Toryum
1828 yılında Jöns Jacob Berzelius tarafından keşfedilen ve periyodik tabloda aktinit serisinin ikinci üyesi olan toryum, yer kabuğunun %0,0007'lik kısmını oluşturmaktadır. Toryum, uranyum gibi doğada serbest halde bulunmayıp 60 civarında mineralin yapısı içinde yer almaktadır. Bunlardan sadece monazit ( (Ce, La, Nd, Th, Y)PO4) ve torit ( (Th, U) SiO4) toryum üretiminde kullanılmaktadır. Bu mineraller de genellikle nadir toprak elementleri (NTE) ile birlikte bulunmaktadır.
Torit (Kristal) Torit
Toryum
Yüksek sıcaklıklarda magnezyumun direncini artırmak amacıyla alaşımlarda,
Elektronik cihazlarda ve aydınlatmada tungsten filamanların kaplanmasında,
Yüksek ısıya dayanıklı potaların yapımında,
Yüksek kaliteli kamera merceklerinde,
Nükleer teknolojide kullanılmaktadır.
NÜKLEER ENERJİ VE TORYUM
Toryum tek başına nükleer yakıt olarak kullanılamaz. Fertil bir izotop olan Th-232'nin bir öntron yutarak fisyon yapabilen bir izotop olan U-233'e dönüştürülmesi gerekir. Th-232'nin düşük enerjili nötronlarla tepkimesi (nötron yutumu) sonucunda önce daha az kararlı olan Th-233 oluşmaktadır. Th-233 ise, 23 dakika içinde, bir beta parçacığı yayarak Pa-233'e (protaktinyum) dönüşmektedir. Pa-233, 27 gün içinde, yarılanma süresi 163.000 yıl olan fisil U-233'e dönüşmektedir. Böylece aşağıdaki şekilde görüldüğü gibi Th-232, U-235 veya Pu-239 gibi başka bir fisil maddeyle üretkenlik döngüsüne başlamaktadır.
Toryum - uranyum karışık yakıtlar, uranyum yakıtına göre daha az plütonyum üretir. Ayrıca yüksek yanma oranında çalışabilir, bu da yakıtın reaktörde kalma süresini yani yakıt yeniden yükleme periyodunu uzatarak tesis kapasite faktörünün artmasına katkı sağlar.
Toryumlu yakıt denemeleri 1960 yıllarının ortalarında başlamış olmasına rağmen güç reaktörlerinde kullanılmasına 1976 yılında başlanmıştır. Almanya, Hindistan, Japonya, Rusya Fed., İngiltere ve ABD'de araştırma/geliştirme çalışmaları bulunmaktadır. Bugüne kadar yapılan çalışmalar aşağıdaki şekilde özetlenebilir[1];
Almanya'daki Arbeitsgemeinschaft Versuchsreaktor GmbH (AVR) reaktöründen geliştirilen 300 MWe gücündeki toryum yüksek sıcaklık reaktörü (thorium high temperature reactor-THTR) reaktörü, yarısından fazlası Th/U (yüksek zenginlikli uranyum) yakıt içeren 674.000 adet küresel yakıtla 1983-1989 yılları arasında işletilmiştir.
Almanya'daki AVR reaktöründen geliştirilen ve 1976-1989 yılları arasında işletilen Fort St Vrain reaktörü ABD'deki toryumlu yakıt kullanan tek ticari nükleer reaktördür. Yüksek sıcaklıklı, grafit moderatörlü, helyum soğutmalı bu reaktör, Th/U (yüksek zenginlikli uranyum) yakıtla 330 MWe güçte çalıştırılmıştır. Bu reaktörde yaklaşık 25 ton toryum kullanılmıştır.
Toryum tabanlı yakıtların basınçlı su reaktörlerindeki kullanımının incelenmesi Amerika'daki Shippingport reaktöründe gerçekleştirilmiştir. Bu reaktörde fisil malzeme olarak U-235 ve Pu kullanılmıştır. Bu incelemede, toryum kullanımının işletme stratejisi veya reaktör kalbi güvenlik marjlarını etkilemediği sonucuna varılmıştır. 1977-1982 yılları arasında hafif sulu üretken reaktör konsepti de bu reaktörde başarıyla denenmiştir.
Almanya'daki 60 MWe Lingen kaynar sulu reaktöründe Th/Pu tabanlı yakıt test elemanı kullanılmıştır.
Zengin toryum kaynaklarına sahip olan ve nükleer teknolojisini toryuma dayalı olarak geliştirmeyi planlayan Hindistan'ın üç aşamalı nükleer programı bulunmaktadır [2]:
Ağır sulu reaktörde doğal uranyum kullanarak plütonyum (Pu) üretmek: Basınçlı ağır su reaktörleri (Pressurised Heavy Water Reactor-PHWR), halen 12 adedi işletmede, 6 adedi inşa halinde olup yenileri de planlanmaktadır.
