Madenden çıkartılan uranyum iki ana izotop çekirdekten oluşmaktadır. Bunlar Uranyum-235 ve Uranyum-238 çekirdekleridir. Nükleer reaktörlerde nötronlar Uranyum-235 çekirdeklerine çarptığında bölünme (fizyon) tepkimesi oluşmakta ve ortaya büyük miktarda enerji açığa çıkmaktadır. Bu nedenle Uranyum-235 nükleer yakıt olarak kullanılmaktadır.

Halbuki nötronlar Uranyum-238 çekirdeğine çarptığında bölünme tepkimesi kolay kolay gerçekleşmemektedir. Ancak çok yüksek hızda nötronun çarpması durumunda Uranyum-238 bölünme tepkimesine uğrayabilmektedir. Dolayısıyla Uranyum-238 yakıt olarak kullanılmamaktadır.

Doğada bulunan Uranyum, yakıt olarak kullanılabilecek seviyede Uranyum-235 izotopu içermemektedir. Bu uranyumun santral yakıtı olarak kullanılabilmesi için Uranyum-235 içeriği açısından %3 - %5 arası sevilere zenginleştirilmesi gerekmektedir. Bu amaçla zenginleştirme teknolojileri geliştirilmiştir ve tesisleri kurulmuştur. Zenginleştirme nükleer yakıt çevriminin önemli adımlarından birini oluşturmaktadır.

Uranyum, madenden çıkartılıp ön işlemlerden geçirildikten sonra uranyum hekzaflorür (UF6)'e dönüştürülmektedir. Daha sonra zenginleştirme tesisine getirilmekte ve zenginleştirme işlemine tabi tutulmaktadır. Zenginleştirilen UF6 yakıt imalat tesislerine gönderilmektedir.

Zenginleştirme işlemi oldukça zordur ve büyük enerji sarfiyatına ihtiyaç duymaktadır. Bu yüzden bir ülkenin zenginleştirme tesisi kurabilmesi için büyük bir nükleer enerji programına ve çok sayıda nükleer santrala sahip olması gerekmektedir.

 Uranyum zenginleştirme işlemi başarıyla ticarileştirilebilmiş bir nükleer teknolojidir. Ticari zenginleştirme yöntemlerinin çoğu, Uranyum-235 ve Uranyum-238 izotopları arasındaki küçük fiziksel farklılığı değerlendirmesine dayanmaktadır. Dünyada sınırlı sayıda ülkede zenginleştirme tesisi bulunmaktadır. Zenginleştirme teknolojisi gizli tutulmaktadır. Bunun nedeni zenginleştirme teknolojisinin nükleer silah üretmek amacıyla kullanabilir olmasıdır.

 

 Zenginleştirme teknolojisine sahip olan ülkeler arasında Arjantin, Brezilya, Çin, Fransa, Almanya, Japonya, Hollanda, Pakistan, Güney Afrika, İngiltere, ABD ve Rusya bulunmaktadır. Bunlar arasında büyük boyutta nükleer enerji programına sahip olan Fransa, Japonya, ABD, İngiltere, Almanya ve Rusya gibi ülkelerde bulunan tesisler büyük ölçekli olup ticari olarak kullanılmaktadır.enginleştirme tesisi kurabilmesi için büyük bir nükleer enerji programına ve çok sayıda nükleer santrala sahip olması gerekmektedir.

 

Zenginleştirme Teknolojileri

Uranyumu zenginleştirmek amacıyla farklı zenginleştirme teknolojileri geliştirilmiştir. Bunlar arasında en tanınmış olanları merkezkaçlı ayrıştırma, gaz yayınımlı ayrıştırma, lazerli ayrıştırma ve ayrıştırma burnu yöntemleridir. Sadece merkezkaçlı ve gaz yayınımlı ayrıştırma teknolojileri ticari hale getirilmiş ve bu teknolojiler kullanılarak ticari ölçekte zenginleştirme tesisleri kurulmuştur. Gaz yayınımlı tesislerin de zamanla merkezkaçlı tesisler ile değiştirilmesi planlanmaktadır. Lazerli ayrıştırma ve ayrıştırma burnu yöntemleri henüz ticari hale getirilememiştir. Laserli ayrıştırma yönteminin ticarileştirilmesi çalışmaları halen devam etmektedir.

