Bunlarla devasa gemileri sıfır emisyonla yürütme projeleri.. !
Yüksel Atakan, Radyasyon Fizikçisi, Dr. Almanya, ybatakan4@gmail.com
Dünya’da bugün çalışan 440 kadar nükleer santralin tümü katı uranyum 235 yakıtlı. Toryum mineralinin içinde de, uranyum 235 gibi bölünebilen ve büyük miktarda enerjinin açığa çıkacağı ve bundan da elektrik üretilebilecek toryum var (işin fiziğiyle ilgilenenler için ayrıntılar aşağıda çerçeve içinde). Toryum minerali yer kabuğunda uranyum mineralinden 4 kat daha fazla. Türkiye, Dünya’da toryum zengini olan ülkelerin başlarında yer alıyor. Eskişehir /Sivrihisar toprakları, toryumun bol bulunduğu bölge. Uranyumla olan uzun yılların deneyimlerine karşın, toryumla olan deneyim eksikliği, toryuma yapılan araştırma ve denemelerin pahalı olmasıyla sonuçlanıyor. Buna rağmen gitgide artan enerji gereksinimini karşılayabilmek ve iklimi, daha fazla CO2 salınmasından koruyabilmek amacıyla, toryumun özellikle küçük modüler ergimiş tuz reaktörlerinde, artarak kullanılacağı kesin. Bunların örneklerini aşağıda vereceğiz.
Toryum ergimiş tuz reaktörleri nedir, nasıl çalışırlar (Molten Salt Reactors, MSR)?
Toryum ergimiş tuz reaktörleri tasarımları, IV kuşak denilen en yeni nükleer reaktör projelerinin, bugün en ilgi çekici olanlarıdır. Bu reaktörlerde 1,000°C‘ye varan sıcaklıktaki, ergimiş tuzun içine toryum ve katkı maddesi olarak da bir miktar uranyum 235 karıştırılıyor ve böylece sıvı yakıt oluşturulmuş oluyor. Bu tuz sıvı yakıt karışımı, hem yakıt, hem de soğutucu olarak kullanılıyor ve grafit yapının (çekirdek) çevresine sürekli pompalanıyor.
Sonra bu sıvı, ısı değiştiricilere ulaşarak ısı enerjisini, ikincil sıvı tuz devresine aktarıyor. Sıvı tuzun bir miktarı, nükleer bölünme sonucu ortaya çıkan radyoaktif maddelerin sıvıdan çekileceği kimyasal işlem bölümüne iletiliyor ve sisteme yeni yakıt enjekte ediliyor. Bu şekilde reaktör sürekli çalışıyor ve durmadan elektrik üretiyor. Halbuki bugün Dünya’da çalışan tüm uranyumlu reaktörler, yakıt değiştirme başta olmak üzere bakım ve onarım çalışmaları nedeniyle durdurulmak zorundalar ve yılda 1-2 ay elektrik üretemiyorlar. Bugün işletilen uranyumlu reaktörlerdekinin aksine, ergimiş tuz reaktörlerinde, yakıt elemanlarının ısmarlanmasına, fabrikasyonuna da gerek olmaması ve ayrıca bir kaza durumunda, tüm sıvı yakıtın reaktörden çekilebilmesi, sadece bu çeşit reaktörlere özgü çok büyük bir avantaj. Sıvı yakıtlı reaktörlerin bir başka avantajı da bunların çok yüksek sıcaklıklara ulaşmasıyla, uranyumlulara oranla çok daha fazla elektrik enerjisi üretebilmeleridir (Tuz, yakıtın ısı kapasitesini yükseltiyor ve yakıtın ergime noktasını düşürüyor). Sistem basıncının düşük (atmosfer basıncında) ve ısı kapasitesinin de yüksek olması sonucu bunların reaktör kapları küçük ve ince /1,2,3/. Toryum’un kullanılmasının, uranyum ya da plütonyuma göre çok çeşitli avantajları bulunuyor: Toryum yakıtı, sıvı tuz içine karışmış olduğundan gerektiğinde katılaştırıldığında çevresel herhangi bir hasar oluşturmuyor. Toryum’dan atom bombası yapılması da olası değil. Toryum ergimiş tuz reaktöreleri küçük modüler reaktörler (SMR) olarak istenilen yerlerde, örneğin gemilerde sorunsuz kullanılabiliyor. Enerji üretiminde kullanılan toryum miktarının az olması da bir avantaj. Bu nedenle bir çok ülkenin ilgisini çekiyor. 3 m yüksekliğinde ve 2,5 m genişliğinde böyle bir küçük reaktör (SMR) 100,000 kişinin elektriğini sağlayabiliyor. Çin toryum yakıtı kullanarak reaktörler yapmaya ve 100 MW’lık bir diğer projeyi 2030’da bitirmeyi planlıyor. Böylelikle Çin, güneş ve rüzgar enerjilerinden yararlanmanın yanı sıra, toryum reaktörleriyle de iklimi CO2 ‘den korumayı ve 2060 yılında sıfır emisyonu hedefliyor.
