Yakıt Çevrimi terimi uranyumun madenden çıkartılması, zenginleştirilmesi, nükleer santrallerde yakılması, kullanılmış yakıtların işlenmesi gibi enerji üretiminde nükleer yakıtı ilgilendiren bütün aşamaları belirtmek amacıyla kullanılmaktadır. Dünyada iki farklı ticari yakıt çevrimi geliştirilmiştir.

Bunlardan ilki, açık (tek-geçişli) yakıt çevrimidir. Bu yöntemde uranyum madenden çıkartılıp yakıt demetleri haline getirildikten sonra nükleer santrallerde yakılmakta, daha sonra kullanılmış yakıt olarak geçici ve nihai depolama tesislerinde saklanmaktadır. Bugün nükleer teknolojiye sahip birçok ülke en ekonomik çözüm olduğundan bu yöntemi tercih etmektedir.

Diğer yöntem, özellikle 1974 petrol krizinden sonra Fransa ve Japonya gibi ülkelerin enerjide dışa bağımlılığı azaltmak için öngördükleri kapalı yakıt çevrimidir. Bu yöntemde nükleer santrallerden çıkan kullanılmış yakıtın içinde yanmadan kalmış uranyum ve tepkime sonucunda oluşmuş plutonyum ayrıştırılarak tekrar yakıt olarak kullanılmak üzere nükleer santrallere geri döndürülmektedir.

 

Yakıt Çevriminde Temel Kavramlar

Madenden çıkartılan uranyum iki farklı izotop halinde bulunmaktadır. Bunlar uranyum-235 ve uranyum-238 izotoplarıdır. Nükleer teknolojide enerji üretmek amacıyla uranyum-235 kullanılmaktadır. Halbuki doğadaki uranyumun sadece %0.7'si uranyum-235'den, geri kalan %99.3'ü yakıt olarak kullanılmayan uranyum-238'den oluşmaktadır.

 

 

Maden çıkartılan uranyumun nükleer santrallerde yakıt olarak kullanılabilmesi için uranyum-235 izotopu açısından zenginleştirilmesi gerekmektedir. Bu amaçla zenginleştirme tesisleri kurulmuştur.

Zenginleştirme tesislerinde doğal uranyum, uranyum-235 izotopu açısından zenginleştirilmekte, doğal halinde %0.7 düzeyinde bulunan Uranyum-235'in seviyesi %3-5 düzeylerine çıkartılmaktadır. Böylece uranyum nükleer santrallerde enerji üretimine uygun hale getirilmektedir.

Diğer yandan her ne kadar yakıt olarak kullanılmasa da, Uranyum-238 izotopu nükleer santrallerde nötron ile tepkimeye girerek enerji üretimine uygun başka bir yakıt maddesi olan plutonyuma dönüşebilmektedir. Bu tepkime nükleer santrallerde normal enerji üretimi sırasında meydana gelmektedir. Güç üretiminden sonra santralden çıkartılan kullanılmış yakıtın yaklaşık %1'i yeni oluşmuş plutonyumdan oluşmaktadır.

Ayrıca Uranyum-235'in hepsi yanmamakta, yaklaşık %1'lik bir bölümü de kullanılmış yakıtın içinde artık olarak kalmaktadır. Hem bu plutonyumu hem de uranyumu kimyasal yöntemler kullanarak kullanılmış yakıttan ayırmak mümkün olmaktadır. Bu amaçla yeniden işleme tesisleri kurulmuştur.

Yeniden-işleme tesislerinde kullanılmış yakıttan kurtarılan plutonyum aynı milli ve yerli enerji kaynağı gibidir. Çünkü ülkenin santrallerinde tepkime sonucunda üretilmiştir. Bu şekilde yakıt olmayan uranyum-238 kapalı yakıt çevrimi içerisinde kademe kademe plütonyuma dönüştürülmekte ve böylece mevcut uranyum kaynakları yıllarca kullanılabilmektedir.

Yakıtın nükleer santrallerde 3-4 yıl boyunca yakılması sonucunda yakıt içindeki uranyum'un sadece %2'sinin kullanıldığı düşünülürse, kapalı yakıt çevrimi, hemen hemen sınırsız bir yerli enerji kaynağı üretimi imkanı sunabilmektedir.

Yeniden-işleme tesislerinde kullanılmış yakıttan kimyasal yöntemlerle plütonyum ayrıştırılmakta, uranyum-235 açısından fakir uranyum ile karıştırılarak tekrar yakıt olarak imal edilebilmektedir. Bu yakıta nükleer teknolojide "karışık oksit yakıt" kelimesinin ingilizcesi olan "Mixed OXide" kelimesinin baş harflerinden oluşan "MOX Yakıt" adı verilmektedir.

