ESKİŞEHİRDEKİ TORYUM REZERVİNİN ELEKTRİK ENERJİSİ İHTİYACINI KARŞILAMASI ÜZERİNE YAPILAN ÖRNEK BİR ÇALIŞMA Mine Sertsöz 1 Özet Nükleer enerji kullanımı son yıllarda Türkiye nin artan elektrik enerji ihtiyacını karşılamak için tartışılan bir konudur. Enerjiyi verimli kullanmak ve dışa bağımlı olmamak adına nükleer enerji güvenlik önlemleri alındığında oldukça uygun bir alternatif enerji üretimi olarak gözükmektedir. Bu kapsamda yeşil nükleer enerji diye tabir ettiğimiz toryum rezervinde Türkiye dünyada 3. Sıradadır. Bu çalışmada Eskişehir de bulunan 380.000 milyon ton bulunduğunu düşünülen toryum rezervi nükleer santrallerde kullanılarak şehrin elektrik enerjisi ihtiyacını karşılamaya yönelik hesaplamalar yapılarak çarpıcı sonuçlar elde edilmiştir. Böylelikle hem doğal kaynaklar değerlendirilmiş hem temiz enerji elde edilmiş hem de üretim maliyeti kayda değer şekilde düşürülmüştür. Anahtar Kelimeler: toryum, nükleer enerji, temiz enerji, yenilenebilir enerji kaynakları. AN EXAMPLE OF MEETING ELECTRICAL ENERGY REQUIREMENT OF ESKIŞEHIR WITH TORIUM Abstract Nuclear energy using for to meeting energy requirement is an issue which is discussed in last years in Turkey. Nuclear energy seems as suitable and alternative way to use the energy efficiently and not to come under foreign countries in energy when safety cautions are taken. In this context Turkeys Thorium reserve which puts into word as green nuclear energy is the third in the World reserve. In this study calculation are done with Thorium reserve which is thought 380.000 million ton in Eskisehir. It is used in nuclear centrals for to meet the electrical energy requirement. And these way remarkable conclusions are found. Consequently natural sources are put into use, using energy is clean energy and production cost remarkably is fallen down. Keywords: thorium, nuclear energy, clean energy, renewable energy sources. 1 Öğr. Gör., Anadolu Üniversitesi, msertsoz@anadolu.edu.tr
Giriş 1828 yılında Jöns Jacob Berzelius tarafından keşfedilen ve periyodik tabloda aktinit serisinin ikinci üyesi olan toryum, yer kabuğunun %0,0007'lik kısmını oluşturmaktadır. Toryum, uranyum gibi doğada serbest halde bulunmayıp 60 civarında mineralin yapısı içinde yer almaktadır. Bunlardan sadece monazit ( (Ce, La, Nd, Th, Y)PO4) ve torit ( (Th, U) SiO4) toryum üretiminde kullanılmaktadır. Bu mineraller de genellikle nadir toprak elementleri (NTE) ile birlikte bulunmaktadır. Yüksek sıcaklıklarda magnezyumun direncini arttırmak amacıyla alaşımlarda, Elektronik cihazlarda ve aydınlatmada tungsten filamanların kaplanmasında, Yüksek ısıya dayanıklı potaların yapımında, Yüksek kaliteli kamera merceklerinde, Nükleer teknolojide kullanılmaktadır. Toryum ve Nükleer Enerji Toryum tek başına nükleer yakıt olarak kullanılamaz. Toryum - uranyum karışık yakıtlar, uranyum yakıtına göre daha az plütonyum üretir. Ayrıca yüksek yanma oranında çalışabilir, bu da yakıtın reaktörde kalma süresini yani yakıt