 

Merkezkaçlı Ayrıştırma

Uranyum hekzaflorür (UF6) gazı dakikada 40,000 ile 50,000 hızla döndürülecek olursa, daha hafif olan Uranyum-235'lu UF6 gazı ortalarda, daha ağır olan uranyum-238'lu UF6 gazı ise kenarlarda toplanmaktadır. Bu prensip kullanılarak merkezkaçlı ayrıştırma yöntemi geliştirilmiştir. Bu yöntem Rusya, İngiltere, Hollanda, Almanya, Japonya ve Çin tarafından kullanılmaktadır.

Bu yöntemde döner silindirlerden oluşan düzenekleri peşpeşe bağlanmıştır. UF6 gazı bu silindirlerin içinde yüksek hızda döndürülmekte, ortada toplanan uranyum-235 açısısından zengin kısım çekilerek seri olarak bağlanmış bir sonraki düzeneğe gönderilmektedir. Döndürme düzeneğinin alt ve üst yüzeyleri belirli bir sıcaklık farkında sabit tutulduğunda, ayrıştırma faktörü daha da yükselmektedir. Yüksek döndürme hızları, düzeneğin boyutunu, ağırlığını ve kapasitesini büyük ölçüde sınırlamaktadır. Bu nedenle peşpeşe dizilmiş çok sayıda merkezkaç döndürme düzeneğine ihtiyaç duyulmaktadır. Fakat yinede bu yöntemde gazlı yayılım yöntemine göre yaklaşık 10 kat daha az zenginleştirme basamağına ve enerjiye ihtiyaç duyulmaktadır.

 

Bu teknoloji döner düzenek tasarımı, merkezkaç kuvvetine karşı dayanıklı malzeme seçimi ve çok hızlı dönmekte olan düzeneklerin dengede tutulması gibi bazı zorluklar içermektedir.

 

Gaz Yayınımlı Ayrıştırma

Gaz yayınımlı ayrıştırma günümüzde ABD ve Fransa tarafından kullanılmaktadır. Bu yöntemde UF6 katı halde özel variller içinde zenginleştirme tesisine getirilmektedir. Varil katı UF6 sıvı hale dönüşünceye kadar ısıtılmaktadır. Varilin hepsi dolu olmadığından, sıvının üst yüzeyinden UF6 buharlaşmakta ve varilin üst boşuğunu doldurmaktadır. UF6 gazı yavaş yavaş zenginleştirme tesisinin boru hatlarına beslenmekte ve zenginleştirme düzeneklerine pompalanmaktadır. Zenginleştirme düzeneği gözenekli ince zarlardan oluşan filtre tertibatından oluşmaktadır. İnce zarın gözenekleri o kadar küçüktür ki, UF6 gaz molekülleri ancak geçebilmektedir. Daha hafif olan Uranyum-235'lü UF6 molekülleri, daha ağır olan Uranyum-238'li UF6 moleküllerine oranla bu gözneklerden daha kolay geçebilmektedir. Gözenekli filtreden geçebilen gaz, Uranyum-235 açısından yaklaşık binde 2 (ayrıştırma faktörü 1.002) daha zenginleşmiş olmaktadır. Geçemeyen gaz ise Uranyum-235 açısından daha fakirleşmiş hale gelmektedir.

Nükleer yakıt için ihtiyaç duyulan %3 ile %5 arası zenginlik seviyesine ulaşabilmek için bu ince zar filtre tertibatlarının (zenginleştirme basamağının) çok sayıda arkada arkaya yerleştirilmesi gerekmektedir. Örneğin Fransa Pierrelatte zenginleştirme tesisinde peşpeşe dizilmiş 1400 filtre tertibatı bulunmaktadır. Çok sayıda filtre tertibatından geçip istenen zenginlik düzeyine eriştirkten sonra UF6 gazı sıvıya yoğuşturulup varillere doldurulmaktadır. Variller soğutularak UF6'nın katı hale dönüşmesi sağlanmaktadır. Variller daha sonra nükleer yakıt imalatında kullanılmak üzere yeniden dönüştürme ve yakıt imalat tesisine götürülmektedir. Bu yöntemin en büyük zorluğu etkin gözenekli zar filtrelerin imal edilebilmesindir.

