agent force
Harbi Aktif Üye
Çekirdek yakıtları
Тhоrium (Toryum), yumuşak, viskozitesi çok büyük, iyi dövülebilen, gri renkte olan radyoaktif bir metaldir. Periyodik tabloda 90. sırada yer alır ve atom yükü 232 dir (90Th232). Toryumun özyoğunluğu -11.78 g/cm3, özısı tutumu -0.113 J/Kmol, erime sıcaklığı -2028 0K, buharlanma sıcaklığı -5060 0K dir. Toryumu içeren ve sonradan thorit olarak adlandırılan mineralinden 1828 yılında ayırmışlar ve İskandinav mitolojisinden bilinen gök gürültüsü Tanrısı Thora’nın adını vermişlerdir.
Yaklaşık olarak bundan 100 yıl önceki dönemlerde, toryum ateşte ısıtıldığında onun güçlü bir ışık verdiği bilinmekteydi. Bu da onun evleri aydınlatma amacı ile kullanılmasına neden olmuştur. Eğer katı maddeyi ısıtırsak, örneğin demiri, onun 1000 0C ki ışımasının kırmızı renkte ışıma olduğu gözlenir. Bu genelde katılar için geçerlidir. Ama ateşin üzerindeki gazınışıması ise, onun türüne bağlı olarakçok daha parlak ve ağ ışığına yakın ışıma verebilir. Bu ısınangazın atomlarının (veya moleküllerinin) hangi enerji seviyelerinin uyarılmasına (ışık soğurması değil) ve hangi geçişlerin daha büyük olasılıkla gerçekleşmesine bağlıdır. Toryumun ağ ışığa yakın dalga boylarında güçlü ışıma vermesi, onun yüzey kısmındaki atomların böyle enerji geçişlerinin çok daha fazla gerçekleşmesini göstermektedir. Unutmayalım ki gazlar seyrekse ve gazı oluşturan moleküllerin (veya atomların) hızları küçükse, ışımasının spektrumu çizgisel olur. Ama katıların yoğunluğu çok büyük olduğundan, katıyı oluşturan atomlar birbirleriyle devamlı etkileşirler ve titreşim hareketi yaparlar. Bu nedenle de onların enerji seviye sayısı çok fazladır ve ışımaları da sürekli olur.
Günümüzde bilim adamları, Toryumu diğer metallerle karıştırarak, ısıya ve kırılmalara dayanabilen alışımlar elde ediyorlar. Toryumun oksidi tüm diğer oksitlerden ve metallerin büyük çoğunluğundan daha yüksek sıcaklıklarda erir (3077 0C) ve paslanmadığından çok yüksek sıcaklıklarda kullanılması gereken yerlerde kullanılabilir. Volfram (Wolfram veya Tungsten) 3380 derecede, yani metallerin hepsinden daha yüksek sıcaklıkta erir. Volfram çok yoğun bir maddedir, öz yoğunluğu 19.3 g/cm3 tür ve kaynama sıcaklığı da çok yüksektir (5530 0C), yani Toryumun kinden de daha yüksek. Ama Toryum oksitten (ThO2) %1 den az miktardavolframa katılması ampullerdeki tellerin mekaniksel olarak daha dayanıklıolmasına ve açığa çıkan ışığın daha ağ olmasına neden olur. Toryumum oksidi çok dayanıklı olduğundan uçakların yapımında da kullanılmaktadır.
Bilindiği gibi Mendeleyev’in tablosunda, sıra numaraları küçük olan kimyasal elementlerin doğada bulunmayan, ama yapay yollarla elde edilen ve doğadaki bazı süreçler sonucu oluşan izotopları radyoaktiftir. Örneğin hidrojenin bile radyoaktif izotopu vardır. Bu Trityumdur (1H3) ve onun kendi kendine yarı bölünme ömrü (çekirdeklerinin yaklaşık yarısının beta(β) bozulmasına uğraması için gereken zaman) 12.3 yıldır. Alüminyum atomunun 13Al27 izotopu dışında olan diğer izotopları saniye ve dakikalar içinde bozulur.