 

 

Özetle, nükleer santrallerde normal enerji üretimi sırasında oluşmuş plütonyumun kullanılmış yakıttan ayrıştırılarak tekrar yakıt olarak nükleer santrale döndürülmesine "kapalı yakıt çevrimi" adı verilmektedir. Kapalı yakıt çevrimini oluşturmak için bazı nükleer tesisleri kurmak ve işletmek gerekmektedir. Bu tesislerin herbiri çok yüksek teknoloji ve yüksek güvenlik tedbirleri içermektedir.

 

Kapalı Yakıt Çevriminde Tesisler

Uranyum Madeni: Küçük miktarlarda uranyum her yerde (toprakta, kayada, suda) bulunmaktadır. Dünyada az sayıda bölgede yüksek derişimde bulunduğu keşfedilmiştir. Bunlar Kanada, ABD'nin güneybatısı, Avustralya, Avrupa'nın bazı bölgeleri, Bağımsız Devletler Topluluğu(eski SSCB), Namibya, Nijer ve Güney Afrikadır. Uranyum madenden filizler halinde çıkartılmaktadır ve işlenmek için yakında kurulan arıtma tesisine götürülür.

Arıtma Tesisi: Maden filizi arıtma tesislerinde ezilir. Asit veya karbonat ile yıkanarak eritilir. Bu şekilde uranyum ayrıştırılır ve kimyasallar yardımıyla çökertilir. Sonuçta ortaya kimyasal gösterimi U3O8 olan parlak sarı renge sahip bir madde çıkar. Rengi yüzünden bu madde "sarı pasta" diye adlandırılmaktadır. Tanecikli bir yapıya sahip olan sarı pasta yaklaşık %75 uranyum içermektedir.

Dönüştürme Tesisi: Zenginleştirme tesislerinde daha kolay işleyebilmek amacıyla "sarı pasta", bir dizi işlemden geçirilerek kimyasal gösterimi UF6 olan uranyum hekzafloride dönüştürülür. UF6 gaza dönüştürülüp kolayca işlenebilir, sıvıya dönüştürülüp kaplara ve aygıtlara kolaylıkla doldurulup boşaltılabilir, katıya dönüştürülüp kolaylıkla saklanabilir.

Zenginleştirme Tesisi: UF6 katı halde zenginleştirme tesisine getirilir. Burda gaz haline dönüştürülerek uranyum-235 açısından zenginleştiririlir. Tesisin girişinde % 0.7 oranında uranyum-235 içeren UF6, zenginleştirme işlemlerinden sonra % 3 ile % 5 arasında uranyum-235 içermektedir.

 

Yeniden Dünüştürme Tesisi: Zenginleştirilmiş UF6 yakıt imalatında kullanılmak amacıyla kimyasal gösterimi UO2 olan uranyumdioksite dönüştürülür. UO2 siyah renkli bir tozdur ve yakıt imalatına uygundur.

Yakıt İmalat Tesisi: UO2 kullanılarak yakıt toplakları(pellet) imal edilir. Bunlar zirkaloy çubuklara doldurulur. Çubuklar bir araya getirilerek yakıt demetleri oluşturulur. Bu demetler paketlenerek yakılmak üzere nükleer santrallere gönderilir.

Nükleer Santral: Uranyum yakıt demetleri santralde ortalama 3-4 yıl boyunca yakılır. Yakıt demetleri yakılırken, uranyum-235 %3-4 seviyelerinden %1 seviyelerine iner. Ayrıca uranyum-238 ile nötronların tepkimeye girmesi sonucunda diğer bir yakıt malzemesi olan plutonyum oluşur. Kullanılmış yakıt santral sahasında belirli bir süre soğutulduktan sonra ya yeniden işleme tesisine ya da ara depolama tesisine gönderilir.

Ara Depolama Tesisi: Kullanılmış yakıt yeniden işleme tesisine gönderilinceye kadar belirli bir süre ara depolama tesislerinde bekletilir.

Yeniden-İşleme Tesisi: Kullanılmış yakıtın içinde kalan değerli malzemeler (uranyum, pluyonyum, vs) kullanılmış yakıttan ayrıştırılır, tekrar yakıt haline dönüştürülmek üzere ilgili tesislere gönderilir. Geride kalan yüksek seviyeli atıklar camlaştırılıp atık saklama merkezine gönderilir.

MOX Yakıt İmalat Tesisi: Kurtarılmış plutonyum ve uranyum veya doğal uranyum ile yada zenginleştirme tesisinde artık olarak çıkan fakirleşmiş uranyum ile birleştirilerek MOX yakıt demetleri imal edilir. MOX yakıt yakılmak üzere nükleer santrale gönderilir.

