Yüksek Aktiviteli Nükleer Atıklar

YÜKSEK AKTİVİTELİ NÜKLEER ATIKLAR

Doç.Dr.Okan Zabunoğlu
Hacettepe Üniversitesi, Nükleer Enerji Mühendisliği Bölümü

NÜKLEER YAKIT

Günümüzdeki nükleer reaktörlerin neredeyse tamamı (% 97'si) yakıt olarak uranyum-dioksit kullanır. Doğadaki her 1000 uranyum (U) atomunun 7'si U-235 (atom ağırlığı 235 olan uranyum izotopu), 993'ü ise U-238'dir (atom ağırlığı 238 olan uranyum izotopu). U-235 izotopu nötronlarla fisyon yapabilme (bölünebilme) yeteneğine sahiptir ve nükleer enerji üretiminde başrolü üstlenir. Günümüzdeki nükleer reaktörlerin 10'da 9'unu oluşturan hafif-su (bildiğimiz su) soğutmalı reaktörlerde fisyon zincir reaksiyonunun sürekliliğinin sağlanması için nükleer yakıt malzemesindeki U-235 oranının pratikte binde 35 civarında olması gerekir. Bu nedenle uranyum zenginleştirilerek U-235 oranı binde 7'den binde 35'e yükseltilir. Zenginleştirilmiş uranyumdan, basınç ve yüksek sıcaklık altında (sinterleme), seramik bir yapıya sahip uranyum-dioksit silindirleri üretilir ve küçük parmağımızın üst boğumu büyüklüğündeki bu küçük silindirler, ince (yaklaşık 1 cm çapında), uzun (yaklaşık 3.5-4.0 m), metal (zirkonyum alaşımı) tüplere yerleştirilerek nükleer yakıt elemanları elde edilir. Bu ince uzun elemanların (tüplerin) 200-250 tanesi genellikle kare şeklinde bir araya getirilerek nükleer yakıt demetleri oluşturulur. 1000 megavat-elektrik (MWe) gücündeki tipik bir nükleer reaktörde bu demetlerden 120-190 adet bulunur.

Nükleer yakıt elemanları içerdikleri U-235'in fisyonu sonucu enerji üretir; U-235'in yaklaşık % 75'i hafif izotoplara (fisyon ürünlerine) bölünürken, U-238'in de küçük bir kısmı çeşitli nükleer reaksiyonlar sonucu uranyum-ötesi ağır izotoplara dönüşür. Bu ağır izotopların en önemlisi doğada bulunmayan plütonyum-239'dur; Pu-239 da fisyon yapma yeteneğine sahiptir ve nükleer reaktörün enerji üretimine ciddi katkıda bulunur.

KULLANILMIŞ NÜKLEER YAKIT
İçerdiği U-235 oranındaki azalma nedeniyle artık fisyon zincir reaksiyonunu gerçekleştiremeyen, yani reaktördeki ömrünü (yaklaşık 3 yıl) dolduran yakıt demetleri reaktörden alınır ve kullanılmış yakıt diye adlandırılır. Reaktörde kaldığı süre boyunca nükleer yakıt elemanlarının dış yüzeylerinde herhangi bir değişiklik olmaz, yalnızca yakıtın kompozisyonu değişir. 1000 megavat-elektrik (MWe) gücündeki bir nükleer santralden çıkan kullanılmış yakıtın yaklaşık % 95.5’i uranyum-dioksit (orjinal yakıt malzemesi), % 3.5’i fisyon ürünü hafif izotoplar, % 0.9’u plutonyum ve % 0.1’i diğer ağır izotoplardan (uranyumdan da büyük) oluşur. Yani orjinal yakıtın yalnızca 20’de 1’i değişime uğramıştır ve bu değişime uğrayan kısmın 5’te 1 kadarı da değerli bir element olan plütonyumdan oluşmaktadır.

