Uranyum tam olarak nedir? Alman kimyager Martin Heinrich Klaproth'un 1789'da uranyumu keşfetmesinden bu yana, atom numarası 92 olan bu şey gezegenin en tehlikeli maddelerinden biri oldu. Uranyum doğal olarak radyoaktiftir. Nazi nükleer kimyagerleri 1938'de imkansızı başararak uranyum çekirdeğini ikiye böldüler ve izotop uranyum-235'in aslında bölünebilir olduğunu gösterdiler. Berkeley Üniversitesi'nden Amerikalı fizikçiler ise kısa süre sonra uranyum-238'i plütonyum-239'a bozunmaya zorladı. Uranyum işte o zamandan beri dünya çapında silahta ve enerji santralinde kullanılıyor.
Uranyumun Radyoaktifliği
Uranyumu anlamak için radyoaktiviteyi anlamak gerekir. Uranyum kendiliğinden radyoaktif yani çekirdeği kararsız. Kararlı bir düzene girmeye çalıştıkça durmadan bozunmayı sürdürür. İnsanlık uranyum sayesinde radyoaktiviteyi keşfetti. 1897'de Fransız fizikçi Henri Becquerel, ışığın tuzları nasıl etkilediğini araştırırken bir fotoğraf levhasına uranyum tuzu koydu. İlginç şekilde levha buğulanmıştı ve uranyum tuzundan radyasyon yayıldığının göstergesiydi. Becquerel bu keşfi için 1903'te Marie ve Pierre Curie ile birlikte Nobel Ödülü aldı.
Uranyum en çok radyoaktivite ile ilişkili olmasına rağmen aslında bozunma hızı o kadar düşüktür ki en radyoaktif elementlerden değildir. Örneğin Uranyum-238, 4,5 milyar yıl gibi inanılmaz yüksek bir yarı ömre sahip. Uranyum-235'in yarılanma ömrü ise 700 milyon yıl ve Uranyum-234, 245.500 yıl ile en kısa yarı ömre sahip. Karşılaştırıldığında en radyoaktif element polonyum: Sadece 138 günlük yarı ömre sahip.
Uranyumun Patlayıcı Yönü
Nükleer zincir tepkimesi oluşturma özelliği nedeniyle uranyum patlayıcı potansiyele sahip. Bir uranyum-235 atomunun çekirdeğinde 143 nötron vardır. Bir nötron bu atoma çarptığında çekirdeğini böler ve içindeki nöronları dışarıya saçar. Bu nöronlar civardaki diğer U-235 atomlarının çekirdeğine çarpar ve böylelikle kendi kendine devam eden bir nükleer fisyon tepkimesi başlar. Her fisyon çarpışması ısı üretir. Bir nükleer reaktörde bu ısıyı suyu kaynatmak, buhar oluşturmak ve buharla türbin jeneratörünü döndürerek elektrik üretmek için kullanabilirsiniz. Böyle bir nükleer tepkimeyi durdurmak için saçılan ekstra nötronları emecek kadmiyum veya bor gibi malzemeler kullanırsınız.
Hiroşima'ya atılan fisyon bombasında bu tepkime süper kritik durumdaydı. Yani fisyonun sürekli artan oranda gerçekleşmesine izin verildi. Bir süper kritik tepkime büyük miktarda enerji açığa çıkarır: Hiroşima'yı yok eden patlama, fisyona giren bir kilogram uranyumdan doğdu. Tahmini 15 kiloton (15.000) TNT gücündeydi.
Uranyum Nasıl Çıkarılıyor?
İran'ın anlaşmaya aykırı olarak uranyum stoklaması ve Kuzey Kore'nin lideri "Roket Adam" Kim Jong-un'un ülkesini nükleer silahtan arındırmaya direnmesi gibi uranyumu çevreleyen birçok uluslararası sorun var. %42 ile Kazakistan bugün dünyada en büyük uranyum üretimine sahip ülke. Daha sonra Kanada (%13) ve Avustralya (%12) geliyor.
Uranyum yaygın bir metal. Çoğu kayaçta, toprak ve suda çok küçük miktarda bulunuyor. Ancak zor olan şey madenciliğe değer zengin yatak bulmaktır. Uranyumun çıkarılması kazmayla değil liç denilen bir yöntemle yapılır. Liç yöntemi PepsiCola gibi hafif asidik bir sıvının yer altına boşaltılması ve uranyum cevherine bitişik deliklerden yukarı pompalanmasıdır. Sıvı, kaynaktan süzülürken uranyumu dışarı ayrıştırır.