Bu avantajlara karşın, reaktörün yakın çevresine, fazla radyasyon yayması, toryum ergimiş tuz reaktörlerinde çalışmaları zorlaştırdığından, ilgili önlemlerin alınması gerekiyor. Toryum ergimiş tuz reaktörlerinin, daha da geliştirilerek 2030’da piyasaya artarak sunulması bekleniyor.
Şekil 1: Toryum Ergimiş Tuz reaktörüne bir örnek Solda reaktör kabı ve içinde toryum karışımlı ergimiş tuz, Kontrol çubukları hareket mekanizmaları, sağda ikincil devre tuz ısı değiştiriciler, pompalar.
Bugün toryum ergimiş tuz reaktörleriyle ilgli araştırma projeleri nerelerde var?
AB’de, MOSART ve SAMOFAR (Safety Assessment of the Molten Salt Fast Reactor) projesinden sonra, bugün SAMOSAFER projesi yapıldı. 2023 Aralık başında bu da tamamlandı. Şimdi yeni bir proje başlatılıyor.
Japonya’da FUJİ, ABD’de, Terra Power, Kairos Power, vd., Çin ve Hindistan da çeşitli projeleri yürütüyor. Türkiye’de de FİGES projesi var. FİGES A.Ş., AB UFUK-2020 projesi içinde yer alan ve 2009-2014 yılları arasında tasarımı tamamlanmış olan Toryum Yakıtlı Ergimiş Tuz Reaktörü’nün (Evaluation and Viability of Liquid Fuel Fast Reactor System– EVOL) nükleer güvenlik değerlendirme projesi olan SAMOFAR içinde “aktif gözlemci” olarak 2016 Temmuz’undan itibaren katılmış bulunuyor. FİGES’e verilen görev yüksek sıcaklıkta çalışan ergimiş flüorürlü tuz sıvısından ısı çekecek olan “ısı değiştiricilerin hesaplama ve tasarımıdır”. Millî bir ETR tasarımı için harekete geçen FİGES, 20017’den itibaren küçük bir nükleer reaktör tasarım grubu kurmuştur. Yapılan çalışmalarla TÜBİTAK ve TENMAK’ın da ilgisini çeken FİGES, 2023 başında bütün nükleer faaliyetlerini ThorAtom A.Ş. adındaki şirketi altında yürütmeye karar vermiştir /1/.
Kanada’da da Terrestrial Energy şirketi küçük modüler MSR’leriyle, ThorCon şirketi ise deniz araçlarında MSR kullanımıyla ilgili araştırmalarla uğraşıyorlar. Alabama’da, Flibe Energy şirketi, küçük toryum ergimiş tuz reaktörlerini geliştirme projesini sürdürüyor /2,3/.
Çin’in ilk toryum ergimiş tuz reaktörü 2 MW (TMSR: Thorium Molten Salt Reactor)
Çin, bu reaktör projesine 2011 yılında Wuwei kentinde başladı. Bu prototip reaktör için işletme izninin 2023’de verildiği de açıklandı /3,4/.
Toryum ergimiş tuz reaktörleriyle devasa gemileri sıfır emisyonla yürütme projeleri Gemilerde Toryum reaktörü: Elektrik enerji santrali !
Çin, geçenlerde (7 Aralık 2023) toryum ergimiş tuz reaktörleri kullanarak, devasa yük gemilerini hiç CO2 salmadan harekete geçireceğini açıkladı /5/. 1 ton toryumun verdiği enerji, ancak 3,5 milyon ton kömürle elde edilebildiğinden, bu teknoloji gerçekleşirse ve Dünya denizlerinde her gün hareket halinde olan onbinlerce gemiye de yayılırsa, çok büyük miktarda CO2 tasarrufuyla iklimin korunmasına büyük katkı sağlanacağı açık.
