Uranyum nedir? Nerelerde kullanılır? Özellikleri nedir? Nerelerden çıkarılır?

Uranyum nedir? Özellikleri nelerdir? Ne zaman keşfedilmiştir?

Radyoaktif bir element olan uranyumun atom numarası 92, kütle numarası ise 238,03’tür. 1789’da Alman asıllı kimyacı olan Martin Heinrich Klaproth tarafından pitchblende cevherinin analizi yapılırken keşfedilmiştir. Klaproth, pitchblend cevherinden sarı senge sahip uranat tozu çöktürmüş ve karbon ile bu tozu siyah renge sahip uranyum diokside (UO₂) indirgemiştir. Fakat elde ettiği bu tozu uranyumun element hali olduğunu sanmış ve ismini 1781’de William Herschel tarafından keşfedilen Uranüs’ten esinlenerek Uranyum olarak belirlemiştir.

1841’de E. M. Peligot’un susuz uranyum tetraklorürü (UCl₄) platin kroze içerisinde potasyumla beraber termal indirgeme işlemi uygulayarak metalik uranyumu elde etmesine kadar bu yanılgı devam etmiştir. 1856’da ise aynı işlemi havasız ortamda yaparak saf ve daha yoğun uranyum metalini elde etmeyi başarmıştır. 1890’da H. Moissan sodyum uranil klorürün elektrolizi ile %99 saflığa sahip uranyum metalinin elde edilmesini sağlayan bir proses geliştirmiştir.

1896’da A. H. Becquerel uranyumun radyoaktif bir element olduğunu keşfetmiştir. Becquerel potasyum uranil sülfat tuzlarının fluoresans özellikleri üzerinde çalışırken ışıksız ortamlarda fotoğraf filmleri üzerinde ışık etkisi gösterdiğini fark etmiştir. Bu gözleminden yaptığı çıkarımlarla araştırmalar sonucunda uranyumun tüm bileşiklerinin ve metal halinin o zamana kadar bilinmeyen bir ışıma yaptığını keşfetmiştir. O. Hahn ve F. Strassman’ın 1938’de 235U’un fisyon yaptığını keşfetmesiyle başlayan bilimsel araştırmalar sonucu E. Fermi’nin liderliğinde 1942’de ilk zincirleme nükleer reaksiyonun gerçekleştirilmesine yol açmıştır.

İkinci Dünya Savaşı zamanlarında ABD’nin nükleer silah geliştirme kararı alması üzerine uranyum araştırmaları huzlandırılmış ve 1943’de Oak Ridge Tennessee’de elektromanyetik temeline dayanan uranyum zenginleştirme tesisi işletmeye başlamıştır. 1944’de ise gaz difüzyonu prensibi temeliyle bir başka zenginleştirme tesisi hizmete girmiştir. Savaş sonrasında nükleer enerjinin barışçıl amaçlarla kullanımı tüm ülkelerce benimsenmiş ve dünya zengin uranyum rezervleri keşfedilmiştir.

Günümüzde uranyum, işlemekte olan pek çok nükleer santralde yakıt olarak kullanılmaktadır ve uranyum ile ilgili teknolojiler önemini sürdürmektedir.

Doğada asla serbest olarak bulunmaya uranyum, çeşitli elementlerle birleşerek uranyum minerallerini meydana getirir. En kolay oksijen ile birleşir. Hemen tür kayaç içerisinde ve sularda belirli miktarlarda bulunabilir. Yeraltı su tablasının üzerinde, yüzey ve yüzeye yakın olan yerlerdeki mevcut oksidayon koşullarında +6 değerlikli uranyum içeren ikincil uranyum mineralleri sudaki pH değerinin artmasıyla kolayca çözülebilir ve uranil iyonları halinde çözeltiye geçerek yer altı suları ile uzun mesafeler taşınırlar.

Uranyum, periyodik cetvelde aktinit serisinin dördüncü elementidir. 4 oksidasyon durumundan sadece IV ve VI değerliğinde olanlar kimyasal olarak önemli derecede kararlıdırlar. En yaygın olarak dağada volkanik kayaçlarda IV değerlikli formda bulunan uraninite rastlanmaktadır. Uranyum, VI değerlikli hale yükseltgendiğinde suda çözünür hale geçer ve yeraltı sularına karışabilir. Uranyumun VI değerliğinin sudaki yüksek çözünürlüğü onun içme suyunda, deniz suyunda ve hidrotermal kaynaklarda yaygın bir şekilde dağılmasına neden olur.

