Toryum nedir? Dünya’da ve Türkiye’de toryum yatakları

Toryum Hakkında Genel Bilgiler

Toryum, 1828’de İsveçli kimyacı Berzelius tarafından Norveç’te Brevig yakınında bulunan Lövön adasında, günümüzde torit adı verilen mineralin analizi sırasında keşfedilmiştir. Monozitten toryum üretimi ABD’nin Karolina eyaletinde 1890’lı yıllarda başlamıştır. Fakat 1895’de Brezilya ön plana geçmiştir.

Toryum, yer kabuğunda kendi başına var olan ve varlığı başka bir radyoaktif elementin varlığına bağlımlı olmayan iki radyoaktif elementten biridir. Bahsi geçen diğer radyoaktif element uranyumdur. Toryum, yaklaşık olarak 60 adet mineralin yapısında yer almaktadır. Bunlardan yalnızca bastnazit, torit ve monazit, toryum elementinin üretiminde kullanılır. Bu mineraller de genel olarak nadir toprak elementleri ile beraber bulunmaktadır.

Toryum, torit, bastnazit ve torianitin esas bileşenidir. Toritin %62’si toryumdan oluşmaktadır. Ayrıca içeriğinde uranyum, manganez, magnezyum, kalay, kurşun, demir, sodyum, alüminyum ve potasyumlu silikatlar da bulunmaktadır. En zengin toryum minerali torianittir ve %90 toryum oksit, uranyum ve nadir mineral içerir. Bilinen en ağır minerallerden biridir. Yoğunluğu 9,7 g/cm³‘e kadar ulaşabilir. Günümüzde mevcut en önemli toryum kaynağı monazittir. Seryum ihtiva eden nadir toprak elementlerinin fosfatlarından ve toryumdan oluşur. Garanit, monazit, pegmatit ve gnaysların bir bileşenidir. Toryumun bağlı bulunduğu minerallerden biri de bastnazittir. Bir çift tuz olarak bilinen bastnazit minerali sarı renge sahip olup HCl ve konsantre H₂SO₄‘de çözünmektedir. 

Toryum, temel olarak bastnazit ve monazitin saflaştırılmasından bir yan ürün olarak elde edilir. Monazitin toryum ihtivası %4-12 arasında değişmektedir. Toryum ihtiva eden minerallerin büyük bir bölümü aynı zamanda nadir toprak mineralleridir.

Toryumun Th²³³‘den Th²³⁵‘e varan toplam 13 adet radyoaktif izotopu bulunmaktadır. Doğal halde bulunan tek izotopu Th²³²‘dir ve bunun yarılanma ömrü 1,39×10¹⁰ yıldır.

Toryumun Özellikleri

Toryumun Fiziksel Özellikleri

Toryum, gümüşi beyazlığa sahip, gümüş sertliğinde (2,5 Mohs) olan bir metaldir. Toryumun fiziksel özelliklerini aşağıdaki tablodan inceleyebilirsiniz.

Toryumun Kimyasal Özellikleri

Toryum, uranyuma göre korozyona karşı daha dayanıklıdır. Toryumun kimyasal özellikleri hafniyum, titanyum ve zirkonyum elementlerine çok benzediğinden dolayı bu elementlerle birlikte periyodik tablonın 4B grubunda bulunmaktadır. Toryum suda çözünmez, HCl ve H₂SO₄‘te çözünür. Suda çözünebilen toryum bileşikleri nitrat, klorit, sülfat ve florit tuzları içermektedir. Toryum, iyodür, florür, fosfat vs. iyonlarıyla asitlerde çok az çözünen veya hiç çözünmeyen bileşikler oluşturur. Bu bileşikler, toryumun diğer elementlerden ayrılmasında ve analizinde kolaylık sağlar. Düşük çözünürlük gösteren toryum bileşikleri aşağıdaki tabloda verilmiştir.