Mendeleyev tablosunda sıra numaraları orta ve büyük olan elementlerin izotopları adeta radyoaktiftir ve bazılarının yarı ömürleri milyonda bir saniye kadar küçük olabilir. Burada bizi doğal radyoaktiflik ilgilendiriyor, yani gezegenimizolan Dünya’nın oluşmasısırasında(5x109 yıl önceden) geriye kalan elementlerin radyoaktif izotopları ve onların bozulmasının ürünleri. Bu elementlerin izotoplarının yarı ömürleri 3x108 yıldan büyüktür. Böyle elementlerin izotoplarından Potasyum (19K40), Vanadyum (23V59), Rubidyum (37Rb87), İndiyum (49İn115), Tellür (52Te123), Lantan (57La138), Lütesyum (71Lu176), Renyum (75Re187) β radyoaktiflik parçalanması ile (çekirdeklerinden bir elektron veya pozitron ışıması yaparak) komşu elementin dayanaklı izotopuna dönüşürler. Bu tip radyoaktiflik gösteren elementlerden çekirdek enerjisi elde etmek çok elverişli değildir.
Doğal radyoaktivitelik gösteren elementler içinde Neodim (60Nd144), Samaryum (62Sm147), Toryum (90Th232), Uranyum (92U235) ve (92U238) α radyoaktiflik gösterirler. Biliyoruz ki α parçacığı helyum atomunun çekirdeğidir. Bunların dışında bazı çok düşük olasılıkla α radyoaktiflik gösteren elementlerde vardır (Kadmiyum 48Cd152, Hafniyum 72Hf174 ve Platin 78Pt190 ve 78Pt192.) Doğada, α radyoaktiflik özelliği gösteren elementlerin parçalanması sonucu oluşan ve kısmen uzun yaşayan radyoaktif izotoplarda vardır. Bunlar 90Th232, 92U235 ve 92U238 izotoplarının ürünleridir. Bu radyoaktif elementlerin parçalanması sonucu oluşan α parçacıkların, nötronların ve kozmik ışımadaki protonların etkisi ile hafif elementlerin bile bazı izotopları oluşur. Bu izotopların yarı ömürleri kısa olduğundan pek gözlenemezler ve bu nedenle de doğada çok az miktarda rastlanırlar.
Bundan 50 yıl önce başlanan çalışmalarda, farklı elementlerin çok sayıda (binden fazla) izotopları yapay yollarla elde edilmiştir. Bunların çoğu özel bir amaçla değil, çekirdek ve parçacık fizikçilerinin yaptıkları deneyler sonucu tesadüfen oluşmuştur. Bizi burada ilgilendiren konu, atom (daha doğrusu çekirdek) enerjisinin elde edilmesi olduğundan alfa (α) radyoaktifliği gösteren ve özellikle kendi kendine ya da az bir enerji alarak bölünen elementlerin izotopları üzerinde durmalıyız. Genelde atom numaraları Z>83 olan ve beta (β) parçalanmasına uğramayan elementlerin hepsi alfa parçalanmaya maruz kalırlar ve bunların içlerinde daha ağır olan elementlerin izotopları bölünür. Doğada rastlanılan radyoaktif elementler içinde çok yaşayan ve diğer radyoaktif elementlerden çok daha fazla rastlanılan elementler 92U238 ve 90Th232 dur. Bu elementlerin milyon yıldan fazla yaşayan izotoplarının yarı ömürleri aşağıdaki gibiler:
92U238– 4.51x109, 92U235– 7.13 x108, 92 U236– 2.39x107 yıl,
90Th232– 1.39x1010 yıl.
Dünyadaki Toryum rezervi Uranyumdan yaklaşık 3-4 kat daha fazladır. Bir kimyasal elementin diğerinden fazla olması onun tam olarak elde edilmesinin kolaylığını ve maliyetinin daha az olması anlamına gelmiyor. Önemli olan kimyasal elementlerin elde edilmesi kolay olan yataklarda birikmesi ve kullanışı daha az masraf isteyen halde olmasıdır. Toryumun farklı ülkelerde bulunan maden yataklarındaki miktarını tonlarla ifade edersek, yaklaşık olarak şöyle bir dağlım olduğu söylenebilir: Türkiye- 380 bin, Avustralya- 340 bin, Hindistan- 300 bin, ABD- 300 bin, Norveç- 180 bin, Kanada- 100 bin. Diğer ülkelerdeki Toryum rezervlerinin toplamı 100 bin tondan az olduğu bilinmektedir, ama bunlar tahminlerdir ve değişebilir. Örneğin Rusça olan belgelerde bu Türkçe olan yayınlardan farklı verilerin olduğu bilinmektedir: Avustralya- 300 bin, Hindistan- 290 bin, Norveç- 170 bin, ABD- 160bin, Kanada- 100 bin. Diğer yandan dünyadaki Toryum rezervlerinin yaklaşık %25’ inin Norveç’de olduğu da yazılarda geçmektedir. Doğu insanlarının bir şeyleri değerlendirme konusunda kesin olmayan ve çok abartıcı şekilde konuşmalara sahip oldukları bilinmektedir. Bu anlamda Türkiye’de ki Toryum zenginliğine ve işlenmesinin maliyetine de daha ciddi yaklaşılması gerekir.
