Deniz Suyundan Uranyum, Kullanılabilir Bir Enerji Kaynağı Olmaya Bir Adım Daha Yaklaşıyor

Uranyum gibi yakıtların kullanıldığı nükleer enerji, yaşam döngüsü boyunca düşük karbonlu elektrik üretir. Tarihinde ciddi kazalar da bulunur. Modern güvenlik sistemleri riskleri azaltırken denetim, atık yönetimi ve çevrenin korunması önemini korur. Fosil yakıtlardan uzaklaşma çabaları, nükleer enerjinin rolünün yeniden değerlendirilmesini teşvik etmektedir.

“Nükleer enerji, fosil yakıtların yerini alacak düşük karbonlu bir enerji kaynağıdır ve ekonominin ve çevrenin yeşil gelişimi için önemli bir garanti sağlar.”

Araştırmacılar 2023’te deniz suyundan uranyum elde etmek için elektrokimyasal bir yöntem sundu. Yöntemin büyük ölçekte sürdürülebilir olup olmayacağı, maliyetinin, enerji tüketiminin ve çevresel etkilerinin değerlendirilmesine bağlıdır.

Araştırmadaki ilerleme

ACS Central Science dergisinde yayımlanan çalışma, “Verimli Elektrokimyasal Uranyum Çıkarımı için Kendinden Destekli Gözenekli Aromatik İskelet Elektrotlar” başlığını taşıyordu. Araştırma, suda çözünmüş uranil iyonlarını yakalamayı inceliyordu; doğrudan sudan elektrik veya kullanıma hazır nükleer yakıt üretmeyi değil.

Okyanuslarda çözünmüş toplam uranyum miktarı “yaklaşık 4,5 milyar ton, karasal uranyum rezervlerinin neredeyse 1.000 katı” olarak tahmin ediliyor. Ancak çözünmüş toplam miktar, ekonomik olarak çıkarılabilecek rezervle aynı değildir. Deniz suyundaki uranyum derişimi çok düşüktür.

Araştırmacılar karbon fiber kumaşı, uranil iyonlarını bağlayan amidoksim grupları içeren gözenekli bir polimerle kapladı. Kumaş katot olarak, grafit ise anot olarak kullanıldı ve elektrik akımı uygulandı. Yüzeyde uranyum içeren çökeltiler birikti. Doğal Bohai Denizi suyuyla yapılan deneyde, 24 günde gram başına 12,6 mg uranyum elde edildi; bu değer suyun değil, aktif kaplamalı malzemenin gramı başınadır. Elektrokimyasal işlem, kumaş üzerindeki pasif birikimden yaklaşık üç kat daha hızlıydı.

Ekip, çalışmalarının “elektrokimyasal süreç aracılığıyla deniz suyundan uranyum çıkarımı için etkili bir strateji sağladığını” belirtiyor. Bu araştırma sonucu, ticari ölçekte yöntemin madencilikten daha ucuz veya çevresel açıdan üstün olduğunu henüz kanıtlamıyor.

Uranyum nedir?

Fisyon, zincirleme reaksiyon ve radyoaktif bozunma

Bir uranyum-235 çekirdeği nötron soğurduğunda daha hafif çekirdeklere bölünerek enerji ve ek nötronlar açığa çıkarabilir. Bu tetiklenmiş fisyon, uranyumun doğal radyoaktif bozunma zincirinden farklıdır.

Kaynak: https://pubs.usgs.gov/of/2004/1050/uranium.htm — radyoaktif bozunma zinciri gösterilmiştir; bu, fisyon zincirleme reaksiyonunun şeması değildir.

Reaktörde zincirleme reaksiyon kontrol edilir. Bir fisyondan çıkan nötronlar başka fisyonlara yol açabilir. Oluşan ısı genellikle buhar üretmek, buhar da elektrik jeneratörlerine bağlı türbinleri döndürmek için kullanılır.

Nükleer elektrik üretiminin temeli bu kontrollü fisyondur. Enerji üretimi, diyagramdaki doğal radyoaktif bozunma zinciriyle aynı süreç olarak açıklanmamalıdır.

Nükleer füzyon: farklı bir yaklaşım

Fisyon, uygun biçimde yalıtılması ve yönetilmesi gereken fisyon ürünleri ve başka radyoaktif malzemeler oluşturur. Bu ürünler çekirdeklerin bölünmesinden doğar; yalnızca uranyumun olağan doğal bozunmasının sonucu değildir.

Bilim insanları onlarca yıldır başka bir enerji kaynağı olarak nükleer füzyonu araştırıyor. Potansiyel avantajları olsa da füzyon, sürekli ve ekonomik elektrik üretimi için henüz tamamlanmış bir teknoloji değildir.

Füzyon hafif çekirdekleri birleştirir. Araştırılan başlıca reaksiyonlardan biri, döteryum ile trityumun birleşerek helyum, bir nötron ve enerji oluşturmasıdır. Güneş’in enerjisini de füzyon sağlar; ancak oradaki baskın reaksiyon zincirleri, Dünya’da incelenen döteryum-trityum yaklaşımıyla aynı değildir. Potansiyel avantajlar şunlardır:

Yakıt kütlesi başına yüksek enerji: Füzyon kilogram yakıt başına fisyonun yaklaşık dört katı ve kömür ya da petrol yakmanın yaklaşık dört milyon katı enerji sağlayabilir. Bu karşılaştırma tek bir reaksiyonu veya tesisin net elektrik verimini değil, yakıt kütlesini esas alır.