Toryum elementi 100°C’de dahi sudan etkilenmez. Oda sıcaklığında dengededir. Toz halindeyken kolay bir şekilde yanarak ThO₂‘ye dönüşür. Demir, altın, platin, volfram, çinko, sodyum, berilyum, krom, sezyum, kobalt, uranyum, nikel, gümüş, bakır, molibden, magnezyum, kurşun, krom, sezyum ve kobalt ile önemli alaşımlar oluşturur.

Toryumun Petrografik ve Mineralojik Özellikleri

Toryumun farklı mineralojik bileşikler halinde doğada yaygın olarak bulunduğu bilinmektedir. Asidik karaktere sahip granitik kayaçlarda, bazik kayaçlara göre daha fazla miktardadır. Aşağıdaki tablodan toryum mineralleri ve içerdiği toryum oranları gösterilmiştir.

Bu cevherler arasından ekonomik olarak en çok toryum elde edilen mineral monazit ve bastnazittir. Bastnazit seryum ve seryum alt grubu elementleri ihtiva eden bir florokarbonat mineralidir. Daha çok damarlar halinde ve kompleks karbonat-silikat kayaçlarda dissemine halde bulunur. Dünyanın en zengin bastnazit yatağı ABD’nin Kaliforniya eyaletindeki Mountain Pass’dır.

Dünyanın bilinen en büyük nadir toprak elementleri oluşumu ise Çin’de bulunan Baotou kompleks demir cevheri yatağında bulunmaktadır. Cevherdeki başlıca nadir toprak mineralleri bastnazit ve monazittir. Bu bölgede bulunan üç cevher yatağındaki toplam nadir toprak oksitleri rezervi 36 milyon tondur ve dünya rezervinin %80’ini oluşturmaktadır. Vietnam’ın kuzeyinde de henüz değerlendirme aşamasına geçilmeyen daha küçük bastnazit yatakları olduğu bilinmektedir.

Toryumun Enerji Dışı Kullanım Alanları

Toryum elementi ve bileşikleri düşük gerilim kuvveti, yüksek yoğunluk, düşük elastiklik ve korozyona karşı dayanıksız olması nedenleriyle yapısal mühendislikte kullanılmaz fakat alaşımları dayanıklı, sağlam ve çoğu halde ikamesi olmayan malzemelerdir. Özellikle toryum ihtiva eden magnezyum alaşımları oldukça sağlam ve ısıya karşı direnci yüksektir.

ThO₂, %1 kadar seryum oksit ve diğer bileşenlerden oluşan fitiller, gaz alevinde ısıya maruz bırakıldıklarında çarpıcı bir biçimde parlar ve taşınabilir gazlı lambalarda kullanılır. ThO₂ ayrıca havacılık ve uzay araştırmalarında, seramik parça ve pota imalatında ve birçok bilimsel cihazda kullanılmaktadır. Elektron koparmak için gereken enerji miktarı düşük ve elektron emisyonu yüksek olduğundan dolayı toryum elementi tungsten lamba filamentleri kaplamasında, televizyonlarda ve birçok elektronik cihazda kullanılmaktadır. Saf toryum eser miktarda özel optik camlarda kullanılır. Bunlar dışında endüstride; karbonmonoksidi su gazına, sülfürdioksidi sülfür triokside, amonyumu nitrik aside oksitleme için katalizör olarak kullanılır. Ek olarak toryum, birçok organik reaktifin bileşenidir.

