Son yıllarda Hindistan ve Çin, karbonsuz toryum yakıtlı nükleer enerji santralleri faaliyete geçirmek için yoğun gayret sarf etmektedir. Yoğun çabalarının nedeni olarak hem her iki ülkenin yüksek ekonomik büyüme hızları sayesinde astronomik boyutlara ulaşan elektrik ihtiyaçları hem de süratle artan küresel karbon emisyonları ve global karbondioksit salınımları kaygıları gösterilmektedir.

Bu bağlamda Hindistan’da Indira Gandhi Atom Araştırma Merkezi (Indira Gandhi Centre for Atomic Research) ve Bhabha Nükleer Araştırma Merkezi (Bhabha Atomic Research Centre – BARC) ‘nde teknolojik ve bilimsel araştırmalar yürütülmektedir. On yıl içinde Hindistan, toryum kökenli ağır su nükleer enerji reaktörleri çalıştırılması ve işletilmesini planlamıştır. Çin’de ise Çin Bilimler Akademisi (Chinese Academy of Sciences – CAS) ve Shanghai Uygulamalı Fizik Enstitüsü (Shanghai Institute of Applied Physics – SINAP) tarafından toryum menşeli nükleer santraller kurulması için bilimsel araştırmalar yapılmaktadır. Çin’in deneme amaçlı prototip toryum reaktörü 2015 yılında faaliyete geçecektir. Ayrıca, eritilmiş toryum florit yakıtlı toryum reaktörü çalışmaları da sürdürülmektedir. Diğer taraftan, Çin ve Hindistan’da yürütülen toryum reaktörleri temelli bilimsel ve teknolojik araştırmalar Türkiye için de büyük önem taşımaktadır. Küresel toryum yatakları açısından Türkiye dünyada Avustralya ve Amerika Birleşik Devletleri’ni takiben üçüncü sırada yer almaktadır. Uluslararası Atom Enerjisi Ajansı (International Atomic Energy Agency – IAEA) 2005 yılı tahminlerine göre Türkiye toryum rezervi 344000 ton civarında bulunmaktadır. 