Kolay elde edilebilen 92U238 (doğal olarak temiz şekilde değil) rezervleri için: Avustralya- 323 bin, Kazakistan- 317 bin, Nijerya- 125 bin, Rusya- 121 bin, Kanada- 105 bin. Maliyeti daha fazla olan Uranyum rezervleri çok daha fazladır ve bunlara bağlı yazılardan yine de Avustralya birinci ve Kazakistan ikinci sıradadır.
Şimdi Uranyumun ve Toryumun çok iyi bilinen ve yukarıda verdiğimiz yarı ömürlerine bağlı bilgileri inceleyelim. Toryumun yarı ömrü çok daha büyüktür ve onun bölünmesi sonucu oluşan ve yarı ömrü büyük olan izotopları da yoktur. Yalnızca90Th230 izotopunun yarı ömrü 8x104 yıldır.Böylece biryandan Toryumun esas izotopunun kendisi Türkiye’de bazı diğer ülkelerde ki gibi kolay bölünmüyor, diğer yandan dünyanın bütün maden yataklarında ne kendisinin izotopları ne de ürettiği diğer elementlerin atom yakıtı gibi kullanılmaya elverişli olanı, yani kısmen çok yaşayan ve böylece birikebilen izotoplar bulunmamaktadır. Toryumun öyle fiziksel özellikleri var ki bomba yapımı için hiç kullanılmaz. Aynı zamanda atom santrallerinde yakıt olarak kullanılması Uranyumunkinden daha zor yollarla mümkün olmaktadır. Ama fiziksel özellikleri, onun yakıt gibi kullanılmasından sonraki kalıntılarının Uranyumunki kadar tehlikeli olmadığını da gösteriyor. Yani onların doğaya vereceği zararın önlenmesi için harcanan paranın daha az olduğu apaçıktır. 1940 lı yıllarından beri Toryum hep bir nükleer yakıt gibi kullanılmak istenmiştir, özellikle son 30-35 yıllarında. Ve bu yönde en fazla bilimsel ve teknik çalışmalar Almanya, Hindistan, Japonya, Rusya, Büyük Britanya ve ABD de yapılmıştır.
Eğer 90Th232 ile yüklenmiş nükleer reaktöre yüksek enerjili nötron demeti gönderilirse, bu Toryum çekirdekleri nötronları soğurarak kendi kendine hızla bölünebilen Uranyumun 92U233 izotopuna dönüşürler. Hızlı nötronları elde etmek için, hızlandırıcılarda hızlandırılmış protonlar ağır çekirdekli atom hedeflerine yönlendirilir. Buradaki teknik problemler halen güncelliğini korumaktadır, çünkü elde edilen enerjinin maliyeti çok önemlidir. Diğer yandan unutmamak gerekir ki Uranyum- 233 atom bombası yapımı için kolayca kullanılabilir, bu da iyi değil.
Bilindiği gibi, yeryüzünde nüfus azalmazsa, yaklaşık 50 yıl sonra kimyasal doğası olan yakıtlar ve hatta Uranyum yakıtı bile (kolay bölünen izotoplar) enerjiye olan talebi karşılamaya yetmeyecektir. Daha ötesi, yakıtların fiyatları çok artacaktır. Bu nedenle Uranyum- 238 ve Toryumu- 232 daha düşük maliyeti olan yöntemlerle yakıt olarak kullanma yönünde çalışmaların devam edilmesi gerekir. Bunun için de hızlı (sıcak) nötronlar kaynağı gerekir.