Uranyumun Nükleer Yakıta Dönüşmesi
Uranyumun nasıl nükleer yakıt haline getirildiğini merak edebilirsiniz: Uranyum çıkarıldıktan sonra, kimya mühendisleri uranyum açısından zengin sıvıyı numunedeki diğer minerallerden ayırıyor. Ortaya çıkan uranyum oksit kuruduğunda irmik ununun renginde oluyor ve bu yüzden bu ara ürüne "sarı kek" deniyor.
Nükleer tesisler 1 kilogram sarı keki 40 $ veya 60 $ ödeyerek satın alır. Ardından tozu hidroflorik asitle karıştırır. Elde edilen gaz, uranyum-238 ve uranyum-235'ten ayrılması için santrifüjde döndürülür. Bu işleme "zenginleştirme" denilir. Nükleer santraller yüzde 0,7'lik doğal konsantrasyon yerine, yüzde 3 ila 5 arasında uranyum-235 ile zenginleştirilmiş ürün istiyor. Bir nükleer silah içinse çok daha fazlası gerekir: Bu günlerde çıta yüzde 90'ın üstünde.
Uranyum zenginleştirildikten sonra santral operatörleri onu su gibi, uranyumdaki nötronları yavaşlatacak bir moderatöre maruz bırakıyor. Bu işlem zincir reaksiyonunun tutarlı olma olasılığını artırıyor. Reaksiyon nihayet başladığında her nötron başka 2,4 nötron doğurur ve bu böyle devam ederek süreç boyunca nükleer enerji üretilir.
Uranyumun Tarihi
Evrendeki tüm uranyum 6,6 milyar yıl önce süpernova ile oluştu. Gezegenin her yerinde var ve çoğu kayacın milyonda 2 ila 4 parçası uranyum. En bol bulunan elementler arasında 48. sırada ve gümüşten 40 kat bol.
İnsanlar uranyumu binlerce yıldır biliyordu. En eski bulgular MS 79'da seramik ve camda renklendirme maddesi olarak kullanılmasından gelir. Ancak Alman kimyager Martin Heinrich Klaproth onu ilk kez 1789'da isimlendirdi. O zamana kadar uranyumun bir çinko ve demir cevheri olduğu düşünülüyordu. Ancak Klaproth minerali nitrik asitle çözdü ve kalan sarı çökeltiye potas (potasyum tuzu) ekledi. Keşfettiği şey elbette saf uranyum değildi aslında uranyum oksitti.
Klaproth bu yeni elemente Yunan gökyüzü tanrısı olan ve henüz birkaç yıl önce keşfedilen Uranüs gezegeni için uranyum adını verdi. Saf uranyumun ilk kez elde edilmesi ise Fransız kimyager Eugène-Melchior Péligot ile 1841'de oldu: Uranyum tetraklorürü potasyumla ısıttı. Saf uranyum gümüş metal renktedir ve havada hızla oksitlenir.
Uranyumun radyoaktif olduğu ise 1896'da Fransız fizikçi Antoine H. Becquerel tarafından gösterildi. Becquerel, ışığa maruz kalmamış bir fotoğraf levhasına biraz uranyum bıraktı ve levha zamanla bulutlandı. Becquerel buna göre uranyumun görünmez ışınlar yaydığı sonucuna vardı. Polonyalı bilim kadını Marie Curie, Becquerel'in keşfinden kısa süre sonra ilk kez "radyoaktivite" terimini kullandı ve Fransız bilim adamı Pierre Curie ile birlikte polonyum ve radyum gibi diğer radyoaktif elementleri ve bunların özelliklerini keşfetmek üzere araştırmalar yaptı. Yeni bilim dalı radyoaktivitenin doğuşu böyle oldu.
Uranyum Türleri
Uranyumun birkaç önemli izotopu var (sadece nötron sayısı farklı olan aynı maddeler). En yaygın olanı uranyumun dünyadaki varlığının yüzde 99'unu oluşturan uranyum-238. En az yaygın izotopsa uranyum-238'in bozunması ile oluşan uranyum-234. Bu ürünler bölünebilir değil yani atomları kolayca ikiye ayrılmaz, bu yüzden bir nükleer zincir reaksiyonunu sürdüremezler.
Uranyum-235 izotopunu bu kadar özel yapan bu—bölünebilirdir. Bu yüzden nükleer zincir reaksiyonunda kullanılabilir yani nükleer santralde veya nükleer silah üretiminde. 1945'te Hiroshima'ya atılan bombada uranyum-235 kullanıldı. Bir nükleer fisyon tepkimesini devam ettirebilen tek doğal uranyum izotopudur.
