Uranyum Zenginleştirme Ne Demek? Uranyum Nasıl Zenginleştirilir?

Uranyumda birbirinden atom kütlelerine göre ayrılan üç izotop vardır. Yeni kazılmış bir uranyumun:

• %99,3'ü uranyum-238'den (U²³⁸),
• %0,7'si uranyum-235'ten (U²³⁵),
• %0,01'inden azı ise uranyum-234'ten (U²³⁴) oluşur.

Bu izotopların kütlesi, uranyumdaki proton sayısı ve bu izotoplardaki nötron sayısı ile belirlenir. Uranyumda 92 proton; U²³⁸'de 146, U²³⁵'te 143, U²³⁴'te 142 nötron vardır. Eğer uygun şartlar sağlanır ve uygun malzemeler kullanılırsa, bu izotopları birbirinden ayırmak mümkündür; çünkü boyları ve ağırlıkları atomik düzeyde birbirinden farklıdır.

Uranyum Nasıl Zenginleştirilir?

Uranyumun nükleer reaktörlerde yakıt olarak kullanılabilmesi için önce cevherindeki U²³⁵ yoğunluğunun artırılması gerekir. Yoğunlaştırılmış (ya da "zenginleştirilmiş") U²³⁵, hafif su (yani sıradan su) kullanılan reaktörlerde parçalara ayrılabilir. Atom çekirdeğinin ikiye ayrıldığı böyle bir nükleer fisyon sonucunda ortaya ısı yayılır ve yeni nötronlar çıkar. Bu sırada uygun koşullar oluşursa, komşu atomlarda da fisyon görülür ve nükleer reaktörler böylece sürdürülebilir şekilde çalıştırılabilir.

Nükleer reaktörlerin içinde kontrollü bir şekilde nükleer reaksiyon sağlanırsa, bu sürecin sonunda ortaya çıkan ısıyla elektrik üretilebilir. U²³⁵, çıkarılan madenin sadece %0,7'lik kısmını oluştursa da bu oran, ticari amaçlı kullanımlarda %3 ile %5 aralığına çıkarılır ve daha sonra nükleer yakıt üretmek için işlemden geçirilir.

Uranyum oksit, zenginleştirme tesislerinde kullanılmadan önce uranyum hekzaflorüre dönüştürülür (UF₆). Bu işlemde UF₆'nın tercih edilmesinin iki sebebi vardır:

• Florun doğal olarak oluşan sadece tek bir izotopunun bulunması, zenginleştirme sırasında kolaylık sağlar; zira florun varlığı, U²³⁵, U²³⁸'den ayrılırken ek bir ağırlık farkı oluşmaz.
• UF₆, işlemden geçmeye elverişli bir sıcaklık seviyesinde gaz halinde bulunabilir.

Zenginleştirme tesislerinde tehlike yaratan iki temel unsur bulunur. Bunlardan biri UF₆ salınımından kaynaklanan kimyasal riskler, bir diğeri zenginleştirilmiş uranyumun taşıdığı kritiklik riskidir.

Uranyumun Zenginleştirilmesinde Hangi Yöntemler Kullanılır?

Zenginleştirme sırasında kullanılan yöntemler ise ülkeden ülkeye değişiklik göstermekle beraber gaz difüzyonu, gaz santrifüj ve lazerle ayırma olarak üç ana başlıkta toplanır.

Gaz Difüzyonu

ABD'deki ilk ticari santraller, uranyumu zenginleştirmek için ilk olarak difüzyon yöntemini kullanıp yüksek miktarlarda elektrik harcamıştır. Bu santraller, santrifüj yönteminde kaydedilen ilerlemelerle birlikte yerini ikinci nesil teknolojiyi kullanan ve uranyumu çok daha az elektrik harcayarak ayırabilen santrallere bırakmıştır.

Sürecin İşleyişi

Gaz difüzyonu yönteminin kullanıldığı santrallerde uranyum hekzaflorür (UF₆) gazı, filtreden geçirilirdi. Bunun için geçirgen olacak şekilde tasarlanmış özel zarların bulunduğu borular kullanılır ve UF₆ bu borulara pompalanırdı. Ancak aşağıdaki şemadan da anlaşılabileceği üzere bu zarlardaki delikler, gaz moleküllerinin neredeyse sığamayacağı kadar küçüktü.

ABD Nükleer Regülasyon Komisyonu

Bu yine de uranyumu zenginleştirmeye engel olmamıştır; çünkü U²³⁴ ile U²³⁵ atomları olan UF₆ molekülleri, U²³⁸ atomlu moleküllere kıyasla daha hafiftir ve daha kısa sürede difüze olur. Salınan UF₆ gazının yeteri kadar filtrelenebilmesi, başka bir deyişle, yeteri kadar U²³⁵'e sahip olabilmesi için bir değil yüzlerce zardan geçmesi gerekmektedir. Nükleer yakıtta kullanılacak UF₆, filtreden geçtikten sonra borulardan geri çekiliyor, sıvı hale gelecek şekilde yoğunlaştırılıp konteynerlere aktarılıyor, burada soğumaya bırakılıp katılaştıktan sonra yakıt imalat tesislerine gönderiliyordu. Aşağıdaki şemada gaz difüzyon yönteminin nasıl işlediği gösterilmektedir.