yeniden yükleme periyodunu uzatarak tesis kapasite faktörünün artmasına katkı sağlar. Toryumlu yakıt denemeleri 1960 yıllarının ortalarında başlamış olmasına rağmen güç reaktörlerinde kullanılmasına 1976 yılında başlanmıştır. Almanya, Hindistan, Japonya, Rusya Fed., İngiltere ve ABD'de araştırma/geliştirme çalışmaları bulunmaktadır. Bugüne kadar yapılan çalışmalar aşağıdaki şekilde özetlenebilir; Almanya'daki Arbeitsgemeinschaft Versuchsreaktor GmbH (AVR) reaktöründen geliştirilen 300 MWe gücündeki toryum yüksek sıcaklık reaktörü (thorium high temperature reactor-thtr) reaktörü, yarısından fazlası Th/U (yüksek zenginlikli uranyum) yakıt içeren 674.000 adet küresel yakıtla 1983-1989 yılları arasında işletilmiştir. Almanya'daki AVR reaktöründen geliştirilen ve 1976-1989 yılları arasında işletilen Fort St Vrain reaktörü ABD'deki toryumlu yakıt kullanan tek ticari nükleer reaktördür. Yüksek sıcaklıklı, grafit moderatörlü, helyum soğutmalı bu reaktör, Th/U (yüksek zenginlikli uranyum) yakıtla 330 MWe güçte çalıştırılmıştır. Bu reaktörde yaklaşık 25 ton toryum kullanılmıştır. Toryum tabanlı yakıtların basınçlı su reaktörlerindeki kullanımının incelenmesi Amerika'daki Shippingport reaktöründe gerçekleştirilmiştir. Bu reaktörde fisil malzeme olarak U-235 ve Pu kullanılmıştır. Bu incelemede, toryum kullanımının işletme stratejisi veya reaktör kalbi güvenlik marjlarını etkilemediği sonucuna varılmıştır. 1977-1982 yılları arasında hafif sulu üretken reaktör konsepti de bu reaktörde başarıyla denenmiştir. Almanya'daki 60 MWe Lingen kaynar sulu reaktöründe Th/Pu tabanlı yakıt test elemanı kullanılmıştır. Zengin toryum kaynaklarına sahip olan ve nükleer teknolojisini toryuma dayalı olarak geliştirmeyi planlayan Hindistan'ın üç aşamalı nükleer programı bulunmaktadır: 105
Ağır sulu reaktörde doğal uranyum kullanarak plütonyum (Pu) üretmek: Basınçlı ağır su reaktörleri (Pressurised Heavy Water Reactor-PHWR), halen 12 adedi işletmede, 6 adedi inşa halinde olup yenileri de planlanmaktadır. Hızlı üretken reaktörde plütonyum ve toryum kullanarak U-233 üretmek: Kalpakkam'da hızlı üretken test reaktörü (Fast Breeder Test Reactor-FBTR) ile hızlı üretken reaktör (Fast Breeder Reactor-FBR) programı başlamıştır. Ayrıca 500 MWe güçte prototip hızlı üretken reaktörün tasarımı tamamlanmış olup Düzenleme Kurulunca inşa onayı verilmiştir. Söz konusu ünitenin 2010 yılında işletmeye alınması beklenmektedir. Bu tesiste mevcut PHWR'lerden çıkan uranyum-plütonyum yakıtı ile U-233 üretmek üzere toryumun kullanılması amaçlanmaktadır. İleri ağır sulu reaktörde veya hızlandırıcı güdümlü sistemde U-233 kullanarak enerji elde etmek: Toryum tabanlı reaktörler, 30 kwth güçteki KAMINI araştırma reaktörü halen işletmede olup 300 MWe güçteki ileri ağır sulu reaktör (Advanced Heavy Water Reactor- AHWR) geliştirme aşamasındadır. RTFR ve Avrupa ülkeleri tarafından geliştirilen Enerji Yükseltici (Energy Amplifier) teknolojileri yakıt çevrimlerinde toryuma