Ayrıca uranyum-233 var. Bir başka bölünebilir uranyum. Ancak kökenleri tamamen farklı. Uranyumdan çok daha fazla miktarda bulunan metalik kimyasal toryumun bir ürünü. Nükleer fizikçiler toryum-232'yi nötronlara maruz bırakarak toryumun bir nötron emmesini ve uranyum-233'e bozunmasını sağlar.
Toryumu uranyuma çevirebildiğiniz gibi uranyumu da plütonyuma çevirebilirsiniz. Süreç benzerdir: Bol miktarda uranyum-238'i nötronlara maruz bırakırsanız, bir tanesini emer ve nükleer enerji ve silah oluşturmada kullanılan bölünebilir plütonyum-239'a bozunur. Uranyum doğada bol miktarda var ve plütonyum uranyumla birlikte doğal şekilde bulunabiliyor ancak daha çok laboratuvarda elde edilir.
Uranyuma Dair Diğer Bilgiler
Uranyum bazen camı renklendirmede kullanılır. Siyah ışık altında yeşilimsi sarı parlar ve radyoaktiviteden değil (çok az radyoaktif) UV ışığının camdaki uranil bileşiğine enerji vermesi nedeniyle parlıyor. Uranil aldığı enerjiyi verirken foton salarak ışıldar.
Uranyum üretiminin yarıdan fazlası Kanada, Kazakistan, Avustralya, Nijer, Rusya ve Namibya'dan geliyor ve dünyada 20 ülkede uranyum çıkarılır.
Tüm insanlar ve hayvanlar yiyecek, su, toprak ve havadan doğal olarak çok az miktarda uranyuma maruz kalıyor. Civarda tehlikeli atık sahası olması, uranyum madeninin yakınında yaşamak, mahsullerin kontamine toprakta yetiştirilmesi veya kontamine su ile sulanması durumları dışında, yutulan uranyum miktarı güvenle görmezden gelinebilir.
- Atom numarası (çekirdekteki proton sayısı): 92
- Atom sembolü (periyodik tablo): U
- Atom ağırlığı (atomun ortalama kütlesi): 238,02891
- Yoğunluk: Santimetre küp başına 18,95 gram
- Oda sıcaklığında fazı: Katı
- Erime noktası: 1.135 santigrat derece
- Kaynama noktası: 4.131 C
- İzotop sayısı (aynı elementin farklı sayıda nötron içeren atomları): 16—3 tanesi doğal
- En yaygın izotopları: U-234 (yüzde 0,0054 doğal bolluk), U-235 (yüzde 0,7204 doğal bolluk), U-238 (yüzde 99,2742 doğal bolluk)
Uranyum Hakkında Sık Sorulanlar
Uranyumun atomik yapısı nedir ve radyoaktif bozunmayı nasıl sağlar?
Uranyumun atom numarası 92'dir, yani çekirdeğinde 92 proton vardır. Nötron sayısı uranyumun farklı izotoplarında değişebilse de tipik olarak 146 nötrona sahiptir. Uranyum çekirdeğinin çok sayıda proton ve nötrondan kaynaklanan kararsızlığı, onu radyoaktif bozunmaya duyarlı hale getirir. Özellikle uranyum-238 alfa bozunmasına uğrayarak bir alfa parçacığı yayar ve toryum-234'e dönüşür.
Uranyumun yarı ömrü nükleer reaktörlerde kullanımını nasıl etkiler?
Uranyum-235 ve uranyum-238 nükleer reaktörlerde en yaygın kullanılan uranyum izotoplarıdır. Uranyum-235 nükleer fisyonu sürdürmek için reaktörlerde yüksek oranda zenginleştirilirken, uranyum-238 de fisyona uğrayabilen plütonyum-239 üretmek için nötron yakalamaya maruz kalır. Uranyum-235'in yarı ömrü 704 milyon yıl iken uranyum-238'in yarı ömrü 4,5 milyar yıldır. Uranyum-238'in yarı ömrünün daha uzun olması, doğal uranyumda daha bol bulunduğu ve reaktörlerde daha uzun süre yakıt olarak kullanılabileceği anlamına gelir.
Uranyum cevherden nasıl çıkarılır ve bu işlem sırasında hangi çevresel hususlar dikkate alınmalıdır?