Uranyumun fiziksel özellikleri

Aktinit serisinin dördüncü elementi olan uranyum, düşük radyoaktivite değerine sahip ağır bir metaldir. Sert, yüksek yoğunluklu ve gümüş beyazı renge sahip uranyumun fiziksel özellikleri aşağıdaki gibidir.

Simge: U
Atom numarası: 92
Atom Ağırlığı: 238.0289
Kaynama Noktası (°C): 3818
Erime Noktası (°C): 1132
Yoğunluk(gr/cm³): 19.07
BuharlaĢma Isısı (kcal/g-atom): 110
KaynaĢma (Füzyon) Isısı (kcal/g-atom): 2.7
Elektriksel iletkenlik (ohm-1): 0.034
Isıl iletkenlik (cal/(s/cm/°C)): 0.064
Özgül Isı Kapasitesi (cal/g): 0.028
Elektronik konfigürasyon, temel düzey: [Rn] 5f³ 6d¹ 7s²

Uranyumun izotopları

Uranyum, kütleleri 218-222, 225-240 ve 242 arasında olan ve yarı ömürleri 1μs (222U) ile 4.468 x 109 ( 238U) yıla kadar değişen 19 izotopa sahiptir. Kütleleri 234, 235 ve 238 olanlar doğal, diğerleri ise sunidir. Tüm izotopları radyoaktiftir. Doğal uranyum α-yayınlayıcı izotoplarının bir karışımıdır. Aşağıdaki tablo bazı önemli uranyum izotoplarının doğadaki bolluk, yarı ömür ve yaydığı radyasyon enerjilerini vermektedir.

Bazı uranyum izotoplarının yüzde bolluk, yarı ömür ve yaydığı radyasyonun enerji değerleri

Uranyumun doğada bulunuşu

Uranyum, yeryüzünün birçok yerinde yaygın olarak bulunmaktadır. Önemli oranda uranyuma, meteoritlerde, kayaçlarda ve okyanusta rastlanır. Doğadaki ortalama derişimi 2-4 mg/L aralığındadır. Diğer elementlerle kıyaslandığında yerkabuğunda molibden (Mo), kobalt (Co) ve kurşun (Pb)’la hemen hemen aynı miktarda, civa (Hg), kadmiyum (Cd) ve gümüş (Ag) gibi bazı elementlerden fazla miktarda bulunur.

Uranyum, silikatlarla kolay bileşik yapan elementlerden olup, yeryüzünde genel olarak silikat kayçların içerisinde bulunur. Pegmatit, granit gibi asidik kayaçlarda ortalamanın üzerinde, bazalt gibi bazik karaktere sahip kayaçlarda ortalamanın altında bulunur. Şist, fosfat ve kumtaşı kayaçları gibisediment kayaçlarında da ortalamanın altında uranyum bulunmasına rağmen dünyadaki rezervlerin %90’ı bu tür kaynaklardan oluşmaktadır. Aşağıdaki tabloda uranyumun jeolojik yapılardaki konsantrasyon değerleri verilmiştir.

Uranyumun doğada bulunuşu

Yerkabuğunu oluşturan jeolojik maddelerdeki uranyum konsantrasyonuna en fazla kayaç tibi kayalarda rastlanır. Uranyum 160’tan fazla mineral türünde bulunur. Uranyum mineralleri genel olarak toprak, kaya, hava ve su gibi doğal çevrenin her yerinde değişen oranlarda dağılmış olmakla beraber insan, bitki ve hayvanlarda da düşük oranlarda bulunur. Hemen her tür kayaç içerisinde ve sularda az miktarda da olsa bulunabilir.

Uranyumun kimyasal özellikleri

Yeni kesilen uranyum, dış görünüşüyle çeliğe benzeyen parlak gümüşümsü beyaz renge sahip bir metaldir. Rengi donuk gümüşiden birkaç dakikada saman rengine, birkaç günde mavimsi griye ve daha sonra da tam siyah renge dönüşür. Mühendislik açısından mukavemeti düşük bir metaldir. Mekanik etkilere karşı dayanıksız ve korozyon direnci düşüktür. Nükleer reaktörlerde saf metal tercih edilmez. Saf halde bulunan uranyum sadece bomba yakıtı olarak kullanılabilir.