 

 

Gaz Yayınımlı Ayrıştırma

Lazer zenginleştirme işlemi uranyum atomlarının veya oluşturdukları bileşiklerin moleküllerinin yuttukları ışık paketlerinin dalga boylarındaki farkından yararlanmaktadır.

 Moleküler Lazer Ayrıştırma (MLIS) olarak bilinen yöntemde uranyum hekzaflorür (UF6) gaz molekülleri 220ºC sıcaklıkta Helyum gazında seyreltilmektedir. Bu gaz lazer ışınlarına maruz bırakılmaktadır. Lazer ışınları uranyum-235 taşıyan UF6 moleküllerini uyarırken uranyum-238 taşıyan UF6 moleküllerini etkilememektedir. Uyarılmış UF6 çekirdekleri ikinci bir lazer yardımıyla uranyum pentafloride (UF5) parçalanmakta ve beyaz bir toz olarak elde edilmektedir.

Atomsal Buhar Lazer Ayrıştırma (AVLIS) yönteminde ise uranyum metal tomruğu elekron demeti yardımıyla noktasal olarak 3000 derece sıcaklığa ısıtılmakta ve uranyumun buharlaşması sağlanmaktadır. Bu buhardaki uranyum-235 çekirdekleri lazer düzeneği yardımıyla önce uyarılmış düzeye çıkartılmakta ve daha sonra iyonlaştırılmaktadır. Uranyum buharı bir elektrostatik alandan geçirilmekte ve uranyum-235 yükünleri bir elektro-mıknatıs yardımıyla toplanmaktadır.

İyonize olmamış olan kısım elektrostatik alandan etkilenmeden geçmekte ve fakirleşmiş uranyum olarak toplanmaktadır. Toplanan zenginleşmiş ve fakirleşmiş uranyum ayrı ayrı sıvı halde uygun kaplara metal uranyum olarak doldurulmakta ve soğutularak katı hale getirilmektedir.

 

Burun Ayrıştırma Yöntemi

Bu yöntemde uranyum hekzaflorür (UF6) ve Helyum gazları karışımı bir burundan kıvrımlı bir oyuk duvarın üzerine püskürtülmektedir. Bu gaz akımı oyuğa çarpınca kıvrılarak akmakta ve yukarıya doğru sapmaktadır. Sapan gazı bir ayrıştırma plakası ikiye ayırmaktadır. Daha ağır olan Uranyum-238'lü UF6 gaz molekülleri daha geniş açıyla dönüp ayrıştırma plakasının arkasına doğru sapmakta, daha hafif olan Uranyum-235 'lü UF6 gaz molekülü ise daha dar açı ile dönüp, ayrıştırma plakasının içine doğru sapmaktadır.

 

İç kısımda kalan zenginleşmiş bölüm, peşpeşe dizilmiş bir sonraki zenginleştirme aşamasına gönderilmektedir.

Burun ayrıştırma yöntemi gazlı yayılım yöntemine göre 3 misli daha fazla enerji sarfiyatına ihtiyaç duymaktadır. Ayrıştırma faktörü de gazlı yayılma ve merkezkaçlı ayrışım yöntemleri arasında bir seviyesinde bulunmaktadır (yaklaşık 1.015-1.025 arası). Bu yöntem Almanya'da E.W. Becker tarafından geliştirildiğinden Becker yöntemi olarak da bilinmektedir. Burun ayrıştırma yöntemi Brezilya pilot tesiste uygulanmıştır. Güney Afrika burun ayrıştırmaya benzer bir yöntem olan Helikon (sabit duvar merkez-kaç) zenginleştirme teknolojisini geliştirmiştir. Helikon yönteminde UF6 ile Hidrojen gazı (H2) karıştırılmakta ve 6 bar basınç ve 75ºC sıcaklıkta duvara açılmış oyuklara püskürtülmektedir. Helikon yönteminde 1.03 ayrıştıma faktörüne erişilebilmektedir. Her iki tesis de kapatılmıştır.