Çin projesine göre toryum ergimiş tuz reaktörünün kullanılacağı ilk konteyner taşıyıcı gemisi 400 m boyunda, 61 m eninde. Bu yük gemisi her biri 1 TEU (6,1 m boyunda x 2,44 eninde x 2,60 m yüksekliğinde) konteynerlerden 24.000 adet taşıyacak.
Toryum, yakıt olarak kullanıldığında, uranyumlu reaktörlerlerde ortaya çıkan plütonyum’un hem ortaya çıkmaması, hem de uranyumun aksine zenginleştirilmesine gerek olamaması, ayrıca toryum‘un bölünmesinden ortaya çıkan radyoaktif maddelerin kısa yarılanma süreli olmaları, uranyum yakıtlı reaktörlere göre, büyük üstünlük. Toryum ergimiş tuz reaktörlerinin böylelikle yakın gelecekte tüm denizlerde dolaşan gemilere yayılacağı CO2 salmayan, iklimi koruyan bir enerji kaynağı olacağı bekleniyor.
Öte yandan Ulstein şirketi Kutup bölgesinde kullanılmak üzere, bataryalı gemilerin bataryalarını şarj etmek amacıyla yine aynı toryum ergimiş tuz yakıtlı elektrik üretim gemisini 2022’de projelendirdi /6/. Böylelikle denizlerdeki bataryalı gemilere CO2 salmayan küçük elektrik santral gemisiyle hizmet sunulmuş olacak.
Türkiye için çıkarılabilecek sonuçlar
Toryum ergimiş tuz reaktörleriyle ilgili olarak Türkiye‘de yukarıda açıklanan araştırmalar ThorAtom sirketinde yürüyor. İlgili devlet kurumlarının, üniversitelerin ve endüstrinin de, gelişmiş ülkelerde olduğu gibi, toryum ergimiş tuz reaktörleriyle (Küçük Modüler Reaktörler, SMR, olarak) özellikle yukarıda açıklanan Çin örneğiyle, gemilerde kullanımıyla ilgili projelere başlaması, hem bu konularda kaliteli yeni iş alanları açacağından, hem de iklimi CO2 salınmasından korumaya katkı sağlayacağından, önerilir.
Toryumdan enerji nasıl üretiliyor? İşin fiziği: Toryum elementi, 232 kütle numaralı atom çekirdeği olan Th 232’den oluşuyor. Th 232, bölünemediğinden (fisyon yapamadığından) enerji üretemiyor. Ancak, Th 232 atom çekirdeği, bir nükleer reaktörde, katkı maddesi olarak kullanılan örneğin U 235’den bir yavaş nötron kaptığında, ara protaktinyum (Pa 233) oluşuyor ve bu da Uranyum 233 (U 233)‘e dönüşüyor. U233 ise aynı U235 gibi bölünerek (ya da fisyona uğrayarak) yeni radyoizotoplar ortaya çıkıyor ve nötronlar salınarak ‘atom enerjisi dediğimiz’ büyük bir enerji açığa çıkıyor. Sonunda, bu enerji nükleer reaktörde elektrik enerjisine dönüştürülüyor. Doğal toryum atom çekirdeğinin reaktörde, nötronla etkilenmesiyle, U 233’ün oluşmasını gösteren tepkime:
Toryumun kullanıldığı Ergimiş Tuz Reaktörlerinde (ETR, Molten Salt Reactors) U 233, enerji üretiminde doğrudan kullanılıyor . Toryum ergimiş tuz sıvılı reaktörde, hem yakıt hem de reaktörü soğutucu görevi görüyor (uranyumlu reaktörlerde ise reaktörü soğutmak, sürekli su pompalanmasıyla sağlanıyor).
Kaynaklar
/1/ https://www.analizgazetesi.com.tr/haber/thoratom-ilk-kez-nppeste-tanitildi-8986/ (Türkiye’deki FIGES çalışmalarını Sayın Dr.Reşat Uzmen özetlemesi nedeniyle kendisine teşekkür ederim).
/2/ https://neutronbytes.com/2022/08/14/china-to-startup-thorium-powered-molten-salt-reactor/
/3/ https://power.solapv.com/super-critical-water-cooled-and-molten-salt-reactors/
/4/ https://www.globalconstructionreview.com/worlds-first-commercial-thorium-reactor-approved-in-china/
/5/ https://www.rivieramm.com/news-content-hub/news-content-hub/china-reveals-molten-salt-nuclear-reactor-driven-24000- teu-box-ship-design-78845
/6/ Ulstein Thor will operate as a mobile power charging station for battery-driven cruise ships (source: Ulstein)