KULLANILMIŞ NÜKLEER YAKITIN İŞLENMESİ (Reprocess)
Kullanılmış nükleer yakıtın % 96.4’lük kısmı (% 95.5 U ve % 0.9 Pu) tekrar yakıt olarak kullanılabilecek değerli maddelerden oluşmaktadır. Kullanılmış yakıtı kimyasal metotlarla (solvent ekstraksiyonu) işleme tabi tutarak içerdiği uranyum ve plütonyumu geri kazanmak mümkündür. Bu durumda geriye % 3.6’lık kısım olan ve fisyon ürünü hafif izotoplar ile uranyum-ötesi ağır izotoplardan oluşan bir karışım kalır. Kullanılmış nükleer yakıttaki hemen hemen tüm radyoaktiviteden sorumlu olan bu karışım “yüksek aktiviteli nükleer atık” olarak adlandırılır. Kullanılmış nükleer yakıtın kimyasal olarak işlenmesi, ekonomik açıdan belirsizlikler içermesinin yanı sıra, geri kazanılan plütonyumun potansiyel silah malzemesi olması nedeniyle de tartışma konusu olmuş ve bazı ülkelerde (mesela ABD) endüstriyel ölçekte benimsenmemiştir. Bu durumda, yani kullanılmış nükleer yakıtın işlenmesinin benimsenmediği durumda, kullanılmış yakıtın tamamı (% 96.4 oranında değerli malzeme içermesine rağmen) “yüksek aktiviteli nükleer atık” olarak sınıflandırılır ve bu sınıflandırmaya uygun olarak tasfiye edilmesi planlanır.

NÜKLEER ATIKLARIN FARKLILIKLARI
Hiçbir yakıt yakıldığında yok olmaz; kütlesinin çok küçük bir kısmı (kimyasal yanmada yaklaşık milyarda bir, nükleer fisyonda binde bir) enerjiye dönüşürken, bir yandan da “atık” adı verilen maddeler oluşur. Ancak nükleer enerji üretimi söz konusu olduğunda 3 önemli farklılığı vurgulamak gerekir.

(1) Taze nükleer yakıt ve kullanılmış nükleer yakıt aynı dış yapıdadır (uzun, ince metal çubuklar); hangisinin kullanılmış, hangisinin kullanılmamış (taze) olduğunu ayırt etmek hiç de kolay değildir. Atık adını verdiğimiz maddeler orijinal yakıtın içinde küçük bir kısım olarak oluşur ve orada kalır; yani her şey ince metal tüplerin içinde olup biter. Nükleer enerji üretimi sırasında herhangi bir emisyon oluşmaz; nükleer reaktörün bacası tütmez, daha doğrusu gerçek anlamda bacası yoktur.

(2) Nükleer enerji üretiminde yakıt ve dolayısıyla atık miktarları çok azdır. 1000 megavat-elektrik (MWe) gücündeki su soğutmalı bir nükleer santralin yılda yaklaşık 30 ton taze yakıta ihtiyacı vardır ve bu reaktörden bir yılda çıkan kullanılmış yakıt miktarı da 30 tondur (hacmen 7.3 m3). Aynı güçteki bir kömür santrali ise yılda 3 milyon ton kömürle beslenir ve yaklaşık 7 milyon ton baca gazı ve kül üretir (6.5 milyon ton karbon-dioksit, 750 bin ton kül, 120 bin ton kükürt-dioksit, 20 bin ton azot-oksitler). Nükleer santralin atık miktarı aynı güçteki bir kömür santraline kıyasla kütle olarak 250-300 bin kere, hacim olarak 70-80 milyon kere daha azdır.

(3) Kullanılmış nükleer yakıttaki fisyon ürünü hafif izotopların çoğu ve ağır izotopların bir kısmı yüksek seviyede radyoaktiftir; kullanılmış nükleer yakıt reaktörden çıktığında yanına yaklaşılamayacak düzeyde radyasyon yayar. Fisyon ürünü hafif izotopların radyoaktivitesi zamanla hızla azalır; ilk 150 günde yüzde 3’e, 10 yıl sonunda binde 2’ye düşer. Ancak yine de yüksek aktiviteli nükleer atıkların biyolojik zehirlilik seviyesinin doğadaki uranyumun zehirlilik seviyesine düşmesi için 1000 yıla yakın bir süre geçmesi gerekir [1].