Toryum kendi kendine bölünebilir (fisil) bir element değildir. Toryum nötronlarla bombardımana tabi tutulduğunda uranyum-233 (U-233) izotopuna dönüşmektedir. Böylece, toryum gerekli nötronları temin etmek için klasik reaktörlerde zenginleştirilmiş uranyum veya plütonyumla birlikte yakılabilmektedir. Bununla beraber toryumu florit halinde kullanmak daha iyi bir tasarım ve yöntem olarak ortaya çıkmaktadır. Toryum, berilyum ve lityum florür ile karıştırılmak suretiyle kaynama noktası 1100 ºC dan daha kolay izlenebilir düzey olan 360  ºC ‘a kadar düşürülerek karışım eritilmektedir. Meydana gelen sıvı, fisyonla sıcaklığın yaklaşık 700 ºC ‘ye ulaştığı özel tasarımlı reaktör kalbi içerisine pompalanabilmektedir. Daha sonra sıvı, genellikle karbondioksit veya helyum gazına yeni kazanılan ısıyı transfer etmek için ısı değiştirici (heat exchanger) ünitesine yönlendirilmektedir. Karbondioksit ya da helyum gazları da türbinlerde elektriği elde etmekte kullanılmaktadır. Soğumuş florit karışımı ise tekrar ısıtılmak üzere yeniden nükleer reaktör kalbine gönderilmektedir. Şimdiye kadar anlatılanlar Amerika Birleşik Devletleri Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı (Oak Ridge National Laboratory – ORNL) deneysel amaçlı toryum reaktörü işletilmesi yöntemini kapsamaktadır. ORNL, ABD Enerji Bakanlığı (US Department of Energy – DOE) adına bilimsel ve teknolojik araştırma projeleri yürütmektedir. ORNL prototip toryuma dayalı nükleer reaktör çalıştırılması ve faaliyeti 1961 yılında durdurulmuştur. Günümüzde söz konusu tesisin modern tipi sıvı florit toryum reaktörü (Liquid Fluoride Thorium Reactor – LFTR) olarak adlandırılmaktadır. LFTR tipi toryum reaktörleri sistemlerinin en önemli özelliği, normal atmosferik basınç altında çalıştırabilmesinden kaynaklanmaktadır. Bu durum nükleer enerji ekonomisi ve nükleer reaktör maliyetleri kalemlerini çok yakından ilgilendirmektedir. Şu anda yaygın olarak kullanılan hafif sulu nükleer elektrik reaktörleri modellerinde soğutma suyu aşırı yüksek basınç altında tutulmaktadır. Sonuç olarak hafif sulu nükleer güç reaktörleri çelik basınç kapları kılıflarına ihtiyaç duymaktadır. Ayrıca, nükleer reaktör soğutma sistemi arızalandığında ve radyoaktif buhar ortaya çıktığında söz konusu radyoaktivitenin çevreye salınımının önlenmesi amacıyla kaleye benzer yapı olan reaktör koruma kabı (containment building) inşa edilmesi gerekmektedir. LFTR tipi toryuma dayalı nükleer güç santralleri yukarıda ifade edilen nükleer güvenlik sistemleri ve donanımları kurulmasına gereksinim duymamaktadır. Öte yandan, toryum nükleer yakıtı hazırlanması da rakiplerine kıyasla çok daha kolaydır. Doğal uranyumun sadece %0.7 si bölünebilir uranyum-235 (U-235) izotopudur. Geri kalanı uranyum-238 (U-238) olup, üç fazla nötron nedeniyle daha ağırdır. Bahse konu nötronlar sayesinde U-238 kararlılık kazanmakta ve bölünmeye uğramamaktadır. İşte bu sebepten oldukça karmaşık santrifüj yöntemi ile uranyumun zenginleştirilmesi zorunluluk arz etmektedir. Uranyum-238 ‘in nötronlarla bombardımanı ile plütonyum üretimi gerçekleşmesine benzer şekilde toryum da uranyum-233 (U-233) ‘e dönüşmektedir. Ancak, plütonyumun yakılması için ayrı bir nükleer reaktör olması icap etmektedir. Tam tersine, toryum yakıtı cevherden çıkarıldığında reaktörde kullanılmaya hazır konuma gelmektedir. Diğer taraftan, nötronların zincirleme nükleer reaksiyonları başlatabilmesi için de uranyum ve plütonyum gereklidir. Toryum da ise uranyum-233 (U-233) ‘e kafi derecede dönüşüm sağlandığında proses kendi kendine yeten düzeye ulaşmaktadır. Bu arada söz konusu düzey, U-233 bölünmesinden gelen nötronlar ile tüketilen U-233 ‘ün yerini doldurmak için yeterince toryumun transmutasyonu sayesinde korunmaktadır. Böylece, asıl malzeme azalmamakta ve reaktör sistemi içinde fazlasıyla bulunmaktadır. Ayrıca, yakıtın sıvı halinde olması sebebiyle U-233 atomları bölündüğünde oluşan fisyon ürünleri ile birlikte reaktörden akabilmektedir. Benzer şekilde fazla toryum florit de gerektiğinde reaktörden tahliye edilebilmektedir. Neticede toryum kaynaklı nükleer enerji reaktörleri hafif sulu nükleer güç santralleri ünitelerine kıyasla yıllarca fasılasız ve hiç durmaksızın çalışabilmektedir. Hafif sulu nükleer elektrik santralleri ise nükleer yakıt çubukları değiştirilmek üzere her 18 ayda bir kapatılmaktadır. Toryumun başka avantajları ve üstünlükleri de mevcuttur. Örneğin, LFTR toryum reaktörleri klasik hafif sulu reaktörlere nazaran daha az zararlı radyoaktif atık üretmektedir. Oluşan nükleer atık iyonlaştırıcı radyasyon doz düzeyleri yüzde bir oranında daha düşüktür. Bu bağlamda LFTR toryum reaktörü radyoaktif atıkları yüzyıllar mertebesinde güvenli seviyeye indirgenmektedir. Hafif sulu reaktörlerin radyoaktif atıklarının bekletilme süreleri ise milyonlarca yıla kadar ulaşmaktadır. Toryum elementinden nükleer bomba yapılması çok zor olmasına rağmen çelişkili şekilde çoğunlukla klasik güç reaktörleri kanalıyla elde edilen atom bombaları ile eşdeğer tutulmuştur. Bir ya da iki U-233 bombası 1950 ‘li yıllarda ABD tarafından Nevada çölünde denenmesi ve Hindistan‘da da 1990 ‘lı yılların sonlarında aynı şekilde test edilmesi küresel atom bombaları kaygılarını artırmıştır. Ancak, Amerikan deneyi göz önüne alındığı takdirde U-233 nükleer bombaları erken patlamaya açık, hassas ve kararsız bir yapıya sahip oldukları ortaya çıkmıştır. U-233 ‘ün güçlü gama radyasyonu üretmesi nedeniyle bomba ateşleme devresinin yanması nükleer silah olarak kullanılmasını riskli kılmaktadır. Amerika Birleşik Devletleri, Nevada testlerinden sonra U-233 atom bombaları imalatı ve yapımını durdurmuştur.

Aşağıdaki grafikte ve tabloda ülkelerin global toryum kaynakları ton ve yüzde olarak verilmektedir. Dünya toryum rezervleri toplamı 2810000 tondur. Türkiye toryum kaynakları ise ülkemizin enerji arz güvenliği sorunları çözümü açısından ciddi bir umut vaat etmektedir.  

Öte yandan, gama ışınları problemi toryumun U-233 ‘e dönüştürülmesi prosesi kapsamında çok karmaşık bir durum da yaratmaktadır. Çok az bir miktar, farklı bir nükleer bozunma serisi yolu izleyerek gerçekten çok radyoaktif olan talyum ile son bulmaktadır. Radyoaktif talyumun gama ışınları aşırı derecede yüksek enerjili olup, bir metre kalınlığındaki betona kadar girebilmektedir. Söz konusu elementten eser düzeyde ihtiva eden materyalin bile işlenmesi ve dökümü küresel ölçekte sadece çok az sayıdaki ulusal nükleer silah laboratuvarları birimlerinde mümkün görülmektedir. Atom bombası üretimi ile ilgilenen ülkeler toryum reaktörleri yerine uluslararası  denetimi daha zayıf olan plütonyum bulma yoluna gitmektedir. Sonuçta, toryum küresel nükleer silahlar yönünden terkedilmekle birlikte çağımızın ciddi global enerji arz güvenliği sıkıntıları karşısında yeniden dünya gündemine gelmektedir.

Ahmet Cangüzel Taner
Fizik Yüksek Mühendisi

TRKD üyesi

(canguzel.taner@gmail.com)