Camlaştırılmış Atık Saklama Merkezi: Camlaştırılmış yüksek seviyeli atığın 30 ile 50 yıl arası bir süre saklama merkezinde tutularak soğumaları sağlanır. Daha sonra yer altına gömülmek amacıyla nihai atık depolama tesisine gönderilir.

Yeraltı Nihai Atık Depolama Tesisi: Yeraltında hazırlanmış uygun tünellere camlaştırılmış yüksek seviyeli atıklar yerleştirilir. Böylece bu atıkların doğadan ve canlılardan tamamen yalıtılması sağlanır. Ayrıca, gelecekte atıkların tekrar değerlendirilmesi amacıyla depolanma sağlanmış olur.

Düşük Seviyeli Atık Tesisi: Nükleer tesislerden çıkan eldiven, işçi elbiseleri, temizlik suyu gibi düşük seviyeli atıklar, ışınetkinlikleri geçene kadar bekletilmek üzere düşük seviyeli atık işleme ve depolama tesislerine gönderilir. Bu tesislerde sıvı, ve katı ayrı ayrı işlenerek hacimleri azaltılır. Varillere doldurularak tehlikesiz hale gelinceye kadar yaklaşık 300 sene boyunca kontrollü bir şekilde bekletilir.

 

Açık (Tek Geçişli) Yakıt Çevrimi

Açık yakıt çevriminde nükleer santrallerden çıkan kullanılmış yakıt, nükleer atık olarak kabul edilmekte, belirli bir süre bekletildikten sonra yer altında hazırlanmış nihai atık depolama tesislerine gönderilmesi öngörülmektedir. Açık (tek geçişli) çevrim, yeniden-işleme tesisi gibi yüksek teknoloji isteyen ve işletilmesi pahalı tesislere ihtiyaç duymadığından ve maden kaynaklı uranyum fiyatları çok düşük olduğundan, günümüzde en ekonomik nükleer yakıt çevrimi yöntemi olarak görülmektedir. Bu yüzden başta ABD olmak üzere birçok ülke bu yöntemi kullanmaktadır. Dünyadaki nükleer santrallerden çıkan kullanılmış yakıtların ancak %20 kadarı kapalı yakıt çevrimi prensiplerine göre yeniden-işleme tesislerine gönderilirken, büyük bir kısmı olan %80'si açık (tek-geçişli) yakıt çevrimi prensiplerine uygun şekilde nükleer atık olarak ele alınmaktadır. Bu da dünyada %80 "açık (tek-geçişli) yakıt çevrimi" kullandığı anlamına gelmektedir.

Açık yakıt çevriminin ucuz olması gibi avantajlarının yanısıra, bazı tercih edilmeyen yanları da bulunmaktadır. Bunlar dan biri yanmış yakıtın içinde bulunan bazı değerli malzemelerin (yanmadan kalmış uranyum, yeni oluşmuş plutonyum gibi) değerlendirilmeden nükleer atık olarak yer altına gönderilmesidir. Tercih edilmeyen diğer bir yanı ise yer altına gönderilecek yüksek seviyeli atık miktarının kapalı yakıt çevrimine oranla daha büyük olmasıdır. Kapalı yakıt çevriminde, faydalı çekirdekler yeniden kazanıldığından, yer altına gönderilecek atıkların hacmi çok azalmaktadır.

 

Açık Yakıt Çevriminde Tesisler

Uranyum Madeni: Küçük miktarlarda uranyum her yerde (toprakta, kayada, suda) bulunmaktadır. Dünyada az sayıda bölgede yüksek derişimde bulunduğu keşfedilmiştir. Bunlar Kanada, ABD'nin güneybatısı, Avustralya, Avrupa'nın bazı bölgeleri, Bağımsız Devletler Topluluğu(eski SSCB), Namibya, Nijer ve Güney Afrikadır. Uranyum madenden filizler halinde çıkartılmaktadır ve işlenmek için yakında kurulan arıtma tesisine götürülür.

Arıtma Tesisi: Maden filizi arıtma tesislerinde ezilir. Asit veya karbonat ile yıkanarak eritilir. Bu şekilde uranyum ayrıştırılır ve kimyasallar yardımıyla çökertilir. Sonuçta ortaya kimyasal gösterimi U3O8 olan parlak sarı renge sahip bir madde çıkar. Rengi yüzünden bu madde "sarı pasta" diye adlandırılmaktadır. Tanecikli bir yapıya sahip olan sarı pasta yaklaşık %75 uranyum içermektedir.

Zenginleştirme Tesisi: UF6 katı halde zenginleştirme tesisine getirilir. Burda gaz haline dönüştürülerek uranyum-235 açısından zenginleştiririlir. Tesisin girişinde % 0.7 oranında uranyum-235 içeren UF6, zenginleştirme işlemlerinden sonra % 3 ile % 5 arasında uranyum-235 içermektedir.