NÜKLEER ATIK YÖNETİMİ
Kömür ve benzeri fosil yakıtlı santrallerin atıkları gerekli önlemler alınarak (filtrasyon, desülfürizasyon, vd..) çevreye salınır. Kullanılmış nükleer yakıtların ve/veya yüksek aktiviteli nükleer atıkların idaresi ise yukarıda bahsedilen özellikler nedeniyle çok daha farklı bir yaklaşım gerektirir. Çevreye salınım zaten fiziksel olarak mümkün değildir; ortada çevreye salınacak bir şey yoktur. Nükleer atık yönetimi “geçici depolama ve nihai tasfiye” adımlarından oluşur. Reaktörden alınan kullanılmış nükleer yakıt önce derin su havuzlarında beklemeye bırakılır; su, hem radyasyona karşı korumayı hem de gerekli soğutmayı sağlar. Havuzların dolması durumunda, en az 4-5 yıl havuzlarda bekletilmiş yakıtlar bir yerüstü kuru depolama tesisine nakledilip orada muhafaza edilebilirler. Su havuzlarında (veya kuru depolarda) muhafaza işlemi yıllardır güvenle uygulanmaktadır; personele veya çevreye zararın söz konusu olduğu herhangi bir önemli vaka meydana gelmemiştir [1]. Ancak, bu depolama işlemi, düşük maliyetli olmasına karşın, sürekli bakım ve kontrol gerektirmektedir ve bu nedenle bir nihai tasfiye metodu olarak sınıflandırılamaz. Nükleer atıkların nihai tasfiye yolu olarak “jeolojik tasfiye” metodu genel kabul görmüştür.

JEOLOJİK TASFİYE
Yüksek aktiviteli nükleer atık üreten tüm ülkeler bu atıkları yerin 500-1500 m altında özel olarak seçilmiş jeolojik oluşumlarda inşa edilecek depolara gömmeyi planlamaktadır [2, 3]. Kullanılmış nükleer yakıtların kimyasal olarak işlendiği durumda yakıtın yüksek radyoaktivite içeren % 3.6’lık kısmı bir nitrat çözeltisi şeklinde ayrılır ve yüksek sıcaklıkta cam eriyiği ile karıştırılıp (atık/cam oranı yaklaşık 1/6) metal silindirler içinde soğumaya bırakılarak camlaştırılır. Camlaştırılmış atık içeren silindirler bir metal dış muhafaza (varil gibi) içine konarak yeraltı deposuna yerleştirilmeye hazır hale getirilir. Kullanılmış nükleer yakıtın direkt tasfiyesi söz konusu ise yakıt çubukları metal silindirlere ve muhafazalara konarak yeraltı deposuna gönderilir. Her iki durumda da tasfiye edilecek malzeme (boyutları farklı da olsa) bir dış muhafaza içindeki metal silindirlerden oluşur. Bu silindirler yeraltı deposunun zemininde açılmış deliklere yerleştirilir, kenarlar bentonit (bir çeşit kil) ile doldurularak delikler tıkanır. Tüm depo dolduğunda yeraltındaki tüneller ve boşluklar da dolgu malzemesi ile kapatılarak depo mühürlenir.

Jeolojik tasfiye metodu yeni bir teknoloji ve üstesinden gelinemeyecek teknik zorluklar içermemektedir. Ancak, nihai tasfiye konusunda alınması gereken kararların gecikmesi nedeniyle henüz uygulama aşamasına gelinmemiştir. Tüm nükleer atık üreticisi ülkeler kullanılmış nükleer yakıtları su havuzlarında veya kuru depolama tesislerinde bekletmektedir. Jeolojik tasfiye konusunda en önemli adımı ABD 1982 yılında atmış ve kongresinden “nükleer atık yasası” geçirerek, 1998 yılında jeolojik tasfiyeye başlama kararı almıştı [4]. Teknik çalışmalar tamamlanıp yer seçimi yapılmış olmasına rağmen, çeşitli (politik, sosyal, toplumsal psikolojik, vd.) faktörler nedeniyle söz konusu yasanın uygulanmasında 12 yıllık bir gecikme gündeme gelmiş ve tasfiyeye başlama tarihi en erken 2010 yılına kaydırılmıştı.