Nükleer Yakıt Olarak Toryum

Nükleer Yakıt Olarak Toryumun Tarihçesi

Toryumlu yakıt denemeleri 1960’lı yılların ortalarında başlamış olmasına rağmen güç reaktörlerinde kullanılmasına 1976’da başlanmıştır. Almanya, ABD, Hindistan, İngiltere, Rusya ve Japonya’da ARGE çalışmaları bulunmaktadır. Bugüne kadar yapılan çalışmalar aşağıdaki şekilde özetlenebilir;

• Toryum esaslı yakıtların basınçlı su reaktörlerindeki kullanımının incelenmesi ABD’de bulunan Shippingport reaktöründe gerçekleştirilmiştir. Bu reaktörde fisil olarak U²³⁵ ve plütonyum kullanılmıştır. 1977 – 1982 yılları arasında hafif sulu üretken reaktör konsepti de aynı reaktörde başarıyla denenmiştir.
• Almanya’da bulunan Arbeitsgemeinschaft Versuchsreaktor (AVR) reaktöründe geliştirilen ve 1976 – 1989 yılları rasında işletilen Fort St Vrain reaktörü ABD’deki toryumlu yakıt kullanan tek ticari nükleer reaktördür. Yüksek sıcaklıklı, helyum soğutmalı, grafit moderatörlü bu reaktör Th/U (yüksek zenginlikli uranyum) yakıtla 330 MW güçte çalıştırılmıştır. Bu reaktörde yaklaşık olarak 25 ton toryum elementi kullanılmıştır.
• Almanya’da bulunan AVR reaktöründe geliştirilen 300 MW gücündeki toryum yüksek sıcaklık reaktörü, yarısı Th/U yakıt ihtiva eden 674 bin adet küresel yakıtla 1983 – 1989 yılları arasında işletilmiştir.
• Almanya’da bulunan 60 MW gücündeki Lingen kaynar sulu reaktöründe bulunan Th/Pu esaslı yakıt test elemanı olarak kullanılmıştır.

Günümüzde işletilen nükleer santrallerde Am²⁴¹, Np²³⁷, Cm²⁴⁴ ve Am²⁴³ gibi nükleer atıklar da üretilmektedir. Bu atıkların stoklanmasındaki yüksek maliyet ve güvenlik sorunları ise canlılar için büyük bir tehlike arz etmektedir.

Daha önce yapılan hibrid reaktörler üzerindeki çalışmalarda toryum yakıtından U233 gibi fisyon reaksiyonu oluşturabilen yakıt elde edilebildiği gösterilmiştir. Ayrıca yine hibrid reaktörlerde bazı nükleer atıklar hem yüksek termal fisyon tesir kesitli malzemelere hem de Cm²⁴⁵ ve Am²⁴² gibi daha uzun yarılanma ömürlü malzemelere dönüşebilmektedir.

Toryum Yakıtlı Prototip Reaktörler

Nükleer yakıt çevrimi fisil maddenin doğada bulunduğu şekilde reaktörde yakıt olarak kullanılabilecek hali alıncaya kadar ve reaktörde kullanıldıktan sonra zararsız hale getirilinceye kadar geçirdiği bütün işlemleri tanımlayan bir terimdir. Diğer bir ifade ile nükleer yakıt çevrimi, genel anlamıyla nükleer yakıt üretmek, reaktörde ışınlamak ve ışınladıktan sonra geçici veya keskin olarak depo edebiblmek için gereken operasyon ve proseslerin hepsini tanımlayan bir terimdir.

Yakıt tipi, reaktör tipi ve kullanılmış yakıt yönetimi seçeneklerine bağlı değişik nükleer yakıt çevrimleri bulunmaktadır.

1. Tek geçişli yakıt çevrimleri
   a) Radkowski Hafif Su Reaktörü (LWR)
   b) Ağır Su Reaktörleri (HWR)
2. Termal reaktör geri dönüşlü yakıt çevrimi (MOX yakıt)
3. Hızlı üretken reaktör yakıt çevrimi (FBR)
4. Toryumlu Yakıt çevrimleri
   

Dünyada 1945 yılından günümüze kadar kullanılan toyum yakıtlı prototip reaktörler şunlardır;

