Uranyum Nasıl Yakıt Halinde Kullanılır?

Uranyum nedir?

Uranyum elementi 1789 yılında Alman Kimyager Martin Klaproth tarafından keşfedilmiştir. Elemente bu isim Uranüs gezegeninin 1791 yılında keşfedilmesinden sonra verilmiştir. Atom numarası 92, kütle numarası ise 238 olan element periyodik cetvelde aktinit grubu içerisinde yer almaktadır. Yoğunluğu suyun yaklaşık 18.7 katıdır. Uranyumun doğada bilinen üç izotopu vardır, bunlar U-238 (%99.275), U-235 (%0.72) ve U-234 (%0.005) tür. Cevher halinde iken zayıf radyoaktivite özelliğine sahip olan bu element, zenginleştirme işlemlerinden sonra güçlü bir radyoaktif element haline gelir. U-238 izotopunun radyoaktif yarılanma yaşı dünyanın da yaklaşık yaşı olan 4.468×109 yıldır. U-235 izotopunun yarılanma yaşı ise 7.13×108 yıldır.
Uranyum seramik sanayinde renklendirici, silah sanayinde bomba yapımı gibi çeşitli alanlarda kullanılsa da, uranyum ağırlıklı olarak nükleer enerji santrallerinde elektrik üretimi için yakıt olarak kullanılmaktadır. Tabiatta hiç bir zaman serbest olarak bulunmayan uranyum, çeşitli elementler ile birleşerek uranyum minerallerini meydana getirir. Doğada yaklaşık 200 farklı uranyum minerali bulunmaktadır. Bilinen en yaygın mineraller, Uraninit (UO2), Otinit (Ca(UO2)2(PO4)2·10-12H2O), Karnotit (K2(UO2)2(VO4)2·3H2O), Torbernit Cu(UO2)(PO4)2·12 H2O, Brannerit (U,Ca,Ce)(Ti,Fe)2O6 ve Kofinit U(SiO4)0.9(OH)0.4 di.
Uranyum hemen hemen her tür kayaç içerisinde ve sularda eser miktarda da olsa bulunmaktadır. Antimon, kalay, kadmiyum, cıva ve en önemlisi gümüş elementlerine göre uranyum yer kabuğunda daha fazla miktarda bulunmakta ve bu değerlendirmeye göre uranyum 51. sırada yer almaktadır.

Uranyum madenciliği

Uranyum madenciliği dünya üzerinde 20 farklı ülkede yapılmaktadır. Üretimde Kazakistan, Kanada, Avustralya ve Nijer’in payı çok büyüktür. Ağırlıklı olarak bu ülkelerde üretimin toplanmasının ana sebepleri ise uranyum cevherleşmesine olanak sağlayan çok büyük boyutlarda çökelme havzalarının bulunması, bu havzaların jeolojik yaşı çok eski olan kıtalarda olması ve tektonik etmenlerin cevherleşmeye yardım etmesidir.
Metal madenciliğinde olduğu gibi uranyum madenciliğinde de açık ocak işletmeleri, yer altı işletmeleri ve in situ recovery (ISR) tesisleri ile üretim yapılmaktadır. Cevher üretiminde, açık ocak ve yer altı işletmelerinin payı %47, ISR yönteminin payı %46, Ürdün ve ABD’deki bazı fosfat yataklarından üretilen uranyumun payı ise %7 dir.  2013 yılında dünya genelinde 59.380 ton sarı pasta üretimi gerçekleşmiştir.
Dünyada sarı pastaya olan arz ve talep eğilimi dengede seyretmektedir. 2011 yılında Japonya’da meydana gelen Fukuşima nükleer enerji santrali kazası sonrasında kısa süreli talep azalması olsa da, günümüz koşullarında enerjiye olan ihtiyacın hızla artması sebebiyle nükleer enerji santrallerinin proje ve inşa çalışmaları tekrardan ivme kazanmıştır. Dünya uranyum rezervlerinin 90 yıl daha yeteceği öngörülmektedir. Diğer metalik madencilik işletmelerindeki gibi uranyum yataklarının da işletme yönteminin belirlenmesinde aşağıdaki temel faktörler etkilidir;
– Yatağın tipi
– Yatağın derinliği
– Yatağın büyüklüğü
– Cevherin ve ortamın jeolojisi
– Cevherin tenörü

Açık ocak uranyum işletmeciliği

Uranyum cevherleşmesinin yeryüzüne yakın olduğu yataklarda açık ocak işletmeciliği yöntemi tercih edilmektedir. Rezerv büyüklüğü ve yıllık üretim miktarları göz önüne alındığında dünya çapında en önemli açık ocak uranyum işletmeleri, Ranger-Avustralya (Resim.3), Rossing-Namibya, McClean Lake-Kanada ve Arlit-Nijer’dir.