Uranyumun oksitli yapıya dönüşümünün oda sıcaklığındaki oluşum entalpisi ve serbest enerji değişimi aşağıdaki tabloda verilmiştir.

Oda sıcaklığında bulunan uranyum oksitlerin ∆H ve ∆G değerleri

Toz halde bulunan uranyum piroforiktir, havanın temasıyla kendiliğinden yanar. Eğer tozun yüzey alanı yeteri kadar büyükse bu yanma aniden gerçekleşebilir.

Uranyum aktif bir elementtir ve su ile kuvvetlice reaksiyon verir. Pratik olarak asal gazlar haricindeki bütün elementlerle reaksiyona girer.

Uranyumun hava ile meydana gelen reaksiyon sonucunda yüzeyinde oluşn ince oksit tabaka, 25°C’de kütle halindeki uranyumun daha ileri oksidasyonunu önler. Bununla birlikte toz halinde bulunan uranyum oda sıcaklığında kendiliğinden yanar. Kütle halinde bulunan uranyum ise 700°C’de U308’i oluşturarak sürekli yanar. Kütle halinde bulunan uranyum, su ile 25°C’de yavaş ve daha yüksek sıcaklıklarda hızlı reaksiyon verir. Uranyum oda sıcaklığında hidrojen ile reaksiyona girmez. Fakat 225°C’de reaksiyona girip UH₂ oluşturur ve 236°C’de tekrar dekompoze olur.

Uranyumun kullanım alanları

Yüzyıllarca camlara renk verici malzeme olarak kullanılan uranyum, günümüzde yaygın bir şekilde nükleer santrallerde enerji üretiminde kullanılmaktadır. Uranyum, temel olarak nükleer yakıtın hammaddesidir.

Doğadaki uranyumun %0,71’i bölünebilen (fisil) uranyum-235 izotopu içermektedir. Doğal uranyumdan üretilen yakıt, ağır su ile çalışan reaktörlerde kullanılaktayken, hafif su ile çalışan reaktörler ve gaz soğutmalı reaktörler için uranyumun, uranyum-235 izotop yönünden zenginleştirilmesi gerekmektedir. Ayrıca uranyumun zırh kaplamalarında ve büyük hava araçlarının kanatlarında ağırlık maddesi olarak da kullanım alanı vardır.

Uranyum rezervleri

Türkiye’de uranyum çıkarılan yerler

Uranyumun Türkiye’de 5 yerde rezervi bulunmaktadır. Bunlar; Köprübaşı (Manisa), Fakılı (Uşak), Küçükçavdar (Aydın), Demirtepe (Aydın) ve Sorgun (Yozgat)’dadır.

Köprübaşı: %0,4-0,05 U3O8 ortalama tenörlü, 1351 tonu Kasar tipi, 1.201 tonu Taşharman tipi, 300 tonu Ecinlitaş tipi olmak üzere toplam 2852 ton görünür rezervi bulunmaktadır.

Fakılı: %0,05 U3O8 ortalama tenörlü, 490 ton görünür rezervi bulunmaktadır.

Küçükçavdar: %0,04 U3O8 ortalama tenörlü, 208 ton görünür rezervi bulunmaktadır.

Demirtepe: %0,08 U3O8 ortalama tenörlü, 1729 ton görünür rezervi bulunmaktadır.

Sorgun: %0,1 U3O8 ortalama tenörlü, 3850 ton görünür rezervi bulunmaktadır.

Dünya’daki uranyum rezervleri

Dünya’da en çok uranyum rezervinin bulunduğu yer Avustralya’dır. Bilinen uranyum rezervinin 1,664 milyon tonu Avustralya’da, 745 bin tonu Kazakistan’da, 509 bin tonu Kanada’da ve 507 bin tonu ise Rusya’da bulunmaktadır. Dünya’daki uranyum rezervinin yüzde dağılımının gösterildiği grafiği aşağıdan inceleyebilirsiniz.