yer veren teknolojiler olarak göze çarpmaktadır. Tablo 1: Dünya Toryum Rezervi Ülke Rezerv (ton) Avustralya 300 000 Hindistan 290 000 Norveç 170 000 ABD 160 000 Kanada 100 000 Brezilya 16 000 Diğer Ülkeler 95 000 Toplam 1 200 000 Türkiye'de Toryum Rezervi Türkiye dünya ile kıyaslandığında özellikle Eskişehir ilinde oldukça yüksek miktarda toryum rezervine sahiptir. Ancak zenginleştirme ile ilgili teknolojik olarak bazı sorunlar mevcuttur. MTA, Türkiye Atom Enerjisi Kurumu (TAEK) ve Eti Holding tarafından yapılan teknolojik deneyler, yatağın doğrudan toryum olarak değerlendirilmesini başaramamıştır. Bu çalışmalarda kompleks cevhere klasik yöntemler uygulandığında toryumun belli bir fraksiyonda toplanamayacağı görülmüştür. Sadece toryum elde etmeye yönelik cevher çözündürme işlemi uygulandığında ise yüksek verimli toryum elde edilebilmesine rağmen işletme maliyetinin yüksek olduğu sonucuna görülmüştür. Bütün bunların sebebi dünyada toryum ile nükleer enerji üretiminin çok yeni bir konu olmasından kaynaklanmaktadır. Önümüzdeki 40-50 yılda uranyumdaki azalmalar ve verimsizlik neticesinde toryuma yönleneceği öngörülmektedir. Bize burada düşen bu zengin rezervimizi kullanabilmek için teknolojik olarak kendimizi geliştirmek ve gelecekteki üreticiler arasında yerimizi almaktır. 106
Toryum Yakıtlı Reaktörlerin Uranyum Yakıtlı Reaktörlere Göre Bazı Avantajları Toryum hem daha ucuz hem de doğada uranyuma nazaran üç-dört kat daha boldur. Fazla üretim/tüketim halinde Toryum uranyumdan daha ucuza üretilebilir. Toryumun bugün pahalı olmasının nedeni kütlesel üretim/tüketim olmamasından talep azlığıdır. Kitlesel üretimde fiyatı 10$/kg kadar gelebilir. U3O8 in 2007 pound fiyatı 90 $ dır. Küresel toryum rezervleri dünya enerji ihtiyacımızı binlerce yıl karşılayabilir. Oysa 60 yıllık uranyum rezervi kalmıştır. Nükleer endüstri asıl kazancını yakıt satışından kazanmaktadır. 1.1 GW lık bir U-yakıtlı geleneksel nükleer reaktör yılda 30 milyon $ lık yakıt tüketir. Ortalama 60 yıl ömre sahiptir. 500 kişi istihdam sağlar ve 50 milyon$/y personel harcaması olur. Toryumdan nötron bombardımanı ile bölünebilir U-233 üretimi, U-238 den plütonyum üretimine nazaran daha verimlidir. Çünkü toryumdan daha az sayıda ve yarılanma ömrü kısa izotoplar yaratılır. Bu da üretilen birim enerji başına daha az yakıt tüketimi ve yaklaşık iki kat daha az nükleer atık (minimum radyoaktif atık) anlamına gelir. Nükleer yakıt olan toryum oksit, uranyum oksitten daha dengeli bir bileşiktir. Bu yüzden yakıt peletleri ile reaktörün metal muafazasının kimyasal reaksiyonu ve soğutma suyunun koruyucu muhafazayı yarması/oyması ihtimali daha azdır. Yani toryum reaktörleri daha emniyetlidir. Toryum oksit uranyum oksitten %10-15 daha yüksek ısısal iletkenliğe sahiptir. Bu da reaktörde ısı transferini kolaylaştırmaktadır. Toryum oksitin erime noktasının uranyum oksitten 600 o C yüksek olması, bir sorun durumunda emniyet açısından geçici güç depolaması yapar ve soğutucu