Uranyum, nükleer reaktörlerde güç kaynağı olarak kullanılmaktadır. 1945’te Hiroşima’ya atılan ilk atom bombasını yapmak amacıyla kullanıldı. Uranyum, uraninit adı verilen bir cevher olarak çıkarılmaktadır. Farklı atom ağırlıklarına ve farklı radyoaktivite seviyeleri sahip birkaç izotoptan oluşmaktadır. Fisyon reaksiyonlarında kullanılmak amacıyla 235U izotopunun miktarı, bir reaktör veya bombada fisyonun gerçekleşmesine izin verecek seviyeye yükseltilmelidir. Bu işleme uranyum zenginleştirmesi denir ve bunu yapmanın birkaç yöntemi vardır.
Temel Zenginleştirme Yöntemi
1. Adım: Çıkarılan çoğu uranyum yaklaşık % 0,7 oranında 235U içerir, geri kalanı ise nispeten kararlı 238U izotopu içerir. Uranyumun ne tür bir fisyon reaksiyonunda etkili bir şekilde kullanılacağı 235U seviyesine zenginleştirilmesi ile belirlenir.Çoğu nükleer santralde kullanılan uranyumun %3 ile %5’i 235U seviyesine kadar zenginleştirilir. Kanada’daki CANDU reaktörü ve Birleşik Krallık’taki Magnox reaktörü gibi birkaç nükleer reaktör, zenginleştirilmemiş uranyum kullanmak üzere tasarlanmıştır. Atom bombaları ve füze başlıkları için kullanılan uranyum %90 oranında 235U’ya kadar zenginleştirilmelidir.
2.Adım: Uranyumun zenginleştirilmesi için kullanılan yöntemlerin çoğu uranyum cevherinin düşük sıcaklıklı bir gaza dönüştürülmesini gerektirir. Flor gazı cevher dönüştürme tesisine pompalanır. Uranyum oksit gazı, uranyum hekzaflorür (UF6) üretmek amacıyla flor ile reaksiyona girer. Son olarak, 235U izotopunu ayırmak ve toplamak için gaz kullanılır.
3.Adım: Uranyumu zenginleştirilir.
4.Adım: UF6 gazı uranyum dioksite (UO2) dönüştürülür. Zenginleştirildikten sonra uranyumun, amaçlanan kullanımı için kararlı bir katı forma dönüştürülmesi gerekmektedir. Nükleer reaktörlerde yakıt olarak kullanılan uranyum dioksit, 4 m (13,12 fit) uzunluğunda çubuklar yapmak amacıyla metal tüplerle kaplanmış seramik peletler haline getirilir.
Gazlı Difüzyon Yöntemi
1.Adım: UF6 boru hatlarından pompalanır.
2.Adım: Gaz gözenekli bir filtre veya membrandan geçirilir. 235U izotopu, 238U izotopundan daha hafif olduğu için daha hafif izotop içeren UF6, ağır olan izotoptan daha hızlı şekilde zardan yayılır.
3.Adım: Yeterli 235U toplanana kadar difüzyon işlemini tekrarlanır. Tekrarlanan difüzyona kaskad denir. Uranyumun yeterince zenginleştirilmesi için 235U gözenekli zarlardan 1.400 defa geçirilebilir.
4.Adım: UF6 gazı sıvı hale yoğunlaştırılır. Gaz yeterince zenginleştirildikten sonra sıvıya yoğunlaştırılır sonrasında yakıt peletlerine taşınır soğutulur ve katılaştığı kaplarda saklanır. Gereken geçiş sayısı nedeniyle bu işlem enerji gerektirir bu nedenle aşamalı olarak kaldırılmaktadır. Amerika Birleşik Devletleri’nin Kentucky şehrinin Paducah ilçesinde yalnızca bir gaz difüzyon zenginleştirme tesisi kaldı.
Gaz Santrifüj Yöntemi
1.Adım: Yüksek hızla dönen silindirler birleştirilir. Bu silindirler santrifüjlerdir. Santrifüjler hem seri hem de paralel düzenlerde monte edilebilir.
2.Adım: UF6 gazı santrifüjlere aktarılır. Santrifüjler, daha ağır olan 238U gazını taşıyan silindir daha hafif olan 235U gazını merkeze göndermek için merkezcil ivme kullanır.
3.Adım: Ayrılan gazlar çıkarılır.