 

Zenginleştirme Tesisleri

Uranyum zengineştirilme süreci bir dizi işlemlerden oluşmaktadır. Bu işlemler kullanılan teknolojiye göre faklılık gösterse de çoğu teknolojideki ana aşamalar birbirine benzemektedir. Yukarıda merkezkaç zenginleştirme teknolojisinde kullanılan işlemler sıralanmıştır. Her işlem hakkında daha fazla bilgi almak için yukarıdaki resimlerin üzerine tıklayınız.

 

Besleme Varili

 Doğal uranyum 48Y model varil olarak adlandırılan silindir şeklindeki varillerin içinde zenginleştirme tesisine getirilmektedir. Bu varilin içinde doğal uranyum, katı halde uranyum hekzaflorür (UF6) olarak bulunmaktadır. 48Y varilleri, yönetmelikler gereği UF6'nın uranyum-235 açısından zenginlik seviyesi % 1'in altında olduğu durumlarda kullanılmaktadır ve yaklaşık 8,4 ton saf UF6 alabilmektedir (taşıma için üst ağırlık sınırı 12,501 kgs'dır).

 

 

Besleme Varili Tankı

Doğal UF6 Besleme Varili tankında 85°C sıcaklığa ısıtılarak buharlaştırılmakta ve peşpeşe bağlanmış zenginleştirme düzeneklerine gönderilmektedir.

 

Besleme Varili Tankı

UF6 gazı zenginleştirme düzeneğinde uranyum-235 açısından zenginleştiril-mektedir. Bu aşama için farklı teknolojiler geliştirilmiştir. Daha detaylı bilgi için "teknolojiler" tuşuna basınız. Burada örnek olarak anlatılan merkezkaç teknolojisinde yüzlerce peşpeşe bağlanmış zenginleştirme düzeneği bulunmaktadır. Her düzenekten geçişte UF6 gazı Uranyum-235 açısından çok küçük oranda zenginleşmektedir.

 

Artık Uranyum Tankı

Zenginleştirme düzeneğinden sonuç olarak zenginleşmiş uranyum ve fakirleşmiş uranyum ayrı ayrı ortaya çıkmaktadır. Fakirleşmiş UF6 artık uranyum tankında toplanıp varillere doldurulmaktadır. Bu uranyum Japonya gibi kapalı yakıt çevrimi uygulayan ülkelerde Plutonyumla karıştırılarak karışık-oksit (MOX) yakıt üretiminde kullanılırken, ABD gibi açık yakıt çevrimi uygulayan ülkelerde varillere doldurulup yandaki resimde görüldüğü gibi saklanmaktadır.

 

Zenginleştirilmiş Uranyum İçin Soğuk Yakalama Düzeneği

Zenginleştirilmiş uranyum soğutulmuş yakalama düzeneğine çarparak katı halde yakalanmaktadır. Sonra tekrar ısıtılarak gaz haline dönüştürülmekte ürün tankına gönderilmektedir.

 

Ürün Tankı

Zenginleştirilmiş UF6 tekrar soğutularak katı hale getirilmekte ve ürün tankında toplanmaktadır.

 

Homojenizasyon Düzeneği

Zenginleştirilmiş uranyum ısıtılarak sıvı hale dönüştürülmekte, tektürelleştirilmekte (homojen hale getirilmekte) ve tekrar ısıtılarak gaz haline dönüştürülmekte ve ürün varillerine doldurulmak üzere bir sonraki aşamaya iletilmektedir.

 

Ürün Varili

Sonuçta oluşan zenginleştirilmiş UF6 soğutularak sıvı hale getirilmekte ve 30B model varillere doldurulmaktadır. Doldurulan varilin içinde soğuyan UF6 katı hale dönüşmektedir. 30B model varillerin çapları 76.2 cm olup, yönetmelikler gereği UF6'nın Uranyum-235 açısından zenginlik seviyesi %1'in üzerinde olduğu durumlarda kullanılmaktadır. Bu variller yaklaşık 1.5 ton UF6 alabilmektedir. (taşıma için üst ağırlık sınırı 2277 kgs'dir)