Hızlı üretken reaktörde plütonyum ve toryum kullanarak U-233 üretmek: Kalpakkam'da hızlı üretken test reaktörü (Fast Breeder Test Reactor-FBTR) ile hızlı üretken reaktör (Fast Breeder Reactor-FBR) programı başlamıştır. Ayrıca 500 MWe güçte prototip hızlı üretken reaktörün tasarımı tamamlanmış olup Düzenleme Kurulunca inşa onayı verilmiştir. Söz konusu ünitenin 2010 yılında işletmeye alınması beklenmektedir. Bu tesiste mevcut PHWR'lerden çıkan uranyum-plütonyum yakıtı ile U-233 üretmek üzere toryumun kullanılması amaçlanmaktadır.
İleri ağır sulu reaktörde veya hızlandırıcı güdümlü sistemde U-233 kullanarak enerji elde etmek: Toryum tabanlı reaktörler, 30 kWth güçteki KAMINI araştırma reaktörü halen işletmede olup 300 MWe güçteki ileri ağır sulu reaktör (Advanced Heavy Water Reactor- AHWR) geliştirme aşamasındadır.
Günümüzde geliştirilmekte olan yenilikçi nükleer fisyon teknolojilerinde de toryum önemli bir yere sahiptir. Kanada tarafından geliştirilen Yeni Nesil CANDU Reaktörü (CANDU-X), Rusya tarafından geliştirilen Gaz Türbinli Modüler Helyum Reaktörü (Gas Turbine Modular Helium Reactor, GT-MHR), Japonya-Rusya ve ABD tarafından geliştirilen FUJI Eriyik Tuz Reaktörü (FUJI Molten Salt Reactor), Güney Afrika tarafından geliştirilen Çakıl Yataklı Modüler Reaktör (Pebble Bed Modular Reactor, PBMR), Rusya, İsrail ve ABD tarafından geliştirilen Radkowsky Toryum Yakıtlı Reaktör (Radkowsky Thorium Fuel Reactor, RTFR) ve Avrupa ülkeleri tarafından geliştirilen Enerji Yükseltici (Energy Amplifier) teknolojileri yakıt çevrimlerinde toryuma yer veren teknolojiler olarak göze çarpmaktadır [3].
TÜRKİYE'NİN TORYUM REZERVİ
1959 yılı sonlarına doğru MTA tarafından havadan prospeksiyonla bulunan radyoaktif anomali üzerinde uranyum ve toryum için etütler yapılmış ve Sivrihisar ilçesinin kuzey batısında Kızılcaören, Karkın ve Okçu Köyleri arasında 15 km2'lik bir sahanın toryumun yanı sıra Nadir Toprak Elementleri (NTE) de içerdiği saptanmıştır. MTA tarafından yapılan çalışmalar sonunda 1977 yılında, "Eskişehir-Sivrihisar-Kızılcaören Köyü Yakın Güneyi Bastnazit-Barit-Florit Kompleks Cevher Yatağı" Nihai Etüt Raporu hazırlanmıştır [4]. Bu rapor sonuçlarına göre bölgedeki cevherin ortalama tenörü %0,2 ThO2 olup, toplam rezerv yaklaşık 380.000 ton civarındadır.
Tablo 1. Dünya Toryum Rezervi [6]
Ülke Rezerv (ton)
Avustralya 300 000
Hindistan 290 000
Norveç 170 000
ABD 160 000
Kanada 100 000
Brezilya 16 000
Diğer Ülkeler 95 000
TOPLAM 1 200 000
Ülkemizde toryumla ilgili bugüne kadar yapılan çalışmalar sonunda aşağıda özetlenen sonuçlar elde edilmiştir[5] .
Sahadaki ekonomik mineraller; florit, barit ve bastnazit'tir. 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 .
Toryum ihtiva eden Eskişehir-Sivrihisar cevher yatağındaki, Yaylabaşı ve Kocayayla sektörlerinde yeterli sayıda sondaj yapılamadığından bu bölgelere ait kesin rezerv tespiti mevcut değildir. Bu bölgelerle birlikte Malatya-Hekimhan-Kuluncak gibi diğer bölgelerde de gerekli çalışmaların yapılması sonucunda ülkemiz toryum rezervinin artacağı tahmin edilmektedir. Ancak bu konu ile ilgili kesin sonuca götürecek herhangi bir çalışma yapılmamıştır. Sonuç olarak söz konusu sahada (Eskişehir-Sivrihisar) yaklaşık 380.000 ton görünür ThO2 ve önemli miktarda nadir toprak elementi rezervi belirlenmiştir. Toryum tenörü, seçme numunelerde %3'e kadar çıksa da yatağın ortalaması %0.2'dir. Bu rezervde tespit edilmiş olan ortalama tenörün düşüklüğü ve rezervin kompleks olması durumu toryumun tek başına ekonomik olarak çıkarılabilir olmaktan uzak olduğu sonucunu çıkarmaktadır. Aşağıdaki Tabloda da görüldüğü gibi, ülkemizdeki toryum rezervi ekonomik olmadığından dolayı dünya toryum rezervleri hakkında verilen bilgiler arasında genelde yer almamaktadır. (Tablo 1).