Kullanılmış nükleer yakıtların, işlenmeden, içerdikleri değerli maddelerle birlikte (% 96.4’ü U ve Pu), gömülmesi seçeneği ayrı bir tartışma konusudur ve bu yolu benimsediğini ilan eden ABD’de bilimsel çevreler tarafından genel olarak kabul görmemiştir. Bu durumun ABD’deki kullanılmış nükleer yakıtların direkt tasfiyesinin gecikmesinde ne ölçüde rol oynadığını tahmin etmek mümkün değil; fakat % 96.4’ü değerli olan bir malzemeyi tekrar ulaşılamayacak şekilde yeraltına gömmeye niyetlenmek pek de kolay olmasa gerek. Nitekim Fransa başta olmak üzere bazı Avrupa ülkeleri ve Japonya kullanılmış nükleer yakıtları işlemekte ve geri kazandıkları uranyum ve plütonyumu tekrar reaktörlerde yakıt olarak kullanmaktadır.

JEOLOJİK TASFİYENİN RİSKİ
Yeraltı deposunun yer seçimi ve tasarımı o şekilde yapılmalıdır ki gömülen nükleer atıklar en azından yüzlerce yıl yerinde kalsın, yani radyoaktivite, henüz yeterince düşük düzeye inmemişken, bir yolunu bulup da yeryüzüne (biyosfere) ulaşmasın. Radyoaktivitenin yeraltından biyosfere ulaşması ancak yeraltı suyu vasıtası ile olabilir. Dolayısıyla, deponun, yeraltı suyunun zor ulaştığı jeolojik oluşumlarda ve yeraltı suyundan uzak bölgelerde inşa edilmesi önem taşır. Buna rağmen, yeraltı suyu depoya ulaşsa bile, radyoaktif atıkları çözerek biyosfere taşıması gerekir ki, bu noktada, sırasıyla, jeolojik oluşumun kendisi, bentonit dolgu, dış muhafaza, metal silindir ve atığın kendi formu (camsı yapı veya zirkonyum alaşımı içinde seramik yapı) engeller oluşturmaktadır. Yalnızca bentonit dolgu (deliklerin etrafına konan) bile, başlı başına, aşılması çok zor bir engeldir. Bentonit bir çeşit kil olduğundan, suyu yiyince şişer ve filtre vazifesi görür. Yani yeraltı suyu, tüm diğer engelleri bertaraf edip, radyoaktif maddeleri çözerek bünyesine alma fırsatı bulsa bile, bunları taşıyarak ortamı terk etmesi çok zordur; bentonit filtresinden geçmeden ortamı terk edemez. Yeraltı suyunun bütün bu engelleri aşarak radyoaktif maddeleri biyosfere taşıması olasılığı son derece düşüktür; ayrıca bu zaten düşük olasılığın, atıkların hala tehlikeli seviyede radyoaktivite içerdiği süre zarfında gerçekleşmesi olasılığı çok daha düşüktür.

Yeraltı suyunun yerin 1 km altından yeryüzüne çıkabilmek için yeraltındaki katmanlar arasında normal seyirde (20-30 cm/gün) 80-100 km yol kat etmesi gerektiği dikkate alınarak, yüzeye ulaşması için gereken süre yaklaşık 1000 yıl olarak hesaplanabilir [5]. Bir de yeraltı suyunun nükleer atığı çözerek taşıması yolundaki engeller hesaba katılırsa, bahsi geçen riskin boyutu daha iyi anlaşılır. Sonuç olarak, diğer enerji üretim sistemlerinin atıklarının ve endüstriyel atıkların yarattığı risklerle karşılaştırıldığında, nükleer atıkların jeolojik tasfiyesinden kaynaklanan riskin yüzlerce kere daha az olduğu ortaya çıkar (mesela kömür yakmaya kıyasla 1400 kere daha az [5]).

