beta (β) ve bir gama parçacığı (γ) yayarak bölünebilen 233U’a (radyoaktif yarılanma süresi 163 bin yıl) dönüşmektedir. Böylece 232Th, 235U veya 239Pu gibi bir fisil maddeyle birlikte kullanılır. Toryumun radyoaktif yarılanma süresi 14 milyar yıldır.
Toryumlu yakıt denemeleri 1960 yıllarının ortalarında başlamış olmasına rağmen deneysel olarak enerji reaktörlerinde kullanılmasına 1976 yılında başlanmıştır. Almanya, Hindistan, Japonya, Rusya, İngiltere veABD’de ar-ge çalışmaları sürdürülmektedir. Almanya’da geliştirilen 300 MWe gücündeki toryum yüksek sıcaklık reaktörü, yarısından fazlası Th/U olan yakıtla 1983 – 1989 yılları arasında başarıyla işletilmiştir. 60 MWe Lingen kaynar sulu reaktöründe ise Th/Pu tabanlı yakıt test elemanı kullanılmıştır. Hindistan’da 2016 yılında toryum ile çalışacak bir nükleer santral faaliyete geçmesi planlanmaktadır.
Toryum – uranyum karışık yakıtlar, uranyum yakıtına göre daha az plütonyum üretmektedir. Ayrıca yüksek yanma sıcaklığında çalışabilmektedir. Bu da yakıtın reaktörde kalma süresini yani yakıt yeniden yükleme periyodunu uzatarak tesis kapasite faktörünün artmasına katkı sağlamaktadır.

Kullanım Alanları

Toryum yakıt döngüsünde uranyumdan daha az plütonyum ve diğer trans-uranyum elementleri üretildiğinden, nükleer santrallerin en temiz yakıtı olarak kabul edilir. Çevreye daha az zarar vermesi açısından da ileride nükleer reaktörlerde uranyum yerine kullanılması düşünülmektedir. Günümüzde toryumla çalışan ticarî ölçekli bir nükleer reaktör bulunmamaktadır.
Yüksek sıcaklıklarda magnezyumun direncini artırmak amacıyla alaşımlarda, elektronik cihazlarda ve aydınlatmada tungsten filamanların kaplanmasında, yüksek ısıya dayanıklı potaların yapımında, yüksek kaliteli kamera merceklerinde ve nükleer teknolojide kullanılmaktadır. Gaz tungsten ark kaynağında %1 toryum katkılı elektrotlar ark duraylılığını artırmak amacı ile kullanılmaktadır. Ayrıca toryum yüksek erime noktasına sahip olduğu için gaz lambalarında, kamp lambalarında ve sinemalarda yer alan projektörlerde kullanılmaktadır. U-Th yaş tayini metodunda 230Th izotopu kullanılmaktadır. Bu metot genellikle kalsiyum karbonat (CaCO3) içeren sedimanlar, mercanlar, kemikler ve dişlerin yaşlarının tayinlerinde kullanılır. 234U/230Th oranı kütle spektrometreleri ile ölçülebilmektedir. Yaş çalışmaları 1.000 ile 1.000.000 yıl arasında sınırlıdır.

Sonuç ve Öneriler

Günümüzde toryum yakıtı ile çalışan ticari ölçekte herhangi bir enerji santrali bulunmamaktadır. Deneme amaçlı küçük ölçekli santral çalışmaları Hindistan, Norveç ve ABD’de devam etmektedir. Bunun sonucu olarak da toryumun enerji hammaddesi olarak tüketimi yok denecek düzeydedir. Bu nedenle ülkemizde bulunan toryumun yakıt, çubuk veya cevher olarak satışı bugün için söz konusu değildir. Dünya genelinde de herhangi bir toryum pazarı temelde bu sebepten dolayı oluşmamıştır. En önemli potansiyel kullanım alanı olarak kabul edilen nükleer enerji santrallerindeki teknolojiler toryum kullanımına uygun hale geldiğinde, toryum’un ticari karşılığında bahsedilebilmesi mümkün olacak ve fiyatının hızla artacağı öngörülmektedir. Ancak ülkemizde bilinen ve henüz bilinmeyen toryum yataklarının daha detaylı bir şekilde araştırılması ve yapılacak olan pilot tesisler ile cevher kazanımına yönelik AR-GE çalışmalarına devam edilmesi, ülkemiz için dünya ki yerini sağlamlaştırması için önem arz etmektedir.
08 May 2019
08 May 0 17
Comment's:
Write your own Comment's