Kategoriler
Bilim & İnsan

Uranyum: Özelliği, çıkarılması ve nükleer enerjide kullanımı

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.

Radyoaktif olması

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.

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.

İLGİLİ:  Nükleer reaktör nedir ve nasıl çalışıyor?

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?

uranyumun liç yöntemi ile çıkarılması.
Uranyumun liç yöntemi ile çıkarılması.

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.

İLGİLİ:  Solak insanlar daha mı zeki?

Uranyumun tarihi

Martin Heinrich Klaproth 18. yüzyılda uranyumu keşfetti.
Martin Heinrich Klaproth 18. yüzyılda uranyumu keşfetti.

Evrendeki tüm uranyum 6,6 milyar yıl önce süpernovayla 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.

İLGİLİ:  Helen Keller | Hayat hikayesi, sözleri ve filmi

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

Siyah ışık altında uranyum cam.
Siyah ışık altında uranyum cam.

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 Elementler Tablosu'nda): 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)

Yazar Berkay Alpkunt

Coğrafya ve astronomi üzerine geniş kapsamlı içerikler hazırlıyor. Diğer ilgi alanları canlı hayatı, bilim tarihi ve ülkeler olarak sıralanır. Aynı zamanda bağımsız video oyunlarına ilgilidir.