DOĞAL NÜKLEER REAKTÖRLER ve ATIKLARI
Oklo’da (Gabon) ve Cigar Lake’de (Kanada) iki doğal nükleer oluşum tespit edilmiştir. Yaklaşık 2 milyar yıl önce uranyum zenginliği yüksek olan bu oluşumlarda (ki buna maden de diyebiliriz) fisyon zincir reaksiyonu kendiliğinden gerçekleşmiş ve yıllarca (U-235 oranı yetersiz düzeye düşene dek) ısı enerjisi açığa çıkmıştır; yani bu oluşumlar “doğal nükleer reaktör olarak tanımlanabilir. Bu sırada oluşan fisyon ürünü radyoaktif izotopların çoğu, ortamda su bulunmasına rağmen, doğal reaktörün bulunduğu bölgenin dışına bile çıkmayıp yalnızca birkaç metre uzağa taşınmışlardır [2]. Bu doğal nükleer reaktörlerle, yerin en az 500 m altında özel olarak seçilmiş bir jeolojik oluşumda özel olarak tasarımlanıp inşa edilecek bir atık deposunu karşılaştırarak jeolojik tasfiyenin yaratacağı riskin seviyesi daha iyi algılanabilir.

“DÖNÜŞTÜRME” METODU (Transmutation)
Nükleer atıkların geleceğinde rol oynayabilecek bir kavram da “dönüştürme” (transmutation) metodudur. Dönüştürme metodunda amaç radyoaktif izotopları uygun koşullarda radyasyona maruz bırakarak kararlı (radyoaktif olmayan) izotoplara dönüştürmektir; yani nükleer atıkların radyoaktivitesini yapay yollarla azaltmak veya yok etmektir. Çok zarif gözüken bu çözüm 1970’lerin sonunda bir çok araştırmaya konu olmuş ve çeşitli güçlükler (ideal koşulların ancak bir nükleer füzyon reaktöründe sağlanabileceği gibi) ortaya konmuştur. Son yıllarda bu metot tekrar gündeme gelmiş, bu kez “hızlandırıcı (accelerator) kullanarak dönüştürme” konusunda araştırmalar ağırlık kazanmıştır. Tabii ki eğer radyoaktif atıkları, radyoaktif olmayan (!) veya düşük seviyede radyoaktif atıklara dönüştürmek mümkün olursa, niye radyoaktif atıkları gömmekle uğraşılsın?! Dönüştürme metodu çok cazip görünmesine rağmen henüz iyimser olmayı gerektirecek bulgular ortaya çıkmamıştır. Ve jeolojik tasfiyenin uygulanması yolundaki çalışmalar sürdürülmektedir.

GELECEK NESİLLERLE İLGİLİ ETİK KAYGILAR
Nükleer atıklar söz konusu olunca gelecek nesillere ne bırakacağımızla ilgili etik kaygılardan da kısaca söz etmek yerinde olur. Nükleer enerjiden yararlananlar, nükleer enerjiyi kullanarak yaşam standartlarını üst düzeye taşıyanlar, nükleer atıkları gelecek nesillere ne şekilde bırakmalıdır?

(1) Kullanılmış nükleer yakıtlarla dolu havuzlarda veya yerüstü depolarında,

(2) camlaştırılmış nükleer atıklarla dolu havuzlarda veya yerüstü depolarında,

(3) kullanılmış nükleer yakıtların gömülü olduğu yeraltı depolarında,

(4) camlaştırılmış nükleer atıkların gömülü olduğu yeraltı depolarında.

İlk 2 şıkta nükleer atıklarla ne yapılacağına karar verme yetkisi ile birlikte, bakım ve kontrol sorumluluğu da gelecek nesillere yüklenmektedir. Son 2 şıkta ise gelecek nesillere yalnızca (gündelik bakım ve kontrol gerektirmeyen) atık mezarları bırakılmaktadır, ama pratik olarak ihmal edilebilir düzeyde dahi olsa bu mezarlardan radyoaktivitenin sızma olasılığı vardır. Belki gelecekte, kullanılmış nükleer yakıttaki uranyum ve plütonyum çok daha değerli olacaktır; oysa 3. şıktaki mezarda bulunan bu maddelere ulaşmak özellikle çok zor hale getirilmiştir. Belki gelecekte, camlaştırılmış atığın radyoaktivitesini yapay olarak azaltmak veya gidermek mümkün olacaktır; belki de gelecekte, bu atıkların içerdiği, doğada çok az bulunan fisyon ürünü “nadir toprak elementleri”ne büyük ölçüde gereksinim duyulacaktır...