Тhоrium (Toryum), yumuşak, viskozitesi çok büyük, iyi dövülebilen, gri renkte olan radyoaktif bir metaldir. Periyodik tabloda 90. sırada yer alır ve atom yükü 232 dir (90Th232). Toryumun özyoğunluğu -11.78 g/cm3, özısı tutumu -0.113 J/Kmol, erime sıcaklığı -2028 0K, buharlanma sıcaklığı -5060 0K dir. Toryumu içeren ve sonradan thorit olarak adlandırılan mineralinden 1828 yılında ayırmışlar ve İskandinav mitolojisinden bilinen gök gürültüsü Tanrısı Thora’nın adını vermişlerdir.
Yaklaşık olarak bundan 100 yıl önceki dönemlerde, toryum ateşte ısıtıldığında onun güçlü bir ışık verdiği bilinmekteydi. Bu da onun evleri aydınlatma amacı ile kullanılmasına neden olmuştur. Eğer katı maddeyi ısıtırsak, örneğin demiri, onun 1000 0C ki ışımasının kırmızı renkte ışıma olduğu gözlenir. Bu genelde katılar için geçerlidir. Ama ateşin üzerindeki gazınışıması ise, onun türüne bağlı olarakçok daha parlak ve ağ ışığına yakın ışıma verebilir. Bu ısınangazın atomlarının (veya moleküllerinin) hangi enerji seviyelerinin uyarılmasına (ışık soğurması değil) ve hangi geçişlerin daha büyük olasılıkla gerçekleşmesine bağlıdır. Toryumun ağ ışığa yakın dalga boylarında güçlü ışıma vermesi, onun yüzey kısmındaki atomların böyle enerji geçişlerinin çok daha fazla gerçekleşmesini göstermektedir. Unutmayalım ki gazlar seyrekse ve gazı oluşturan moleküllerin (veya atomların) hızları küçükse, ışımasının spektrumu çizgisel olur. Ama katıların yoğunluğu çok büyük olduğundan, katıyı oluşturan atomlar birbirleriyle devamlı etkileşirler ve titreşim hareketi yaparlar. Bu nedenle de onların enerji seviye sayısı çok fazladır ve ışımaları da sürekli olur.
Günümüzde bilim adamları, Toryumu diğer metallerle karıştırarak, ısıya ve kırılmalara dayanabilen alışımlar elde ediyorlar. Toryumun oksidi tüm diğer oksitlerden ve metallerin büyük çoğunluğundan daha yüksek sıcaklıklarda erir (3077 0C) ve paslanmadığından çok yüksek sıcaklıklarda kullanılması gereken yerlerde kullanılabilir. Volfram (Wolfram veya Tungsten) 3380 derecede, yani metallerin hepsinden daha yüksek sıcaklıkta erir. Volfram çok yoğun bir maddedir, öz yoğunluğu 19.3 g/cm3 tür ve kaynama sıcaklığı da çok yüksektir (5530 0C), yani Toryumun kinden de daha yüksek. Ama Toryum oksitten (ThO2) %1 den az miktardavolframa katılması ampullerdeki tellerin mekaniksel olarak daha dayanıklıolmasına ve açığa çıkan ışığın daha ağ olmasına neden olur. Toryumum oksidi çok dayanıklı olduğundan uçakların yapımında da kullanılmaktadır.
Bilindiği gibi Mendeleyev’in tablosunda, sıra numaraları küçük olan kimyasal elementlerin doğada bulunmayan, ama yapay yollarla elde edilen ve doğadaki bazı süreçler sonucu oluşan izotopları radyoaktiftir. Örneğin hidrojenin bile radyoaktif izotopu vardır. Bu Trityumdur (1H3) ve onun kendi kendine yarı bölünme ömrü (çekirdeklerinin yaklaşık yarısının beta(β) bozulmasına uğraması için gereken zaman) 12.3 yıldır. Alüminyum atomunun 13Al27 izotopu dışında olan diğer izotopları saniye ve dakikalar içinde bozulur.