kaybını azaltır. Yüksek ısı iletkenliği ve erime sıcaklığı daha güvenli işletme anlamına gelir. Uranyum yakıtlı reaktörlerin kullanılmış yakıtların yeniden işlenmesiyle nükleer bomba/silah yapımında kullanılan plütonyum elde edilebilir. Oysa aynı miktar enerji üretmek için toryum reaktörlerinden çıkan plütonyum uranyum reaktörlerinden 5-7 kat daha azdır. Nükleer silahların yayılmasını (proliferation) engellemek amacıyla toryum esaslı reaktörler uranyum esaslılardan daha barışçıldır. Toryum ya plütonyum veya zenginleştirilmiş uranyumla birlikte ya da üçü bir arada yakıt olarak kullanılabilmektedir. Toryum yakıtlı reaktörlerde yeniden yakıt yükleme süresi uranyumlu reaktörlerden 2-3 kat daha uzundur. Toryumun örtü olarak (blanket) kullanıldığı yakıt sistemlerinde reaktörde kalış süresi (9-10 yıl) uranyum çekirdekten (seed) daha fazladır. Bu hem yakıt verimini artırır hem de yakıt maliyetini düşürür. 2010 ve 2020 yılları arasında, küresel enerji krizini çözmek için pratik olarak sınırsız enerji kaynağı toryum kullanılacaktır. 107
Toryum yakıtlı reaktörlerde Chernobyl reaktörleri gibi erime sorunu yoktur. Toryum yakıtlı reaktörler geleneksel nükleer reaktörlerden atık olarak çıkan plütonyumu yakabilir. Dördüncü jenerasyon toryum reaktörleri, üçüncü jenerasyon uranyum reaktörlerine nazaran reaktörün erime olasılığını kaldırdığından hem daha emniyetli hem de kendini daha kısa sürede geri ödemektedir. Toryum yakıtlı reaktörlerde elektrik üretim maliyeti uranyum yakıtlı reaktörlerden 10 kat daha ucuza olacaktır. Toryum yakıtlı SSTAR nükleer reaktörlerin 1000 MW ı 250 milyon $, 100 MW ı 25 milyon $, 1 MW ı 250 bin $, 100 kw ı 40 bin $ olacaktır. 100 MW lık reaktör 500 t ağırlığındadır. 5 tonluk 1 MW lık portatif-taşınabilir reaktör yılda 20 kg toryum tüketir ve 1000 kişiye elektrik sağlayabilmektedir. 100 kw lık ev tipi toryumlu reaktörler 40000 $ a mal olurken yıllık işletme maliyetleri 1000 $ civarında olacağı tahmin edilmektedir. 10 kw lık ev tipi toryum-nükleer yakıtlı reaktörler yılda 200 g yakıtla 10 kişiye elektrik sağlayacak ve fiyatı 1000 $ da olacağı tahmin edilmektedir. Geleceğin toryum yakıtlı nükleer portatif/taşınabilir reaktörler ısı, elektrik, tuzlu sudan taze su elde edilmesi ve nükleer itme kuvveti olarak (otomobil, deniz altı, gemi vs.) kullanılacağı tahmin edilmektedir. Eskişehir de Kurulan Uranyum Yakıtlı Nükleer Enerji ile Sivrihisar İlçesinin Elektrik Enerjisi İhtiyacının Karşılanması 5 tonluk 1 MW lık portatif-taşınabilir reaktör yılda 20 kg toryum tüketir ve 1000 kişiye elektrik sağlayabilmektedir. Bu şartlarda: Eskişehir de bulunan 380.000 milyon ton rezerv Dünyanın ömrünün 7000 yıl olduğu düşünülürse sonsuza kadar elektrik enerjisi ihtiyacını karşılamak için yetip artacaktır. Yaklaşık 21.790 olan cevherin çıkarıldığı Sivrihisar-Eskişehir nüfusu için 22 adet 1 MW lık portatif-taşınabilir reaktör elektrik enerjisini karşılamak için yeterli olacaktır. 