Yer altı uranyum işletmeciliği

Uranyum cevherleşmesinin ortalama 600m derinliğe kadar olduğu yataklarda uygulanan bir yöntemdir. Daha derin seviyelerdeki uranyum yatakları günümüz piyasa koşullarında pek de ekonomik değildir. Üretim esnasında tenör takibi radyoaktivite ölçümleri yapan sintilometre ve gamma ray spektrometre cihazları ile yapılmaktadır. Ayrıca jeokimyasal örnekler de alınarak laboratuvarda elde edilen sonuçlar radyoaktivite verileri kontrol edilerek üretimde tenör kararlılığı sağlanır. Rezerv büyüklüğü ve yıllık üretim miktarları göz önüne alındığında dünya çapında en önemli yeraltı işletmeleri, Olympic Dam-Avustralya, Cigar Lake-Kanada, McArthur River-Kanada, Rabbit Lake- Kanada, Akouta-Nijer ve Kraznokamensk-Rusya’dır.

In Situ Recovery (ISR)

Bazı uranyum cevherleşmeleri hem açık ocak ve hem de yeraltı işletmecilik tekniklerine uygun olmayabilmektedir. Bu tip yataklardan cevher elde edebilmek için konvansiyonel madencilik teknikerinden farklı uygulamalar kullanılmaktadır. In Situ Recovery-ISR (yerinde kazanım) yönteminde öncelikle enjeksiyon kuyularından sülfürik asit H2SO4 solüsyonu yer altındaki uranyum cevherleşmesi içerisine gönderilmektedir. Asit yardımıyla çözünen uranyum formasyon içerisindeki gözeneklerden geçerek re-enjeksiyon kuyuları vasıtasıyla yeryüzüne pompalanmaktadır. Herhangi bir öğütme/değirmen işlemlerine gerek kalmadan doğrudan iyon değişimi, filtrasyon ve çökeltme reaksiyonlarına sokulabilmektedir.
ISR yönteminin diğer madencilik tekniklerine nazaran çevreye etkisi daha az olduğu düşünülmektedir.  Öğütme/değirmen işlemleri by-pass edildiğinden operasyon maliyetlerinde azalma gerçekleşmektedir. Bu işletme yöntemin uygulanabilmesi için, uranyum cevherleşmesinin taban ve tavan kayaçlarının kapan oluşturabilecek özelliğe sahip olması, cevher içeren formasyonun yeterince gözenekli ve geçirgen olması, asit solüsyonu ile kolaylıkla çözülebilir olması ve en önemlisi de yer altı içme suyu kullanımının etkilememesi gerekmektedir. Yeraltı içme suyu kullanılan yerleşim yerlerine yakın yataklarda bu üretim yönteminin kullanılmasına izin verilmemektedir. Bütün bu koşullar yatak da sağlandığında ISR üretim yöntemi kullanılabilmektedir. ABD, Avustralya ve Kazakistan’da bu yöntem kullanılmakta, dünyada üretilen uranyumun %46’sı bu yöntem ile üretilmektedir. Belli başlı en önemli ISR tipi uranyum üretim işletmeleri, Tortkuduk, Inkai, Budenovskoye 2-Kazakistan ve Beverly-Avustralya’dır.

Sarı Pasta Üretimi

Açık ocak veya yeraltı işletmelerinde üretilen uranyum cevheri, kamyonlar, bantlar ve vagonlar aracılığı ile kırma ve parçalama tesislerine taşınır. Cevher, kırıcılar ve değirmenlerde ufalanır, sonrasında toz haline gelen cevher yıkama ve eleme işlemlerine tabi tutulur. Bu işlemde istenmeyen materyallerin cevherden uzaklaştırılması sağlanır. Tanklar içerisine alınan cevhere sülfürik asit eklenir ve uranyumun asit ile etkileşime geçerek çözünmesi sağlanır.
ISR üretim yönteminde ise kırma, ufalama, yıkama ve eleme işlemleri by-pass edildiğinden, asit çözeltisi ile çözünen cevher re-enjeksiyon kuyuları ile doğrudan yeryüzündeki tanklara gönderilir. Asit yüklü solüsyon filtre işlemine tabi tutulur ve sonrasında amonyum sülfat (NH3) eklenerek asidin sistem ayrıştırılması sağlanır. Gaz fazında amonyum, solüsyona gönderilerek uranyumun, amonyum diuranat (NH4)2U2O7 halinde çökelmesi sağlanır. Elde edilen bileşim yüksek sıcaklık altında kurutulur ve amonyum buharlaşarak son ürün olan sarı pasta (U3O) elde edilir. Toz halindeki sarı pasta, en son işlem olarak önce plastik poşetlere, sonrasında ise 200 kg kapasiteli metal variller içerisine depolanır.

Kimyasal Zenginleştirme

Maden işletmelerinde fiziksel ve kimyasal işlemlerden geçirilerek üretilen sarı pasta (U3O8) yaklaşık %85 saflıktadır. İçerisindeki istenmeyen materyalleri uzaklaştırmak ve bileşikteki uranyumun miktarını artırmak için kimyasal zenginleştirme tesislerine getirilir. Bu tesislerde kuru florit buharlaştırması ve ıslak yöntem olmak üzere iki farklı metotta dönüşüm işlemleri gerçekleştirilmektedir. Kimyasal zenginleştirme ve dönüştürme tesisleri sadece Amerika, Kanada, Çin, Rusya ve Fransa’da bulunmaktadır.
Islak yöntemde sarı pasta (U3O8) nitrik asit yardımı ile çözülür ve uranyum nitrat elde edilir. Fosfat ve bazı organik ayraçlar ile nitrik asit solüsyondan ayrılır. Yüksek ısı uygulanarak uranyum trioksit (UO3) çökelimi sağlanır.
Kuru florit buharlaştırması yönteminde ise katı fazdaki sarı pasta (U3O8) aşağıdaki tepkimelerden geçerek uranyum hexaflorit (UF6) gazına dönüştürülmektedir.
U3O8 + 2H2      ⇒       3UO2 + 2H2O (hidrojen gazı ile tepkimeye sokularak indirgenir)
UO2 + 4HF       ⇒       UF4 + 2H2O (hidrojen florit gazı eklenerek, uranyum tetraflorit elde edilir)
UF4 + F2           ⇒       UF6 (tetraflorit ısıtılmış ortamda flor gazı ile tepkimeye girerek uranyum hexaflorit
haline dönüşür)
ABD’de kuru yöntem kullanırken, diğer ülkeler ıslak yöntemi tercih etmektedirler. Yabancı maddeler ve empüriteler her iki metot içerisinde gerçekleşen tepkimeler esnasında ortamdan uzaklaştırılmaktadır. UF6 son derece aşındırıcı bir gazdır. Düşük sıcaklık ve orta dereceli basınç altında UFsıvı faza geçer.  Uranyum hexaflorit, kalın çelik duvarlı silindirik tanklar içerisinde gemiler vasıtasıyla moleküler zenginleştirme tesislerine nakledilir. Tanklarda soğutulan gaz beyaz renkli kristal haline dönüşür. Isıtıldığında yeniden gaz formuna dönüşen UF6 moleküler zenginleştirme işlemine hazır hale gelmektedir.

Moleküler Zenginleştirme

Günümüzde 500’ün üzerinde nükleer enerji santrali U-235 moleküllerince zenginleştirilmiş yakıt kullanmaktadır. Gaz halindeki UF6 santrifüj yöntemi ile zenginleştirmek uygulanılan en yaygın metottur. Avustralya’da lazer ile zenginleştirme yöntemi üzerine çalışılmakta birlikte henüz ticari bir çözüm elde edilememiştir. Uranyumun enerji santrallerinde yakıt olarak kullanılabilmesi için %0,7 – %5 oranında U-235 molekül konsantrasyonuna zenginleştirilmesi gerekmektedir. U-235 ve U-238’in kütle farklılıkları onların ayrılmasını kolaylaştırmaktadır. Kanada üretimi CANDU ve Birleşik Krallık üretimi Magnox reaktörleri uranyum zenginleştirilmesine gerek kalmadan U-238’i doğrudan kullanarak enerji üretebilmektedir.
Zenginleştirme işleminde öncelikle yüksek basınçlı UF6 gazı yaklaşık 3-5m uzunluğunda ve 20 cm çapında silindirik santrifüj tüplerinin içerisine gönderilir. Bu santrifüjler içerisindeki rotorlar dakikada 50.000-70.000 kez dönmektedir. Yüksek hızda dönen rotorlar silindirler içerisinde güçlü bir itme kuvveti meydana getirirler. Bu kuvvet kütlece daha ağır olan U-238 içeren gaz molekülleri silindirin dışına iterken, daha hafif olan U-235 gaz moleküllerinin merkezde toplanmasına sağlamaktadır. Santrifüj işlemi sonucunda U-235 molekül konsantrasyonu zenginleşmiş UF6 gazı elde edilir (Resim.6).
Uranyum zenginleştirme tesisleri dünya üzerinde belli başlı ülkelerde bulunmaktadır, bunlar Fransa, Almanya, Hollanda, Amerika, Birleşik Krallık, Rusya ve Çin’dir. 2013 yılında dünya genelinde 52.525 ton zenginleştirilmiş uranyum üretimi yapılmıştır. Nükleer enerjiye olan ihtiyacın her geçen gün artması nedeniyle yeni zenginleştirme tesisi yatırımları yapılmaktadır. 2020 yılında toplam üretimin yaklaşık 80.000 ton seviyelerini aşacağı öngörülmektedir.

