Düzenli, temiz, kaliteli ve ucuz enerjiye olan ihtiyaç günümüzde tüm dünya ülkelerinin temel sorunudur. 19. yüzyılın ortalarında batıda başlayan ve makine gücüne bağlı üretim sistemlerinin kol gücünün yerini almaya başladığı endüstri devrimi ile enerjiye olan bağımlılık süratle ve sürekli olarak artmaya başlamıştır. Buhar gücüne bağlı olarak işleyen tüm sistemler için kömür en kolay ulaşılan, ucuz bir yakıt olmuştur. Gerek endüstride gerekse konutların ısınmasında kullanılan kömürün yerini giderek petrol türevleri almaya başlamıştır. Kara, deniz ve hava ulaşımı için gereken enerji yine fosil yakıtlarından sağlanmıştır. Esas olarak organik bir maddenin (kömür, petrol veya odun) yakılması ile ortaya çıkan ısı enerjisinin kullanımı günlük hayatın olmazsa olmazı olmuştur ve bu durum yıllarca süregelmiştir. Bu yakıtların yanması sonucu oluşan karbon dioksit miktarının doğal karbon dengesi sınırlarının ötesine geçmesi ile insanlar "küresel ısınma" ve "iklim krizi" gibi daha önceleri hiç karşılaşmadıkları devasa bir sorunla karşı karşıya kalmışlardır.

Günümüzde enerji üretiminde en çok kullanılmakta olan fosil kaynaklarının zamanla tükeneceği bilinen bir gerçektir. Özellikle küresel ısınmayı yavaşlatmak için karbondioksit salımlarının ciddi bir şekilde azaltılmasına yönelik alternatif enerji kaynaklarının bulunması ve uygulamaya konulması bilim insanlarının ve mühendislerin en öncelikli konusu olmuştur. Bu nedenle son yıllarda yenilenebilir enerji kaynaklarından daha verimli yararlanılması ön plana çıkmış ve karbondioksit salımı yapmayan nükleer enerjinin kullanımı yeniden gündeme gelmiştir.

Uranyum elementi nükleer enerjinin ham maddesidir ve yakın zamanda nükleer enerji üretim aşamasına geçecek olan ülkemizde 2020 yılı MTA kaynaklarına göre 32055 ton görünür U₃O₈ rezervi bulunmaktadır. Yeryüzünde 5-6 milyon ton uranyum cevheri olduğu tahmin edilmektedir. Bir başka deyişle yer kabuğunun bir tonunda 3g uranyum bulunmaktadır. Dünya rezervlerinin ekonomik değere sahip olan yüzde 75'i Kazakistan, Kanada ve Avustralya'da bulunmaktadır. Halen dünyamızda faaliyet halinde bulunan 435 nükleer güç santralinde her yıl ortalama 70.000 ton uranyum tüketilmektedir. Bu tüketim hızına göre uranyumun bilinen rezervlerinin yaklaşık 80 yıl içinde tükeneceği hesaplanmaktadır [1]. Konvansiyonel yöntemlerle topraktan uranyum çıkarılması son derece zahmetli, masraflı ve çevre sorunları yaratan bir dizi işlemden oluşmaktadır.

Öte yandan yüzde 70'i denizlerle kaplı olan dünyamızın denizlerinde suda çözünmüş olarak bulunan toplam uranyum miktarı 4,5 milyar ton olarak hesaplanmaktadır yani denizler uranyum içeriği bakımından karalardan en az 1000 kat daha zengindir. Bu durumda denizler, uranyum çıkartılması için çok önemli bir kaynak olarak ortaya çıkmaktadır. Ancak uranyumun deniz suyundaki derişimi 3,3 ppb'dir (parts per billion) yani 10 milyar su molekülü içinde yaklaşık olarak 33 molekül uranyum vardır. Bir başka deyişle 1 litre deniz suyunda 3,3 mikrogram uranyum bulunmaktadır. Deniz suyunda son derece bol bulunan çeşitli metal iyonlarının varlığı göz önüne alınırsa bu karmaşık ortamdan zaten çok az miktarda olan uranyumu seçimli olarak ayırmanın ne kadar zor olacağı kolayca anlaşılabilir.

Öte yandan Karadeniz sularında bulunan uranyum ise dünya ortalaması olan 3,3 ppb değerinin iki katıdır, yani 6-7 ppb dir [2]. Bu durumda biz, deniz suyundan uranyum çıkartmak için yoğun çalışmalar yapmakta olan Japonya, ABD, Çin, Hindistan vb. ülkelere göre uranyumca yüzde yüz daha zengin olan sularımızdan daha düşük bir maliyet ve yüksek verimlilikle uranyum çıkartabiliriz.

Bu makalede deniz suyundan uranyum elde edilmesinin kısa bir tarihi gelişiminden, uranyum ilgisi çok yüksek olan adsorbanlardan ve deniz suyundan uranyum elde etmenin tekniği ve ekonomisinden bahsedilecektir.