Yeniden Dünüştürme Tesisi: Zenginleştirilmiş UF6 yakıt imalatında kullanılmak amacıyla kimyasal gösterimi UO2 olan uranyumdioksite dönüştürülür. UO2 siyah renkli bir tozdur ve yakıt imalatına uygundur.

Yakıt İmalat Tesisi: UO2 kullanılarak yakıt toplakları(pellet) imal edilir. Bunlar zirkaloy çubuklara doldurulur. Çubuklar bir araya getirilerek yakıt demetleri oluşturulur. Bu demetler paketlenerek yakılmak üzere nükleer santrallere gönderilir.

 

Nükleer Santral: Uranyum yakıt demetleri santralde ortalama 3-4 yıl boyunca yakılır. Yakıt demetleri yakılır. Kullanılmış yakıt santral sahasında belirli bir süre soğutulduktan sonra ara depolama tesisine gönderilir.

Ara Depolama Tesisi: Kullanılmış yakıt nihai atık depolama tesisine gönderilinceye kadar belirli bir süre ara depolama tesislerinde bekletilir.

Yeraltı Nihai Atık Depolama Tesisi: Yeraltında hazırlanmış uygun tünellere yakıt atıklar yerleştirilir. Böylece bu atıkların doğadan ve canlılardan tamamen yalıtılması sağlanır. Ayrıca, gelecekte atıkların tekrar değerlendirilmesi amacıyla depolanma sağlanmış olur.

Düşük Seviyeli Atık Tesisi: Nükleer tesislerden çıkan eldiven, işçi elbiseleri, temizlik suyu gibi düşük seviyeli atıklar, ışınetkinlikleri geçene kadar bekletilmek üzere düşük seviyeli atık işleme ve depolama tesislerine gönderilir. Bu tesislerde sıvı, ve katı ayrı ayrı işlenerek hacimleri azaltılır. Varillere doldurularak tehlikesiz hale gelinceye kadar yaklaşık 300 sene boyunca kontrollü bir şekilde bekletilir.

 

Yakıt Çevrimlerinin Ekonomisi

Kapalı yakıt çevrimini oluşturmak için yeniden-işleme tesisi, MOX yakıt imalat tesisi gibi bazı ilave tesisleri kurmak ve işletmek gerekmektedir. Bu tesislerde yüksek teknoloji kullanılmaktadır. Ayrıca işletilmesi sırasında yüksek güvenlik standartlarına uyulması gerekmektedir. Bu gibi sebeplerden dolayı, bu tesisler yardımıyla yeniden-kazanılan nükleer yakıt, madenden çıkartılan nükleer yakıttan yaklaşık %7-10 daha daha pahalıya mal olmaktadır.

Özellikle günümüzde uranyum madeni fiyatlarının büyük ölçüde düşmüş olması, kapalı yakıt çevriminin cazip hale gelmesini engellemekte, bu nedenle birçok ülke kapalı yakıt çevrimini tercih etmemektedir. Gelecekte uranyum fiyatlarının artması halinde, kapalı yakıt çevriminin ekonomik hale gelebileceği düşünülmektedir. Günümüzde sadece Fransa, İngiltere ve Japonya'da ticari kapalı yakıt çevrimine yönelik tesisler bulunmaktadır.

Fransa, Japonya gibi bazı ülkeler kapalı yakıt çevrimini ekonomik hale getirmek için FBR diye adlandırılan ileri bir reaktör tasarımı üzerinde çalışmaktadır. FBR (Fast Breeder Reactor) "Hızlı Üretken Reaktör" İngilizcesinin baş harflerinden oluşan bir kısaltmadır. Bu tip tasarımlar normal elektrik üretimi sırasında yaktığı uranyumdan daha fazla plütonyum yakıt üretebilmektedir. Bu reaktör tasarımının ticari hale gelmesiyle birlikte günümüzde ekonomik olmayan kapalı yakıt çevriminin ekonomik hale gelebileceği düşünülmektedir.

Fransa inşa-ettiği ticari-prototip reaktörü Super-Phenix'den edindiği tecrübeler neticesinde FBR'nin günümüzde ticari olamayacağına karar vermiş, FBR çalışmalarını yakın bir geçmişte askıya almıştır.

Japonya ise FBR çalışmalarına devam etmektedir. Japonya 2030 yılına kadar ticari FBR'leri işletmeye almayı planlamış, fakat geçenlerde bu tarihi 2050 yılı olarak yeniden düzenlemiştir.

Eğer başarıyla ticarileştirilebilirse, FBR tasarımı sayesinde nükleer santraller elektrik enerjisi üretmenin yanısıra bol miktarda yerli enerji kaynağının üretildiği tesislere dönüşecektir.