Yakıt İmalatı

Santrifüj işleminden sonra U-235 moleküllerince zenginleştirilmiş olan UF6 gazının nükleer enerji santrallerinde yakıt olarak kullanılabilmesi için UO2’ye dönüştürülmesi gerekmektedir. UF6 gazı iki aşamadan geçirilir, 1. aşamada UF6 gazı tanklar içerisinde yüksek sıcaklık altında buharlaştırma işlemine tabi tutulur. 2. aşamada uranyum hexaflorit, H2 gazı ile kimyasal reaksiyona girerek florun bileşikten ayrılmasını sağlar. Kimyasal olarak indirgenen uranyum hexaflorit ’den UF6 toz halinde uranyum dioksit UO2 elde edilir.
Elde edilen UO2 parçacıkları homojen olarak aynı boyutlarda olmadıklarından kırma ve ufalama işlemlerine tabi tutulurlar. Bu işlemi takiben toz içerisine yanma önleyici ve gözenek oluşturucu kimyasallar eklenir. Elde edilen homojen boyuttaki toz parçacıkları 300 Mpa basınç altında iki yönden yüksek hızda sıkıştırılarak yaklaşık 1 cm yüksekliğinde ve 9 mm çapında silindirik seramik yapılı peletler haline getirilir. Her bir pelet yaklaşık 7 gram ağırlığındadır. Yeşil renkteki bu peletler 1.750C’de fırınlarda ısıtılarak pelet içerisinde kalan argon ve hidrojen gazlarının buharlaştırılması sağlanır. Peletlerin boyut ve ağırlık bakımından kalibrasyon işlemlerini takiben zirkonyum alaşım kaplamalı silindirik tüpler içerisine dizilerek yerleştirilirler. Zirkonyum çubuklar belirli düzende bir araya getirilerek yakıt demetlerini oluşturulur.

Yakıt Demetlerinin Oluşturulması ve Çekirdeğe Yerleştirme

Yakıt çubuğu ve yakıt demeti sayıları reaktör tiplerine göre değişiklik göstermektedir. Örneğin PWR tipi bir reaktör için 17×17 çubuk dizilimi bir yakıt demetini oluşturmaktadır. Yaklaşık 5m uzunluğundaki yakıt demeti yaklaşık 500 kg ağırlığındadır (Resim.8). 1100 Mw gücündeki PWR tip santral için 193 yakıt demeti gerekmektedir. Bir başka değişle 50.000 den fazla yakıt çubuğuna ve 18 milyon uranyum peletine ihtiyaç vardır. Hazırlanan yakıt toplulukları nükleer enerji santrallerinin reaktör çekirdeklerine yerleştirildikten sonra, aktifleştirme çubukları devreye alınır. Bu çubuklar ve yakıt arasında fizyon tepkimeleri başlar. Tepkimeler sonunda yüksek ısı enerjisi açığa çıkmakta ve bu enerji elektrik enerjisine çevrilerek santralden elektrik dağıtım ağına verilmektedir. Yakıt çubuklarının verimlilikleri belirli periyotlarda kontrol edilerek, enerji verimi azalan çubuklar yenileri ile değiştirilmektedir. Çekirdekten çıkarılan yakıt moleküler zenginleştirme tesislerinde %97 oranında yeniden kullanılabilir hale getirilmektedir. Kalan %3’lük kısım özel tasarlanmış beton muhafazalar içerisinde saklanmaktadır.
08 May 2019
08 May 0 75
Comment's:
Write your own Comment's