• Basınçlı Su Reaktörleri (PWR),
• Ağır Su Reaktörleri (HWR),
• Hızlı Üretici Reaktör (FBR),
• Yüksek Sıcaklıklı Gaz-Soğutmalı Reaktörler (HTGR),
• Radkowski Hafif Su Reaktörü (LWR),
• SSTAR Reaktörü,
• Enerji Yükselteçli/Hızlandırıcılı Reaktörler (EA),
• CANDU Tipi Reaktör,
• Çakıl Yataklı Modüler Reaktörler (PBMR)

Dünya Toryum Rezervleri, Üretimi ve Tüketimi

Birçok ülkede uranyuma alternatif olarak toryum takıtlı nükleer güç ARGE çalışmaları devam ederken, enerji kaynağı olarak toryuma ilgi artmıştır. 2013’te ABD, Avustralya, Vietnam, Brezilya, Grönland, Güney Afrika, Kanada ve Hindistan’da toryum ile ilişkili nadir toprak projelerinin keşfine ve geliştirilmesine devam edilmiştir. Dünyada bulunan toryum rezervlerinin sayısal bilgileri aşağıdaki tabloda gösterilmiştir.

Rezervler asıl olarak nadir toprak minerali monazit içindedir ve daha çok plaser yataklar şeklinde doğada bulunmaktadır. Aşağıdaki grafikten dünya toryum rezervlerinin yüzde dağılımını inceleyebilirsiniz.

Monazit Malzeya, Brezilya, Hindistan ve Vietnam’da yılda yaklaşık 10 bin ton civarında çıkarılmaktadır. Fakat ticari nadir toprakların geri kazanımı olmadan toryum metali üretimi günümüzde henüz ekonomik değildir. Çin’in toryum üretim değerleri bilinmemektedir. Kayıtlı verilere göre dünya toryum üretiminin büyük bir bölümü Hindistan gerçekleştirmektedir. ABD’de toryum nadir toprak içeriği için işlenen monazitin bir yan ürünü konumundadır. Monazit, zirkonyum ve titanyum mineralleri için ağır mineral kumları kazanımı esnasında bir yan ürün olarak elde edilmektedir. Aşağıdaki grafikte bazı nadir toprak elementleri rezervlerinin büyüklükleri verilmiştir.

2011’de, toryum tüketiminin ilk olarak katalizörler, optik ekipmanlar ve mikrodalga tüplerde olduğu görülmekte ve her geçen gün arttığı düşünülmektedir. Aşağıdaki tabloda 2008 – 2013 yılları arasında dünya nadir toprak oksitleri pazarının durumu verilmiştir.

Türkiye Toryum Rezervleri, Üretimi ve Tüketimi

Türkiye, toryum yatakları bakımından dünyada sayılı rezervler arasında yer almaktadır. Buna rağmen henüz Türkiye’de toryum üretimine başlanmamıştır.  Türkiye’de, Maden Tetkik Arama (MTA) Genel Müdürlüğü tarafından yapılan çalışmalar neticesinde, Eskişehir-Kızılcaören-Sivrihisar yöresindeki NTO ve toryu kompleks cevher yatağında, 380 bin ton görünür rezerv tespit edilmiştir. Söz edilen yatağın tamamında yapılacak sondajlı çalışmalarla bu rakamın iki katına çıkacağı düşünülmektedir. Fakat, cevherin zenginleştirilesiyle alakalı teknolojik problemler henüz tam larak çözülmüş değildir. MTA, Türkiye Atom Enerjisi Kurumu ve Eti Holding AŞ tarafından yürütülen teknolojik deneyler, yatağın doğrudan toryum olarak değerlendirilmesinin mümkün olmadığını göstermiştir. Saha, barit-florit ile nadir elementler içerdiğinden dolayı yatağın kompleks cevher olarak değerlendirilmesi ve bu konudaki çalışmaların desteklenmesi önem arz etmektedir.

Diğer yandan, Malatya-Kuluncak-Hekimhan’daki benzer özellikli toryum yatağında da gerekli çalışmaların yürütülmesi durumunda, söz konusu olan rezerve katkı yapabilecek durumdadır.