Zenginleştirilmiş uranyum

Zenginleştirilmiş uranyum, uranyum-235'in (yazıyla ²³⁵U) yüzde bileşiminin izotop ayırma işlemiyle artırıldığı bir uranyum türüdür. Doğal olarak oluşan uranyum, üç ana izotoptan oluşur: uranyum-238 (%99,2732-99,2752 doğal bolluğa sahip ²³⁸U), uranyum-235 (%0,7198-0,7210) ve uranyum-234 (%0,0049-0,0059). ²³⁵U, doğada (belirgin miktarda) bulunan ve termal nötronlarla parçalanabilen tek nükleittir.^[1]

Doğal olarak bulunan uranyum-238 (mavi) ve uranyum-235 (kırmızı) oranları ile zenginleştirilmiş oranlar

Zenginleştirilmiş uranyum, hem sivil nükleer enerji üretimi hem de askeri nükleer silahlar için kritik bir bileşendir. Düşük zenginleştirilmiş uranyum (%20'nin altında ²³⁵U), nükleer elektrik üretiminin neredeyse %90'ını oluşturan hafif su reaktörlerini çalıştırmak için gereklidir.^[2] Yüksek oranda zenginleştirilmiş uranyum (%20'nin üzerinde ²³⁵U), birçok nükleer silahın çekirdeğinde, deniz tahriki ve araştırma için kompakt reaktörlerde ve ayrıca üretken reaktörlerde kullanılır. Dünyada yaklaşık 2.000 ton yüksek oranda zenginleştirilmiş uranyum bulunmaktadır.^[3]

Zenginleştirme yöntemleri ilk olarak Manhattan Projesi ile büyük ölçekte geliştirilmiştir. Gaz difüzyon yöntemi, Sovyetler Birliği'nde gaz santrifüj yönteminin geliştirildiği 1940'lar ve 1950'lerde kullanılmış ve yaygınlaşmıştır.^[4]

Zenginleştirmeden sonra kalan ²³⁸U, zayıflatılmış uranyum olarak bilinir ve doğal uranyumdan önemli ölçüde daha az radyoaktif olmasına rağmen yine de çok yoğundur. Zayıflatılmış uranyum, radyasyon kalkanı malzemesi olarak ve zırh delici mermilerde kullanılır.

Sınıflandırma

Doğrudan Dünya'dan çıkarılan uranyum, çoğu nükleer reaktör için yakıt olarak uygun değildir ve kullanılabilir hale getirilmesi için ek işlemler gerektirir (CANDU tasarımı dikkate değer bir istisnadır). Uranyum, bulunduğu derinliğe bağlı olarak yer altında veya açık ocakta çıkarılır. Uranyum cevheri çıkarıldıktan sonra, cevherden uranyumu çıkarmak için bir öğütme işleminden geçmesi gerekir.

Bu, kimyasal işlemlerin bir kombinasyonu ile elde edilir ve nihai ürün, "sarı kek" olarak bilinen ve yaklaşık %80 uranyum içeren konsantre uranyum oksittir; orijinal cevher ise tipik olarak sadece %0,1 uranyum içerir.^[5]

Bu sarı kek, nükleer yakıt üretimi için uygun istenen uranyum formunu elde etmek üzere daha fazla işlenir. Öğütme işlemi tamamlandıktan sonra, uranyumun bir sonraki aşamada, "zenginleştirilmiş uranyum gerektirmeyen reaktör tipleri için yakıt olarak kullanılabilen uranyum dioksite veya çoğu reaktör tipi için yakıt üretmek üzere zenginleştirilebilen uranyum hekzaflorüre" dönüştürülmesi gerekir.^[6] Doğal olarak oluşan uranyum, ²³⁵U ve ²³⁸U karışımından oluşur. ²³⁵U bölünebilirdir, yani nötronlarla kolayca parçalanırken, geri kalanı ²³⁸U'dur; ancak doğada çıkarılan cevherin %99'undan fazlası ²³⁸U'dur. Çoğu nükleer reaktör, %3,5 ile %4,5 arasında değişen ²³⁵U gibi daha yüksek konsantrasyonlara sahip zenginleştirilmiş uranyum gerektirir (RBMK ve CANDU gibi grafit veya ağır su moderatörü kullanan birkaç reaktör tasarımı, yakıt olarak doğal uranyumla çalışabilir). İki ticari zenginleştirme işlemi vardır: gaz difüzyonu ve gaz santrifüjü. Her iki zenginleştirme işlemi de uranyum hekzaflorür kullanımını içerir ve zenginleştirilmiş uranyum oksit üretir.^[7]