ABD Nükleer Regülasyon Komisyonu

Tarihteki Örnekleri

ABD'de Paducah’da (Kentucky), Piketon'da (Ohio) ve Oak Ridge'de (Tennessee) bulunan santraller geçmişte gaz difüzyonu yöntemini kullanmıştır. Amerikan hükümeti, Piketon ile Paducah’daki santrallerin ruhsatları için ABD Federal Düzenlemeler Kanunu’nun 10. Başlığının 76. Bölümü esas alınmış, 4 Mart 1997 tarihinde Birleşik Devletler Zenginleştirme Kurumuna (USEC) kiralanmıştı. Bu santrallerin ikisi de ticari amaçlarla faaliyet gösteriyor ve Nükleer Regülasyon Komisyonu (NRC) tarafından görevlendirilmiş bir veya iki müfettiş tarafından fiilen denetleniyor, bu denetimlere zaman zaman bölgesel ofislerden ve merkez ofisten müfettişler de katılım gösteriyordu.

NRC tarafından yürütülmüş denetimlere ilişkin belgeler, aşağıdaki bağlantılarda bulunabilir. Santrallerin güvenliğinden sorumlu Enerji Bakanlığı, bu iki tesis çalışmayı durdurduktan sonra ruhsatlarını geri aldı. Enerji Bakanlığının Portsmouth/Paducah projesi için açtığı siteden de faaliyeti durdurulmuş bu santrallerin günümüzdeki durumu hakkında bilgi edinilebilir.

Paducah

• Denetim raporları
• Ruhsat sahiplerinin performans değerlendirmesi
• Uyumluluk Sertifikasının sonlandırılmasının haklı sebebi

Portsmouth

• Denetim raporları
• Ruhsat sahiplerinin performans değerlendirmesi

Oak Ridge’deki santral ise NRC tarafından hiç denetlenmemiş, ilgili denetimler santralin çalışır durumda olduğu dönemde de, çalışmayı durdurduğu dönemde de Enerji Bakanlığı tarafından yürütülmüştür.

Gaz Santrifüj

ABD'de uranyum ticari olarak sadece gaz santrifüj yöntemiyle zenginleştirilmektedir. Bu yöntemde UF₆ gazı bir gaz santrifüj silindirinde yüksek hızda döndürülür. Bu devinimin açığa çıkardığı merkezkaç kuvvetinin etkisiyle U²³⁸ atomunu barındıran UF₆ molekülleri daha ağır olmalarından ötürü silindirin kenarında; U²³⁵ atomunu barındıran moleküller daha hafif olmalarından ötürü silindirin merkezinde toplanır. U²³⁵ yoğunluğu azalan ve gücünü yitiren akım, bir alt kademeye yedirilir.

Gaz santrifüj tesislerinde çok sayıda silindir bulunur. Uzun hatlara yayılan bu silindirlerin birbirine ardışık ve paralel şekilde bağlanması kaskat olarak bilinir. UF₆ molekülünün istenilen zenginliğe ulaşması, akımın çekildiği son noktada gerçekleşir.

ABD'de gaz santrifüj ile ticari üretim yapan tek tesis, ruhsatını Louisiana Energy Services (LES) olarak almış URENCO USA'dir (UUSA). UUSA günümüzde Eunice'de (New Mexico) faaliyet göstermektedir. Nükleer Regülasyon Komisyonu, ticari amaçlı kullanılması için iki gaz santrifüj tesisinin kurulumuna daha ruhsat vermiştir. Bunların güncel durumu, bu grafikten takip edilebilmektedir.

ABD Nükleer Regülasyon Komisyonu

Lazer Ayırma

Uranyumu izotoplarını ayırarak zenginleştirmek için kullanılan bir diğer yöntem, günümüzde gelişmeye devam eden lazer yöntemidir. Lazer ışını altındaki moleküller, ışık uyarımı ile uyarılmış hale getirilir. Belli bir izotopun elektronlarındaki enerji artışı sonucunda bunları birbirinden ayırmaya müsait bir ortam oluşur.

Bu yöntemde lazer sistemleri, optik sistemler ve ayırıcı modül sistemi olmak üzere üç ana sistem kullanılır. Ayarlanabilir darbeli lazerler aracılığıyla büyük ölçüde monokronik sayılabilecek bir ışık (tek renkli ışık) elde edilebilir. Bu ışıklar sayesinde diğer izotop türleri sabit kalırken, yalnızca belli bir izotop türünde foto iyonlaşma sağlanabilir. Bu işlemden etkilenen izotop türünde kimyasal değişim gözlemlenir ve söz konusu materyal, bu değişim sayesinde ayrılmaya elverişli hale gelir. Lazerle ayırma işlemi için geliştirilen teknolojilerde birbirinden farklı materyaller kullanılabilir. Enerji Bakanlığının geliştirdiği teknoloji uranyum metal alaşımı ile beslenirken, İzotopları Lazer Uyarımı ile Ayırma (SILEX) metodunda UF₆ kullanılır.

ABD'de faal durumda olan tesislerin hiçbiri uranyumu zenginleştirmek için lazer kullanmaz. Ancak General Electric - Hitachi, Wilmington'daki (Kuzey Carolina) tesisinde bu teknolojiye yönelik araştırma ve geliştirme çalışmaları yapmak için başvuruda bulunmuş, bu başvuru Nükleer Regülasyon Komisyonu tarafından 12 Mayıs 2008 tarihinde onaylanmıştır. GE Electric bu onayı aldıktan sonra izotopların SILEX metoduyla nasıl ayrılabileceğini gösteren başarılı bir test gerçekleştirmiş, bu tesisi kurmak ve faaliyete geçirmek için NRC'den 25 Eylül 2012 tarihinde ruhsat almıştır. Tesisle ilgili güncel bilgiler bu bağlantıda bulunabilir.