22 adet 1 MW lık portatif-taşınabilir reaktör için yapılacak ilk yatırım maliyeti 250 bin $'dan 5.5 milyon $ olup işletme giderleri 22 adet için yaklaşık 125 bin $ olarak hesaplanmıştır. (Bu değerler yeni bir teknoloji olması sebebiyle şuan itibariyle yüksek ancak ileriki yıllarda düşecektir) Bu çalışmada finansman olarak Anadolu Üniversitesi düşünülmüş ve üniversite tarafından hazineye aktarılan 5.710.470,71 TL ile 5.5 milyon $ = 16.171.100 TL 16.171.100 / 5.710.470,71 = 2.83 yıl Bir de çevresel açıdan bu konu irdelendiğinde (Tablo 2) en temiz enerji kaynağının Nükleer Enerji olduğu görülmektedir. 108
Tablo 2: Çeşitli Elektrik Enerjisi Üretim Tesislerinin CO 2 Emisyon Miktarları Yakıt Türü kwsaat/gram Kömür 900-1200 Petrol 700-900 Doğalgaz 350-900 Nükleer 10-30 Rüzgâr 10-75 Güneş 100-200 Sonuçlar Yapılan hesaplamalarda Üniversitenin böyle bir tesisi yaklaşık olarak 3 yılda amorti ettiği görülmüştür. Artık ilçe hiçbir ek işletmeye gerek kalmadan kendi elektrik enerjisini kendi cevheri ile üretecek ve kullanacaktır. Burada bir tek hesaplanmayan değer işletmenin yıllık bakım giderleridir. Tekrarlamakta fayda olup şu anki teknoloji sebebiyle toryum cevherini çıkarmak, işlemek ve bunu bir nükleer düzenekte kullanmak oldukça maliyetlidir. Ancak Kyoto protokolü kapsamında ülkelere yakın gelecekte getirilecek olan zehirli gaz emisyonlarındaki sınırlamalar ve alternatif enerji kaynaklarından olan nükleer enerjide şuanın teknolojisinde kullanılan uranyum cevherinin gelecek 50 yılda bitecek olması, nükleer tesislerde toryum kullanılmasını mecbur kılacaktır. Öneriler Burada amaç toryum elementinin nükleer enerjide kullanımı konusundaki araştırılmaların şimdiden başlatılarak geleceğin dünyasında hem kendi enerjisini üreten hem de toryum ihracatı ile enerji devleri arasında yerini alan bir ülke haline gelebilmektir. Bu hususta üniversiteler ve özel sektör devlet desteği ile gerek ARGE bölümlerini kurarak gerekse yurtdışından nükleer eğitim konusunda destek alarak kendilerini bu elli yıllık senaryoya hazırlamaları gerekmektedir. Kaynakça Kaya, M. (2008). Toryum Nükleer Yakıt Dönüşümünün Perspektifi, Eskişehir ve Ülkemiz Açısından Önemi. TMMOB, Eskişehir Kent Sempozyumunda Sunulmuş Bildiri. Kokadkar, A. (2002). Nuclear Power in India: An Inevitable Option for Sustainable of a Sixth of Humanity. World Nuclear Association Annual Symposium London'da Sunulmuş Bildiri. http://www.iaea.org adresinden 1 Eylül 2015 tarihinde alınmıştır. Kaplan, H. (1997). Eskişehir-Sivrihisar-Kızılcaören Köyü Yakın Güneyi Bastnasit-Barit- Florit Kompleks Cevher Yatağı Nihai Etüt Raporu. Sayıştay Başkanlığı. (2012). Anadolu Üniversitesi Raporu. Nükleer Enerji. (2000). TMMOB Fizik Mühendisleri Odası. http://www.taek.gov.tr adresinden 1 Eylül 2015 tarihinde alınmıştır. US Geological Survey, Mineral. (2003). Commodity Summaries. http://www.world-nuclear.org adresinden 1 Eylül 2003 tarihinde alınmıştır. 109
http://www.acceleratingfuture.com adresinden 1 Eylül 2015 tarihinde alınmıştır. 110