Mendeleyev tablosunda sıra numaraları orta ve büyük olan elementlerin izotopları adeta radyoaktiftir ve bazılarının yarı ömürleri milyonda bir saniye kadar küçük olabilir. Burada bizi doğal radyoaktiflik ilgilendiriyor, yani gezegenimizolan Dünya’nın oluşmasısırasında(5x109 yıl önceden) geriye kalan elementlerin radyoaktif izotopları ve onların bozulmasının ürünleri. Bu elementlerin izotoplarının yarı ömürleri 3x108 yıldan büyüktür. Böyle elementlerin izotoplarından Potasyum (19K40), Vanadyum (23V59), Rubidyum (37Rb87), İndiyum (49İn115), Tellür (52Te123), Lantan (57La138), Lütesyum (71Lu176), Renyum (75Re187) β radyoaktiflik parçalanması ile (çekirdeklerinden bir elektron veya pozitron ışıması yaparak) komşu elementin dayanaklı izotopuna dönüşürler. Bu tip radyoaktiflik gösteren elementlerden çekirdek enerjisi elde etmek çok elverişli değildir.
Doğal radyoaktivitelik gösteren elementler içinde Neodim (60Nd144), Samaryum (62Sm147), Toryum (90Th232), Uranyum (92U235) ve (92U238) α radyoaktiflik gösterirler. Biliyoruz ki α parçacığı helyum atomunun çekirdeğidir. Bunların dışında bazı çok düşük olasılıkla α radyoaktiflik gösteren elementlerde vardır (Kadmiyum 48Cd152, Hafniyum 72Hf174 ve Platin 78Pt190 ve 78Pt192.) Doğada, α radyoaktiflik özelliği gösteren elementlerin parçalanması sonucu oluşan ve kısmen uzun yaşayan radyoaktif izotoplarda vardır. Bunlar 90Th232, 92U235 ve 92U238 izotoplarının ürünleridir. Bu radyoaktif elementlerin parçalanması sonucu oluşan α parçacıkların, nötronların ve kozmik ışımadaki protonların etkisi ile hafif elementlerin bile bazı izotopları oluşur. Bu izotopların yarı ömürleri kısa olduğundan pek gözlenemezler ve bu nedenle de doğada çok az miktarda rastlanırlar.
Bundan 50 yıl önce başlanan çalışmalarda, farklı elementlerin çok sayıda (binden fazla) izotopları yapay yollarla elde edilmiştir. Bunların çoğu özel bir amaçla değil, çekirdek ve parçacık fizikçilerinin yaptıkları deneyler sonucu tesadüfen oluşmuştur. Bizi burada ilgilendiren konu, atom (daha doğrusu çekirdek) enerjisinin elde edilmesi olduğundan alfa (α) radyoaktifliği gösteren ve özellikle kendi kendine ya da az bir enerji alarak bölünen elementlerin izotopları üzerinde durmalıyız. Genelde atom numaraları Z>83 olan ve beta (β) parçalanmasına uğramayan elementlerin hepsi alfa parçalanmaya maruz kalırlar ve bunların içlerinde daha ağır olan elementlerin izotopları bölünür. Doğada rastlanılan radyoaktif elementler içinde çok yaşayan ve diğer radyoaktif elementlerden çok daha fazla rastlanılan elementler 92U238 ve 90Th232 dur. Bu elementlerin milyon yıldan fazla yaşayan izotoplarının yarı ömürleri aşağıdaki gibiler:
92U238– 4.51x109, 92U235– 7.13 x108, 92 U236– 2.39x107 yıl,
90Th232– 1.39x1010 yıl.
Dünyadaki Toryum rezervi Uranyumdan yaklaşık 3-4 kat daha fazladır. Bir kimyasal elementin diğerinden fazla olması onun tam olarak elde edilmesinin kolaylığını ve maliyetinin daha az olması anlamına gelmiyor. Önemli olan kimyasal elementlerin elde edilmesi kolay olan yataklarda birikmesi ve kullanışı daha az masraf isteyen halde olmasıdır. Toryumun farklı ülkelerde bulunan maden yataklarındaki miktarını tonlarla ifade edersek, yaklaşık olarak şöyle bir dağlım olduğu söylenebilir: Türkiye- 380 bin, Avustralya- 340 bin, Hindistan- 300 bin, ABD- 300 bin, Norveç- 180 bin, Kanada- 100 bin. Diğer ülkelerdeki Toryum rezervlerinin toplamı 100 bin tondan az olduğu bilinmektedir, ama bunlar tahminlerdir ve değişebilir. Örneğin Rusça olan belgelerde bu Türkçe olan yayınlardan farklı verilerin olduğu bilinmektedir: Avustralya- 300 bin, Hindistan- 290 bin, Norveç- 170 bin, ABD- 160bin, Kanada- 100 bin. Diğer yandan dünyadaki Toryum rezervlerinin yaklaşık %25’ inin Norveç’de olduğu da yazılarda geçmektedir. Doğu insanlarının bir şeyleri değerlendirme konusunda kesin olmayan ve çok abartıcı şekilde konuşmalara sahip oldukları bilinmektedir. Bu anlamda Türkiye’de ki Toryum zenginliğine ve işlenmesinin maliyetine de daha ciddi yaklaşılması gerekir.