4.Adım: Ayrılan gazlar ayrı santrifüjlerde yeniden işlenir. 235U içeren zengin gazlar daha fazla 235U’nın çıkarıldığı bir santrifüje gönderilir, tükenmiş gaz kalan 235U’dan daha fazlasını çıkarmak amacıyla farklı bir santrifüje gönderilir. Böylece santrifüj işlemi ile gazlı difüzyon işleminden çok daha fazla 235U çıkar.
Gaz santrifüj işlemi ilk olarak 1940’larda geliştirildi ancak daha düşük enerji ile uranyum zenginleştirme çalışmalarına 1960’larda başlandı. Şu anda ABD’de Eunice, New Mexico’da bir gaz santrifüj işleme tesisi bulunmaktadır. Rusya’nın şu anda bu türden dört tesisi vardır. Japonya ve Çin’de 2 tane, Birleşik Krallık, Hollanda ve Almanya’da 1 tane tesis vardır.
Aerodinamik Ayırma Yöntemi
1.Adım: Bir dizi sabit dar silindir oluşturulur.
2.Adım: UF 6 gazı silindirlere yüksek hızda enjekte edilir. Gaz, dönen bir santrifüjde elde edilenle aynı türde 235U ile 238U arasında bir ayırma meydana getirecek şekilde siklonik olarak dönerek silindirlere üflenir. Güney Afrika’da geliştirilen bir yöntem, gazı silindire teğet olarak enjekte etmektedir. Silikondakiler gibi hafif izotoplarla test edilmektedir.
Sıvı Termal Difüzyon Yöntemi
1.Adım: UF6 gazını basınç altında sıvılaştırılır.
2.Adım: Bir çift eş merkezli boru oluşturulur. Borular, 235U ve 238U izotoplarının daha fazla ayrılmasını sağlaması için borular oldukça uzun olmalıdır.
3.Adım: Borular bir sıvı su ceketi ile çevrelenmelidir. Bu dış borunun soğumasını sağlar.
4.Adım: Sıvı UF6, borular arasına pompalanır.
5.Adım: İç boru buharla ısıtılır. Isı, UF6’da daha hafif olan 235U izotopunun daha sıcak olan iç boruya doğru çeker ve daha ağır olan 238U izotopu daha soğuk dış boruya doğru itilerek bir konveksiyon akımı oluşturur. Bu yöntem, Manhattan Projesi’nin bir parçası olarak 1940 yılında araştırıldı ancak daha verimli gaz difüzyon süreci geliştirildiğinde bu yöntem henüz geliştirilme aşamasındayken yapımına son verildi.
Elektromanyetik İzotop Ayırma Yöntemi
1.Adım: UF6 gazını iyonize edilir.
2.Adım: Gaz güçlü bir manyetik alandan geçirilir.
3.Adım: İyonize uranyum izotopları manyetik alandan geçerken bıraktıkları izlerle eşleştirilir. 235U iyonları 238U iyonlarından farklı izler bırakır. Bu iyonlar, uranyumu zenginleştirmek için izole edilebilir. Bu yöntem, 1945’te Hiroşima’ya atılan atom bombası için uranyumu işlemek amacıyla kullanıldı. Irak’ın 1992 nükleer silah programında da zenginleştirme yöntemi olarak kullanıldı. Gaz difüzyonundan 10 kat daha fazla enerji gerektirdiği için büyük ölçekli zenginleştirme işleminde uygulaması pratik olmadı.
Lazer İzotop Ayırma Yöntemi
1.Adım: Lazeri belirli bir renge ayarlanır. Lazer ışığının tamamen belirli bir dalga boyunda (monokromatik) olması gerekir. Bu dalga boyu, 238U atomunu işaretlemez yalnızca 235U atomunu hedefler.
2.Adım: Lazer ışığı uranyum üzerinde parlatılır. Diğer uranyum zenginleştirme işlemlerinden farklı olarak lazer işlemleri kullanılmasına rağmen uranyum hekzaflorür gazı kullanılmak zorunda değil. Atomik Buhar Lazer İzotop Ayırma (AVLIS) işleminde uranyum kaynağı olarak uranyum ve demir alaşımını kullanılabilir.
3.Adım: Uranyum atomlarını uyarılmış elektronlarla çıkarılır, bunlar 235U atomlarıdır.
Hazırlayan: Rabiye Baştürk