Bir kase sarı kek (uranyum çökeltilerinin bir karışımı)

Yeniden işlenmiş uranyum (Reprocessed uranium, RepU)

Ana madde: Yeniden işlenmiş uranyum

Yeniden işlenmiş uranyum (RepU), kullanılmış nükleer yakıttan kullanılabilir uranyum çıkarmak için bir dizi kimyasal ve fiziksel işlemden geçer. RepU, kullanılmış yakıtın nükleer olarak yeniden işlenmesini içeren nükleer yakıt döngülerinin bir ürünüdür. Hafif su reaktörü (Light Water Reactor) kullanılmış yakıtından geri kazanılan RepU, genellikle doğal uranyumdan biraz daha fazla ²³⁵U içerir ve bu nedenle CANDU reaktörleri gibi yakıt olarak doğal uranyum kullanan reaktörlerde yakıt olarak kullanılabilir. Ayrıca, nötron yakalayarak nötronları boşa harcayan (ve daha yüksek ²³⁵U zenginleştirmesi gerektiren) ve nükleer atıkların derin jeolojik depolarda bertaraf edilmesinde en hareketli ve sorunlu radyonüklitlerden biri olan neptünyum-237'yi oluşturan istenmeyen izotop uranyum-236'yı da içerir. Yeniden işlenmiş uranyum genellikle diğer transuranik elementlerin ve fisyon ürünlerinin izlerini taşır ve bu da yakıt üretimi ve reaktör işletimi sırasında dikkatli izleme ve yönetim gerektirir.

Düşük oranda zenginleştirilmiş uranyum (Low Enriched Uranium)

Düşük oranda zenginleştirilmiş uranyum (LEU) %20'den daha düşük ²³⁵U konsantrasyonuna sahiptir; örneğin, dünyadaki en yaygın güç reaktörleri olan ticari LWR'de uranyum %3 ila 5 ²³⁵U'ya kadar zenginleştirilmiştir. Hafif oranda zenginleştirilmiş uranyum (Slightly Enriched Uranium) %2'nin altında ²³⁵U konsantrasyonuna sahiptir.^[8]

Yüksek analizli LEU (HALEU)

Yüksek analizli LEU (HALEU) %5 ile %20 arasında zenginleştirilir^[9] ve birçok küçük modüler reaktör (Small Modular Reactor) tasarımında kullanılır.^[10] Araştırma reaktörlerinde kullanılan taze LEU genellikle %12 ile %19,75 ²³⁵U arasında zenginleştirilir; ikinci konsantrasyon LEU'ya dönüştürülürken HEU yakıtlarının yerine kullanılır.^[11]

Yüksek oranda zenginleştirilmiş uranyum (Highly Enriched Uranium)

Yüksek oranda zenginleştirilmiş uranyum metali barı

Yüksek oranda zenginleştirilmiş uranyum (HEU) %20 veya daha yüksek ²³⁵U konsantrasyonuna sahiptir. Bu yüksek zenginleştirme seviyesi nükleer silahlar ve bazı özel reaktör tasarımları için gereklidir. Nükleer silah primerlerindeki bölünebilir uranyum genellikle silah sınıfı olarak bilinen %85 veya daha fazla ²³⁵U içerir. Teorik olarak bir patlama tasarımı için en az %20 yeterli olabilir (silahta kullanılabilir olarak adlandırılır) ancak yüzlerce kilogram malzeme gerektirir ve "tasarımı pratik olmaz".^[12][13] Daha da düşük zenginleştirme varsayımsal olarak mümkündür ancak zenginleştirme yüzdesi azaldıkça modere edilmemiş hızlı nötronlar için kritik kütle hızla artar, örneğin sonsuz bir kütleye sahip %5.4 ²³⁵U gereklidir.^[12] Kritiklik deneyleri için uranyumun %97'nin üzerinde zenginleştirilmesi başarılmıştır.^[14]

Kod adı

Manhattan Projesi sırasında, silah sınıfında yüksek oranda zenginleştirilmiş uranyuma, uranyumun zenginleştirildiği tesislerin konumuna atfen Oak Ridge alaşımının kısaltılmış bir versiyonu olan oralloy kod adı verildi.^[15] Oralloy terimi hâlâ ara sıra zenginleştirilmiş uranyumu ifade etmek için kullanılmaktadır.

Ayrıca bakınız

• Lazer konularının listesi
• Nükleer yakıt bankası