Kolay elde edilebilen 92U238 (doğal olarak temiz şekilde değil) rezervleri için: Avustralya- 323 bin, Kazakistan- 317 bin, Nijerya- 125 bin, Rusya- 121 bin, Kanada- 105 bin. Maliyeti daha fazla olan Uranyum rezervleri çok daha fazladır ve bunlara bağlı yazılardan yine de Avustralya birinci ve Kazakistan ikinci sıradadır.
Şimdi Uranyumun ve Toryumun çok iyi bilinen ve yukarıda verdiğimiz yarı ömürlerine bağlı bilgileri inceleyelim. Toryumun yarı ömrü çok daha büyüktür ve onun bölünmesi sonucu oluşan ve yarı ömrü büyük olan izotopları da yoktur. Yalnızca90Th230 izotopunun yarı ömrü 8x104 yıldır.Böylece biryandan Toryumun esas izotopunun kendisi Türkiye’de bazı diğer ülkelerde ki gibi kolay bölünmüyor, diğer yandan dünyanın bütün maden yataklarında ne kendisinin izotopları ne de ürettiği diğer elementlerin atom yakıtı gibi kullanılmaya elverişli olanı, yani kısmen çok yaşayan ve böylece birikebilen izotoplar bulunmamaktadır. Toryumun öyle fiziksel özellikleri var ki bomba yapımı için hiç kullanılmaz. Aynı zamanda atom santrallerinde yakıt olarak kullanılması Uranyumunkinden daha zor yollarla mümkün olmaktadır. Ama fiziksel özellikleri, onun yakıt gibi kullanılmasından sonraki kalıntılarının Uranyumunki kadar tehlikeli olmadığını da gösteriyor. Yani onların doğaya vereceği zararın önlenmesi için harcanan paranın daha az olduğu apaçıktır. 1940 lı yıllarından beri Toryum hep bir nükleer yakıt gibi kullanılmak istenmiştir, özellikle son 30-35 yıllarında. Ve bu yönde en fazla bilimsel ve teknik çalışmalar Almanya, Hindistan, Japonya, Rusya, Büyük Britanya ve ABD de yapılmıştır.
Eğer 90Th232 ile yüklenmiş nükleer reaktöre yüksek enerjili nötron demeti gönderilirse, bu Toryum çekirdekleri nötronları soğurarak kendi kendine hızla bölünebilen Uranyumun 92U233 izotopuna dönüşürler. Hızlı nötronları elde etmek için, hızlandırıcılarda hızlandırılmış protonlar ağır çekirdekli atom hedeflerine yönlendirilir. Buradaki teknik problemler halen güncelliğini korumaktadır, çünkü elde edilen enerjinin maliyeti çok önemlidir. Diğer yandan unutmamak gerekir ki Uranyum- 233 atom bombası yapımı için kolayca kullanılabilir, bu da iyi değil.
Bilindiği gibi, yeryüzünde nüfus azalmazsa, yaklaşık 50 yıl sonra kimyasal doğası olan yakıtlar ve hatta Uranyum yakıtı bile (kolay bölünen izotoplar) enerjiye olan talebi karşılamaya yetmeyecektir. Daha ötesi, yakıtların fiyatları çok artacaktır. Bu nedenle Uranyum- 238 ve Toryumu- 232 daha düşük maliyeti olan yöntemlerle yakıt olarak kullanma yönünde çalışmaların devam edilmesi gerekir. Bunun için de hızlı (sıcak) nötronlar kaynağı gerekir.
Prof. Dr. Oktay Hüseyin (Guseinov)