Belki de “en iyisi hiç nükleer atık bırakmamak” denebilir. Ama unutmamak gerekir ki kömür gibi fosil yakıtlı santralleri kullanırsak, mirasımız hava kirliliği, sera etkisi (global ısınma) ve asit yağmurları olacaktır; gereğinden fazla baraj inşa etmeye kalkarsak da, tüm flora ve faunasıyla sular altında kalmış “eskiden toprak” bölgeler bırakmak zorunda kalacağız gelecek nesillere.

NÜKLEER ATIK SORUNUNUN BOYUTU
ABD 1960’lardan beri nükleer elektrik üretmekte ve yıllardır 100-110 adet nükleer reaktörü çalıştırmaktadır. Nükleer atık sorununun bu en büyük üreticideki boyutu aşağıdaki şekilde özetlenebilir. ABD’nin en erken 2010 yılında işletmeye sokmayı planladığı ilk yeraltı deposunun kapasitesi en az 70000 ton olacaktır. Ve bu büyük depo ABD’nin geçmişten günümüze dek ürettiği ve yaklaşık 10 yıl daha üreteceği tüm nükleer atıkları gömmeye yetecektir.

ABD’deki tüm yüksek aktiviteli nükleer atıkların bu yeraltı deposunda tasfiyesinin toplam maliyeti 25-35 milyar dolar olarak tahmin edilmektedir [1]. Bu rakam ilk bakışta çok büyük görünebilir. Ancak, bu tasfiye planının finansmanı, nükleer elektrik üreticilerinden toplanmakta olan paralarla oluşturulan “nükleer atık fonu” ile sağlanacaktır. Bu amaçla, 1983 yılından beri, üreticilerden her kilovat-saat (KWh) başına 0.1 sent toplana gelmiştir. Yani nükleer atık sorununun mali boyutu, ABD için, 1 kilovat-saat başına 0.1 sent civarındadır. Bu noktada, ülkemizde evlerimizde kullandığımız elektriğin her kilovat-saat’ine yaklaşık 10 sent ödediğimizi hatırlamak daha iyi bir değerlendirme yapmamıza yardımcı olabilir.

Henüz nükleer reaktörü ve teknolojisi olmayan ülkemiz açısından ise nükleer atık sorununun boyutu aşağıdaki varsayım ile anlatılabilir. Türkiye’nin 2005 yılındaki tüm elektrik tüketimi olan yaklaşık 160 milyar kilovat-saat’in tamamı nükleer santrallerden karşılansaydı, bunun için her biri 1000 megavat-elektrik gücünde, % 80 kapasite faktörü ile çalışan toplam 23 nükleer reaktöre ihtiyaç olurdu; ve bu 23 santral 20 sene boyunca elektrik üretseydi, birikecek toplam kullanılmış nükleer yakıtın hacmi yaklaşık 3400 m3 tutardı ve bu kullanılmış yakıtın tamamı, yüzeyi olimpik ölçülerde olan bir havuzu ancak doldururdu. Havuzun derinliği 9-10 m olmalı ki 3.5-4.0 m boyundaki kullanılmış yakıt demetleri havuzun dibine düşey olarak tek sıra halinde dizildikten sonra, yukarıda en az 5 metrelik bir su tabakası kalsın. Bu su tabakası radyasyondan korunmayı (ve aynı zamanda soğutmayı) sağlar ve havuzun kenarında dolaşmak dahi mümkün olur.

Özetle, 1000 megavat-elektrik gücündeki 23 nükleer reaktörden 20 sene boyunca çıkan kullanılmış nükleer yakıtın tamamını muhafaza etmek için yaklaşık 10-m derinliğinde olimpik ölçülerde bir havuz yeterlidir.

KAYNAKLAR

1. R. G. Cochran and N. T. Tsoulfanidis, The Nuclear Fuel Cycle: Analysis and Management, American Nuclear Society, USA, 1990.
2. V. Balek, “Radioactive Waste Management”, International Atomic Energy Agency, Austria.
3. “The Environmental and Ethical Basis of Geological Disposal of Long-Lived Radioactive Wastes”, The OECD Nuclear Energy Agency, France, 1995.
4. Nuclear Waste Policy Act of 1982, Public Law 97-425, USA, 1983.
5. B. L. Cohen, “Before It’s Too Late”, Plenum Press, USA, 1983.