Deniz suyundan uranyum elde etmenin bu görünür güçlüğüne rağmen bilim insanları denizlerde bulunan değerli metallerin nasıl kazanılabileceği üzerinde araştırmalara 1950'lerde başlamışlardır. Deniz suyundan uranyum çıkarmak için adsorpsiyon yönteminin diğer yöntemlere kıyasla hem düşük enerji gereksinimi hem de deniz ortamında kolay uygulanabilir olması nedeniyle en uygun teknik olduğu kabul edilmiştir. Bu durumda uranyum tutma özelliği en yüksek olan adsorbanları geliştirmek bu konuda çalışanların temel hedefi olmuştur.

Yeraltı ve yerüstü maden kaynakları bakımından şanslı bir ülke olmayan ve nükleer güç santrallerinde yılda yaklaşık 10.000 ton uranyum tüketen Japonya'da bilim insanları bu konuda yoğun ve sistematik araştırmalar yapmışlar ve uranyum ilgisinin çok yüksek olduğunu buldukları "amidoksim" (-C=N(OH)NH₂) grupları içeren polimerler geliştirmişlerdir. Uranyumu deniz suyundan çıkarmak için kullanılacak adsorbanların hem deniz suyu ortamında dayanıklı olması hem de defalarca kullanılabilmesi için amidoksim grupları yüklenmiş polietilen dokumasız kumaşlar kullanılmıştır.

Deniz suyundan uranyum kazanma faaliyetleri

Amidoksim esaslı adsorbanlar geliştirildikten sonra deniz suyundan uranyum çıkarılması işleminin teknik ve ekonomik yapılabilirliğini test etmek için Japon denizinde denemeler yapılmaya başlanmıştır. A4 kâğıdı büyüklüğünde hazırlanan ince adsorban tabakalar kasetler içine yerleştirilmiş ve yüzer bir metal iskelenin içinden denize daldırmışlardır Şekil 3 [3]. Ortalama olarak 30 günlük bir daldırma sonunda 1kg kuru adsorban başına 0,5g uranyum toplanmıştır. Yapılan hesaplara göre oldukça ağır olan iskele ve adsorbanları taşıyan metal çerçevelerin kullanılmaması halinde toplam maliyette yüzde 40 gibi bir tasarruf sağlanabileceği anlaşılınca Japon araştırmacılar metal taşıyıcı sitemler ve ince adsorban tabakalar yerine örgü tipi adsorbanlar geliştirilmeye karar vermiştir [3].

Şekil 3. Adsorban kasetlerin Japonya'nın kuzeyinde denizde uygulanması [3].

Deniz suyundan uranyum elde edilmesini daha ekonomik kılmak amacıyla deniz içinde zemine tutunmuş yosunlar gibi davranacak olan örgü şeklinde adsorbanlar geliştirilmiş ve deniz tabanına tespit edilmiştir. Böylece dalga ve akıntıların etkisiyle hareket halinde olacak örgülerdeki amidoksim gruplarının suda bulunan uranyum iyonları ile teması artacak ve adsorpsiyon hızlanacaktır. Şekil 3'te gösterilen kaset uygulamalarına kıyasla aynı sürelerde deniz suyu ile temas halinde örgü adsorbanların 3 misli daha fazla uranyum topladığı bulunmuştur. Şekil 4'te şematik olarak gösterilen bu uygulama Japonya'nın güneyinde Okinawa civarında gerçekleştirilmiştir.

Şekil 4. Örgü şeklinde adsorbanların deniz tabanına yerleştirilmesi. 

Denizlerden uranyum çıkarmanın ekonomisi

Dünyadaki tüm denizler ve okyanuslarda bulunan uranyum miktarının 4,5 milyar ton olduğundan bahsetmiştik. Ancak uygulama pratiği ve kolaylığı açısından şimdilik denizlerin üst 100 metresi için adsorpsiyon tekniğini uygulamanın mümkün olduğu düşünülürse bu durumda denizlerden çıkarılabilecek olan uranyum miktarı 0,16 milyar tondur. Bu kadar uranyumun dünyadaki mevcut ve yeni inşa edilecek nükleer güç santrallerinin ihtiyaçlarını daha yüzlerce yıl karşılamaya yeteceği hesaplanmıştır.

Okinawa civarında Japon araştırmacıların örgü adsorban kullanarak yapmış oldukları en son denemelere göre şu sonuçlar alınmıştır: Denizde 60 gün bekletilen ve 1 kg başına 4 g uranyum tutma kapasitesi olan örgülerin 8 kez kullanılması halinde maliyet 32.000yen/kg uranyumdur ve bu o zamana kadar ulaşılan en düşük değerdir. Bu maliyete adsorban üretimi, denizden toplanması ve saflaştırılması dâhildir [4]. Adsorbanların 18 kez yeniden kullanılabilmeleri halinde maliyetin 25.000 yen/kg uranyum olması beklenmektedir.