SONUÇLAR
Günümüzde toryumla çalışan ticari ölçekli bir santral bulunmamaktadır, bunun sonucu olarak da toryumun enerji hammaddesi olarak tüketimi yok denecek düzeydedir. Toryum tabanlı yakıt çevriminin ekonomik olması ancak çok sayıda santralı kapsayan bir nükleer programla mümkün olabilir. Toryum tabanlı bir enerji üretimi için, yüksek yatırım ve işletme maliyeti gerektiren tesislerinin kurulmasına ihtiyaç duyulmaktadır. Bütün bu tesislerin her biri de günümüz şarlarında ekonomik olmadığından ticari ölçekte teknolojileri de dünyada henüz geliştirilmemiştir. Bu nedenle ülkemizde bulunan toryumun mamul veya maden olarak satışı bugün için söz konusu değildir. Ancak ülkemizde mevcut olan toryum cevherinin nadir toprak elementlerinden ayrılması ve yan ürün olarak kazanılmasına yönelik araştırma ve geliştirme çalışmalarına devam edilmelidir.
Toryumun kendisi bir nükleer yakıt değildir, yakıt olarak kullanılması için U-235 veya Pu-239 gibi fisil maddelere ihtiyaç duyulmaktadır. U-235 veya Pu-239 ile birlikte kullanıldığında uranyum ihtiyacından tasarruf edilmesini sağlayabilmektedir. Açık çevrimlerde toryum kullanımı %20-30 civarında uranyum tasarrufu sağlayacağı düşünülmektedir. Kapalı çevrim için ise ayrıştırma ve imalat teknolojilerine ihtiyaç duyulmaktadır. Ayrıştırma belli başlı bazı ülkelerin sahip olduğu h***as bir teknoloji olup, nükleer silahlanma riski içermektedir.
Toryumun, gelecekte nükleer silahların sökülmesinden veya elinde kullanılmış yakıtın ayrıştırılmasından elde edilen plütonyum stoku bulunan ülkelerde bu stokların tüketilmesi amacıyla ticari olarak nükleer santrallerde kullanılması beklenmektedir.
Günümüzde uranyum yakıt maliyetinin düşük olması yakın gelecekte nükleer enerji üretimi için uranyum kullanımını en akılcı yol olarak göstermektedir. Ancak dünyadaki teknolojik gelişmelerin paralelinde ülkemizde de toryum tabanlı yakıt çevrimi konusundaki araştırma-geliştirme çalışmalarına devam edilmelidir.
Toryum kullanımına elverişli olduğu iddia edilen hızlandırıcı güdümlü sistem(HGS), henüz teknolojik olarak geliştirilme safhasındadır. Özetle; bu sistemin ticari olarak enerji üretiminde kullanılabilmesi için 40 yıl gibi uzun bir süre gerekmektedir. Ülkemiz HGS teknolojisini yakından takip etmeli ve bilimsel olarak katkı koyacak bilgi ve deneyim seviyesine gelmelidir.
Ülkemizde Eskişehir-Sivrihisar yöresinde yaklaşık 380.000 ton görünür ThO2 ve önemli miktarda nadir toprak elementi rezervi belirlenmiştir. Toryum tenörü, seçme numunelerde %3'e kadar çıksa da yatağın ortalaması %0.2'dir. Bu rezervde tespit edilmiş olan ortalama tenörün düşüklüğü ve rezervin kompleks olması, toryumun tek başına ekonomik olarak çıkarılabilir olmaktan uzak olduğu sonucunu çıkarmaktadır. Ülkemizdeki toryum rezervi ekonomik olmadığından dolayı dünya rezervleri arasında yer almamaktadır.
Ülkemiz yenilikçi nükleer teknolojilerini yakından takip etmelidir. Gelecekte daha ekonomik, güvenilir ve güvenlik yönünden daha geliştirilmiş teknolojiler dünyada yaygın olarak kullanılacaktır. Ülkemizin bu gelişmelerden uzak kalması düşünülemez. UAEA, 2001 yılında nükleer enerjinin 21.yüzyıl enerji kaynakları içerisinde yerini alabilmesi için yapılması gerekenleri saptamak ve hem nükleer teknoloji üreticisi hem de nükleer teknoloji kullanıcısı UAEA üyesi ülkeleri bir araya getirerek nükleer reaktörler ve yakıt çevrimlerinde yapılması gereken yenilikleri belirlemek amacıyla Uluslararası Yenilikçi Nükleer Reaktörler ve Yakıt Çevrimi adında bir proje başlatmıştır. Türkiye Atom Enerjisi Kurumu 2000 yılında bu projeye katılma kararı almıştır ve 2001 yılından bu yana sözkonusu projenin aktif üyesidir. Aynı zamanda bu projenin kapsamında da yer alan kullanıcı ülke gereksinimlerinin ve ölçütlerinin belirlenmesi hususunda TAEK tarafından bir çalışma yürütülmekte ve bu çalışmada değişik nükleer yakıt çevrimi seçenekleri de değerlendirilmektedir.