Yakıt kaynakları: Döteryum sudan elde edilebilir. Trityum doğada bol değildir; örneğin füzyon nötronlarıyla lityumdan üretilmesi gerekir. Yeterli miktarda trityum üretmek ve geri kazanmak teknik bir sorun olmaya devam eder.

Olası çevresel avantajlar: Fisyon gibi füzyon reaksiyonunun kendisi de karbondioksit salmaz. Döteryum-trityum reaksiyonu helyum ve nötron üretir; nötronlar reaktör malzemelerini radyoaktif hâle getirebilir. Bu nedenle radyasyondan korunma ve malzeme yönetimi gerekir. Yaklaşık 100 yıl sonra yeniden kullanım olasılığı, malzeme ve tasarıma bağlıdır; genel bir garanti değildir.

Güvenlik: Füzyon belirli koşullar gerektirir ve fisyon zincirleme reaksiyonu sürdürmez. Koşullar bozulursa plazmadaki füzyon hızla durur. Çekirdek erimesi riski fisyon reaktörlerindekinden farklıdır, ancak trityum, nötronlar, ısı ve tesis güvenliği yine yönetilmelidir. Uranyum veya plütonyum yakıtı kullanmamak bütün nükleer yayılma risklerini otomatik olarak ortadan kaldırmaz.

NIF, 2022 ve 2023’te hedef düzeyinde enerji kazancı elde etti. Örneğin Aralık 2022’de hedefe verilen 2,05 MJ lazer enerjisi 3,15 MJ füzyon enerjisi üretti. Bu sonuç net elektrik üretimi veya bütün tesis için pozitif enerji dengesi değildi; tesis toplamda daha fazla enerji tüketiyordu.

2023’te dile getirilen, gösterim amaçlı bir füzyon santralinin on ila yirmi yılda gerçekleşebileceği öngörüleri kesin takvim değil, tahmindi. İlerleme; plazma fiziğine, malzemelere, yakıt üretimine, inşaata ve ekonomik işletmeye bağlıdır.

Kararlı ve pratik füzyon elektriği üretimi için araştırma ve mühendislik çalışmaları sürüyor. Başarılı bir ateşleme deneyi, kendiliğinden çalışan bir elektrik santrali veya garantili bir takvim anlamına gelmez.

Enerji ve nükleer teknoloji şirketleri

Kamu araştırma kurumları ve özel şirketler enerji ve nükleer teknolojiye katkıda bulunur. Aşağıdaki şirketlerin rolleri farklıdır; hepsi deniz suyundan uranyum çıkarımı veya füzyon geliştirmemektedir.

Tablolardaki rakamlar 2023 tarihli makalenin tarihsel bir görünümüdür; güncel piyasa verileri değildir. Bugünkü göstergeler ayrıca kontrol edilmelidir.

1. Exelon Corporation

EXC Fiyat Grafiği

Chicago merkezli Exelon Corporation (EXC ), elektrik üretim faaliyetlerini Şubat 2022’de Constellation’a ayırdı. Exelon iletim ve dağıtıma odaklandı. Dolayısıyla 23 reaktör ve 14 nükleer santrale ilişkin eski tanım, bugünkü Exelon’un işletmeciliğini anlatmaz. Tablo ve EXC grafiği Constellation’a değil Exelon’a aittir.

2. NextEra Energy, Inc.

NEE Fiyat Grafiği

NextEra Energy (NEE ), 2023 yıllık raporuna göre Florida, New Hampshire ve Wisconsin’de nükleer santrallere sahipti. Fisyonun kendisi karbondioksit salmaz, ancak tesislerin yaşam döngüsü etkileri vardır. Özgün metindeki yılda 24 milyon tondan fazla kaçınılan emisyon, karşılaştırmalı bir tahmindi; toplam emisyonların sıfır olduğunun ölçümü değildi.

3. BWX Technologies, Inc.

BWXT Fiyat Grafiği

ABD merkezli BWX Technologies (BWXT ), nükleer bileşenler, teknoloji ve yakıt sağlar. Faaliyetleri gemiler için nükleer tahriki, nükleer tıbbı ve araştırma reaktörlerini kapsar. Şirket 2023’te GE Hitachi’den BWRX-300 küçük modüler reaktörünün basınç kabı için mühendislik işi aldığını duyurdu. Polonya dâhil Avrupa’daki geliştirme planları, santrallerin çoktan işletmeye alınmış olmasıyla aynı değildir.

Son Düşünceler

Deniz suyundan elektrokimyasal uranyum çıkarımı ile nükleer füzyon farklı araştırma alanlarıdır. İlki, büyük ölçekli çıkarım ekonomik ve çevresel açıdan uygun çıkarsa fisyon yakıtı kaynaklarını genişletebilir. İkincisi, önemli teknik sorunları olan farklı bir enerji kaynağını araştırır. 2023’teki sonuçlar araştırma ilerlemeleridir; sınırsız ve çevresel etkisi olmayan elektriğin hâlihazırda kullanılabilir olduğunun kanıtı değildir.