ABD'de denizlerden uranyum çıkarılması konusunda ilk çalışmalar 1960'larda başlamış olmakla beraber 1980'lere kadar fazla üzerinde durulmamıştır. 2005-2007 yıllarında uranyum fiyatlarındaki ani artışlar (350 $/kgU, 2007 spot piyasa fiyatı) üzerine ABD'li araştırmacılar bu konuya yoğunlaşmış ve 2011 yılında ORNL (Oak Ridge National Laboratories), LBNL (Lawrence Berkeley National Laboratories), PNNL (Pacific Northwest National Laboratories) ve bazı üniversitelerden bir araştırma ekibi oluşturmuşlardır. Bu grupların 2012-2016 yıllarındaki Ar-Ge çalışmaları sonucunda geliştirdikleri yeni absorbanların okyanus uygulamaları sonucunda 1kg adsorban başına 5-6 g uranyum topladıkları bilinmektedir [4].

Çin bu konudaki çalışmalara aynı ABD'de olduğu gibi 2007'deki uranyum fiyatının sıçraması üzerine başlamıştır. Oluşturulan bir araştırma grubu 2020-2021 yıllarında 1 kg adsorban başına 8-9 g uranyum tutabilen yeni adsorbanlar geliştirilmiştir.

Yukarıda belirtilen ekonomik analizlere uranyum adsorpsiyonu esnasında onunla birlikte çıkartılan vanadyumun değeri dâhil edilmemiştir. Çok değerli bir metal olan vanadyum bu süreçte bir yan ürün olarak elde edilmektedir.

Çin enerji ve CO2 salım sorununa çözüm olarak önümüzdeki 10 yılda 150 Nükleer Güç Santrali kurmayı planlıyor. 2035 yılına kadar yılda yaklaşık 35 bin ton uranyum ihtiyacı olacak olan Çin kendi rezervlerinin 5 yılda tükenmesi olasılığına karşı deniz suyundan uranyum çıkarmayı planlamaktadır.

Uranyum tutma etkinliği daha yüksek olan yeni adsorbanların Japonya, ABD ve Çin'de geliştirilmesi ve uranyumun piyasalarda giderek artmakta olan fiyatı göz önüne alındığında, yakın bir gelecekte denizlerden çıkarılacak uranyumun fiyatının konvansiyonel yollarla madenlerden elde edilen uranyumun fiyatına eşit ve hatta daha düşük olacağını beklemek bir iyimserlik olmayacaktır.

Karadeniz'de en uzun kıyı şeridine sahip olan ülkemizin hemen yanı başında bulunan bu zengin uranyum kaynağından yararlanması ve ileriki yıllarda uranyum ihraç eden bir ülke olmaması için hiçbir sebep yoktur.

Bu satırların yazarı denizlerden uranyum çıkarma çalışmalarının öncü kuruluşu olan Japonya'nın Takasaki Radyasyon Kimyası Araştırma Merkezindeki konunun uzmanları ile ortak çalışmalar yapmış, bilimsel makaleler yayımlamıştır. Bu konunun ABD'de en yoğun olarak çalışıldığı Oak Ridge National Laboratories'de seminerler vermiş ve beyin fırtınası şeklindeki araştırma tartışmalarına katılmıştır. Yazar ve ekibi Hacettepe Üniversitesi Kimya Bölümü, Polimer Araştırma Laboratuvarlarında 2002-2003 yıllarında deniz suyundan uranyum adsorpsiyonunda 2,8 gU/kg adsorban tutma kapasitesi olan adsorbent geliştirmişlerdir [5].

Kaynaklar

1. DOE Office of Nuclear Energy, Fuel Resources Uranium from Seawater Program, Program Review Document, June 13, 2013, ORNL, A 11
2. F. Andersen, M.Q. Fleisher, A.P. LeHuray, "Concentration, oxidation state and particulate flux of uranium in the Black Sea" Geochimica and Cosmochimica Acta, 53(1989)2715-2724
3. Seko, A. Katakai, S. Hasegawa, M. Tamada ve diğerleri, "Aquaculture of uranium in seawater by a fabric-adsorbent submerged system" Nuclear Technology, 144(2003)274-278
4. Tamada, N. Seko, N. Kasai, T. Shimizu "Cost estimation of uranium recovery from seawater with system of braid type adsorbent" Transaction of Atomic Energy Society of Japan, 5(2006)358-363
5. A. Kavaklı, N. Seko, M. Tamada, O. Güven, "A highly efficient chelating polymer for the adsorption of uranyl and vanadyl ions at low concentrations"

Adsorption, 10(2004)309-315.

Separation Science and Technology, 39(2004)1631-1643

Prof. Dr. Olgun Güven

Hacettepe Üniversitesi
Kimya Bölümü
Emekli Öğretim Üyesi