Uranyum tipik olarak uranyum içeren cevherden liç adı verilen bir işlem kullanılarak çıkarılır. Bu, cevherdeki uranyumun asidik veya alkali bir çözelti ile çözülmesini ve ardından çözünmüş uranyumun bir sıvı iyon değişim reçinesi veya çözücü ekstraksiyonu kullanılarak ekstrakte edilmesini içerir. Ancak bu işlem diğer ağır metallerin ve radyonüklidlerin çevreye salınmasına da neden olabilir, bu nedenle çevresel etkileri en aza indirmek için dikkatle izlenmeli ve düzenlenmelidir.
Uranyum ve bozunma maddelerine maruz kalmayla ilişkili bazı sağlık riskleri nelerdir?
Uranyumun kendisi sadece zayıf radyoaktiftir, ancak bozunma ürünleri (radon gazı ve kurşun-210 gibi) solunduğunda veya yutulduğunda önemli sağlık riskleri oluşturabilir. Radon gazı bilinen bir kanserojendir ve akciğer kanserine neden olabilirken, kurşun-210 kemiklerde birikebilir ve zamanla kansere neden olabilir. Ayrıca, yüksek düzeyde uranyum veya bozunma ürünlerine maruz kalmak böbrek hasarına ve diğer sağlık sorunlarına neden olabilir.
Dünya genelinde uranyum madenciliği ve kullanımının durumu nedir?
Uranyum madenciliği şu anda Amerika Birleşik Devletleri, Kanada, Avustralya ve Kazakistan da dahil olmak üzere dünyanın birçok ülkesinde yapılmaktadır. Ancak, özellikle yerli toplulukların ve diğer marjinal grupların etkilendiği bölgelerde uranyum madenciliğinin çevre ve sağlık üzerindeki etkileri konusunda artan endişeler söz konusudur. Nükleer enerji kullanımı da güvenlik endişeleri, nükleer atıkların yönetimi ve nükleer silahların yayılma potansiyeli nedeniyle birçok ülkede tartışmalı bir konu haline gelmiştir.
Nükleer reaktörlerde uranyum-235'in fisyon tesir kesitinin önemi nedir?
Uranyum-235'in fisyon tesir kesiti, bir uranyum-235 çekirdeğinin bir nötron tarafından vurulduğunda fisyona uğrama olasılığının bir ölçüsüdür. Bu parametre nükleer reaktörlerde önemlidir çünkü fisyon zincir reaksiyonunun gerçekleşme hızını belirler ve bu da reaktörün güç çıkışını ve güvenliğini etkiler.
Uranyum-235 nükleer reaktörlerde veya silahlarda kullanılmak üzere nasıl zenginleştirilir?
Uranyum-235 doğal uranyumda sadece %0,7 konsantrasyonda bulunur, geri kalan %99,3'ü ise daha bol bulunan uranyum-238 izotopundan oluşur. Uranyum-235'i zenginleştirmek için, izotopları kütle farklarına göre ayırmak üzere tipik olarak gaz difüzyonu veya gaz santrifüjleme gibi bir işlem kullanılır.
Uranyum-235'in kritik kütlesi nedir ve neden önemlidir?
Uranyum-235'in kritik kütlesi, kendi kendine devam eden bir nükleer zincir reaksiyonunu sürdürmek için gereken minimum izotop miktarıdır. Kritik kütlenin aşılması nükleer bir patlamaya yol açabileceğinden, bu nükleer silah tasarımında önemlidir.
Uranyum-235'e maruz kalmanın sağlık üzerindeki etkileri nelerdir?
Uranyum-235'e maruz kalmak hem kimyasal toksisiteye hem de radyasyona maruz kalmaya yol açabilir. Kimyasal toksisite böbrek hasarına yol açabilirken, radyasyona maruz kalma kanser ve genetik mutasyon riskini artırabilir.
Uranyum-235'in nükleer teknolojide gelecekteki potansiyel kullanım alanları nelerdir?
Uranyum-235, mevcut nükleer reaktör teknolojisine kıyasla daha iyi güvenlik, verimlilik ve atık yönetimi sunan erimiş tuz reaktörleri veya yüksek sıcaklıkta gaz soğutmalı reaktörler gibi gelişmiş nükleer reaktörlerde kullanılabilir. Ayrıca, yüksek enerji yoğunluğu ve uzun raf ömrü sunduğu için uranyum-235'in uzay araştırmalarında yakıt olarak kullanılmasına yönelik araştırmalar devam etmektedir.
Kaynaklar:
