MADEN MÜHENDİSLİĞİ TEKNOLOJİ VE AR-GE YÖNETİMİ NÜKLEER ATIKLARIN BERTARAF EDİLMESİ Prof. Dr. ATA UTKU AKÇİL NECDET YALÇINKAYA ISPARTA/2018

İÇERİK 1.Radyasyon Nedir ? 2.Radyasyon Tarihçe 3.Radyoaktif Madde Nedir ? 3.1.İyonlaştırıcı Radyasyon Alfa Işıması Beta Işıması Gama Işıması Nötrolar 3.2.İyonlaştırıcı olmayan Radyasyon 4.Radyasyon Kaynakları 4.1.Doğal Radyasyon 4.2.Yapay Radyasyon 5.Endüstriyel Uygulamada Nükller Enerji 6.Radyoaktif Atık Tipleri 6.1.Düşük Seviyeli Atıklar 6.2.Orta Seviyeli Atıklar 6.3.Yüksek Seviyeli Atıklar 7.Bertaraf Etme Örnekleri: Amerika 8.Bertaraf Etme Örnekleri Finlandiya 9.Kaynakça

RADYOAKTİVİTE NEDİR ? Radyoaktivite, bazı maddelerin atomlarının bozunarak parçacık veya enerji yaymasıdır.

TARİHÇE C. Röntgen 1895’te X-ışınlarını bulmasından sonra binlerce keşfin önünü açtı. Fransız fizikçi H.Becquerel, X-ışınlarının keşfinden çok etkilenmişti. Karanlıkta parlayan uranyum tuzunun X-ışını da üretebileceğine inanıyordu. Uranyum tuzlarını üzeri siyah kağıt kaplı fotoğraf camlarının üzerine koydu ve güneşe bıraktı. Yeterince güneşte kalınca, uranyum tuzundan X-ışınları çıkmasını umuyordu. Ancak hava bulutlu olduğu için, uranyum tuzları ve fotoğraf camlarını çekmeceye koyup, havanın açılmasını bekledi. Birkaç gün sonra, ümidi olmasa da fotoğraf camlarını banyo etti. Sonuç inanılmazdı, yeterince güneş görmediği halde, uranyum tuzu fotoğraf camlarını karartmıştı. Becquerel, ışınlar siyah kağıdı geçip fotoğraf camını kararttığına göre, X- ışını olmalı diye düşündü. Deneyleri tekrarlayınca, güneşe gerek olmadığını, uranyum tuzlarının kendiliğinden ışın yaydığını keşfetti (1896).

Madam Curie kısa süre sonra toryum tuzlarının da bu ışınları yaydığını buldu. Ardından polonyum elementini keşfetti. Polonyum da ışın yayıyordu. Bu ışınlara “radyoaktivite” (etkinlik yayma) adını verdi. Madam Curie, eşi P. Curie ve H. Becquerel 1903 yılında Nobel ödülü kazandılar. J. Dalton, 1810’da atomu “Her elementin atomu diğerinden farklıdır, atomlar bölünemez ve yok edilemez” şeklinde tanımladı ve bu tanım tüm dünyada kabul edilmişti. Ancak 1897’de İngiliz fizikçi J.J. Thomson atomların yapısında elektronlar olduğunu keşfetti. Elektronların hidrojen 2 atomundan 1800 kez daha hafif olduğunu da buldu. E. Rutherford, uranyumdan çıkan ışınların, gama ışını ile alfa ve beta parçacıkları olduğunu keşfetti. Bu, uranyum atomu kendi kendine bölünüp dışarıya parçacıklar fırlatıyor demekti. Atom bölünemez ve yok edilemezdi, aksi düşünülmemişti ama atomun bölündüğü kanıtlanmıştı. Atomların ortasında küçük bir çekirdek ve etrafında dönen elektronlar olduğunu da 1911’de açıkladı.

Rutherford, bilim dünyasını 1919’da bir kez daha sarstı. Radyoaktif bir maddenin önüne tüp içinde azot gazı yerleştirdi. Radyoaktif maddeden çıkan alfa parçacıklarının, azot gazına yaptığı etkiyi inceledi. Bir süre sonra azot tüpünden dışarıya, artı yüklü parçacıklar çıktığını buldu. Bunlara “proton” adını verdi. Berilyum metaline çarpan alfa parçacıklarının “nötron” ürettiği İngiltere’de keşfedildi. Bölünemez denilen atomların elektron, proton ve nötron adlı parçacıklardan oluştuğu kanıtlandı.

Bilim adamları farklı maddelerin atomlarını alfa parçacıkları ile çarpıştırmaya başladı. Bu deneyler çok basitti, çünkü incelenecek maddenin önüne uranyum veya radyum gibi radyoaktif bir madde koymak yeterliydi. Radyoaktif maddeden çıkan alfa parçacıkları, önlerine konulan maddeye yani maddenin atomlarına çarpıyordu. Çok sayıda madde denendi ve bazıları beklenmedik sonuçlar verdi. Madam Curie’nin kızı Irene Curie, eşi ile birlikte bu tür bir deney yaparken 1934’te “yapay radyoaktiviteyi” keşfetti. Alüminyum metaline çarptırdıkları alfa parçacıkları, doğada olmayan “radyoaktif fosfor” üretti.

Radyoaktif madde nedir ? Bir maddenin atom çekirdeğindeki nötronların sayısı, proton sayısına göre oldukça fazla ise; bu tür maddeler kararsız bir yapı göstermekte ve çekirdeğindeki nötronlar alfa, beta, gama gibi çeşitli ışınlar yaymak suretiyle parçalanmaktadırlar. Çevresine bu şekilde ışın saçarak parçalanan maddelere radyoaktif madde (“ışınımsal madde”) denir.

RADYOAKTİVİDE 2’ye AYRILIR İYONLAŞTIRICI RADYASYON İYONLAŞTIRICI OLAYAN RADYASYON

İYONLAŞTIRICI RADYASYON İyonizasyon, genellikle, atom yörüngesinden bir elektronun sökülüp ayrılması sonucu meydana gelir. Yörüngesinden bir elektron kaybeden atom, pozitif yüklü bir iyon olarak kalır. Atom yörüngesine bir elektron eklenmesi sonucunda da iyon oluşur. α (Alfa) ışıması: Alfa parçacığı iki proton ve iki nötrondan oluşmuş bir helyum ( 2 He 4 ) çekirdeğidir ve pozitif yüklüdür. “α”şaretiyle sembolize edilirler. Çekirdeğin, α çıkararak parçalanması olayı atom numarası büyük izotoplarda görülür ve genellikle doğal radyoaktif atomlarda rastlanır. Alfa parçacıklarını çok küçük kalınlıklardaki maddelerle (örneğin ince bir kağıt tabaka ile) durdurmak mümkündür. Bunun sebebi, diğer radyasyon çeşitlerine göre sahip oldukları nispeten büyük elektrik yükleridir.

β (Beta) ışıması: Çekirdekteki enerji fazlalığı çekirdek civarında, E = mc 2 eşitliğiyle açıklanabilen, bir kütle oluşturur. Bu kütle çekirdekteki fazla yükü alır ve dışarıya bir beta ışını olarak çıkar. Bunlar pozitif veya negatif yüklü elektronlardır. Pozitif yüklü elektronlar “β + ” ile, negatif yüklü iyonlar ise “β - " işaretiyle sembolize edilirler. Çekirdekteki enerji fazlalığı proton fazlalığından meydana geliyorsa β +, nötron fazlalığından meydana geliyorsa β - çıkar. Beta parçacıkları da alfa parçacıkları gibi belli bir yük ve kütleye sahip olduklarından madde içerisinden geçerken yolları üzerinde iyonlaşmaya sebep olurlar. Ancak bu iyonlaşma, alfa parçacıklarının oluşturduğu iyonlaşmadan daha azdır. Çünkü bu parçacıklar alfa parçacıklarına göre daha hafif ve yüz kere daha giricidirler. Yine de bunlardan korunmak için ince alüminyum levhadan yapılmış bir zırh malzemesi yeterlidir.

Gama ışınları:Gama ışınlarının kaynağı atomun çekirdeğidir. Bu ışınlar atom çekirdeğinin enerji seviyelerindeki farklılıklardan meydana gelir. Çekirdek bir alfa veya bir beta parçacığı çıkarttıktan sonra genellikle kararlı bir durumda olmaz. Fazla kalan çekirdek enerjisi bir elektromanyetik radyasyon halinde yayınlanır. Gama ışınları, beta ışınlarından daha yüksek enerjili ve dolayısıyla daha girici (nüfuz edici) ışınlardır. γ ile sembolize edilirler. Gama ve x ışınlarının, alfa ve beta parçacıklarına göre madde içine nüfuz etme kabiliyetleri çok daha fazla, iyonlaşmaya sebep olma etkileri ise çok daha azdır. Ancak birkaç santimetre kalınlığındaki kurşun tuğlalarla ve sadece belli bir kısmı durdurulabilir. Madde içerisinden geçerken üstel bir fonksiyon şeklinde bir şiddet azalmasına uğrarlar. Yüksüz olduklarından elektrik ve manyetik alanda sapma göstermezler.

Nötronlar :Nötronlar yüksüz parçacıklardır. Bu özelliklerinden dolayı herhangi bir madde içerisine kolaylıkla nüfuz edebilirler. Doğrudan bir iyonlaşmaya sebep olmazlar. Ancak atomlarla etkileşmeleri, iyonlaşmaya neden olan alfa, beta, gama veya x ışınlarının ortaya çıkmasına neden olabilir. Nötronlar sadece kalın beton, su veya parafin kütleleriyle durdurulabilirler.

İYONLAŞTIRICI OLMAYAN RADYASYON İyonlaştırıcı olmayan radyasyon, bir atomdan veya molekülden bir elektronu tamamen koparabilmek için atomları veya molekülleri iyonlaştırabilecek yeterli enerji taşıyan kuantumlara sahip olmayan herhangi bir elektromanyetik radyasyon türüdür. Kızılötesi Görünür Işık Mikrodalga Radyo dalgaları Morötesi

RADYASYON KAYNAKLARI DOĞAL RADYASYON YAPAY RADYASYON

DOĞAL RADYASYON Uzaydan gelen kozmik ışınlar Yerkürede bulunan kısa yarı ömürlü radyoizotopların yaydığı gama ışınları Vücudumuzdaki radyoaktif elementler Radyumun bozunması sonucu salınan radon gazı

YAPAY RADYASYON Tıbbi Uygulamalar Endüstriyel Uygulamalar Tüketici Ürünleri

ENDÜSTRİYEL UYGULAMALARDA NÜKLEER ENERJİ Ağır radyoaktif (Uranyum gibi) atomların bir nötronun çarpması ile daha küçük atomlara bölünmesi (fisyon) veya hafif radyoaktif atomların birleşerek daha ağır atomları oluşturması (füzyon) sonucu çok büyük bir miktarda enerji açığa çıkar. Bu enerjiye nükleer enerji denir. Nükleer reaktörlerde fisyon reaksiyonu ile edilen enerji elektriğe çevrilir.

RADYOAKTİF ATIK YÖNETİMİ UYGULAMALARI Radyoaktif atıkların yönetimi için gerekli faaliyetler şu şekilde sınıflandırılabilir: Üretilen miktarın en aza indirilmesi, Güvenli yönetim ve taşıma sırasında koruma için koşullandırma ve paketleme, Ara depolama, Nihai Depolama.

RADYOAKTİF ATIK TİPLERİ Radyoaktif atıklar taşınma, depolama ve atık düzenlemelerini kolaylaştırmak için içerdiği radyoaktif malzemenin konsantrasyonu ve radyoaktif kaldıkları süre dikkate alınarak sınıflandırılırlar. Düşük seviyeli atıklar (DSA), normal olarak işçi tulumları, taşıma kapları, şırıngalar gibi malzemelerin az miktardaki kısa ömürlü radyoaktivite ile teması sonucu oluşur. DSA’lar genellikle lastik eldivenler kullanılarak işleme tabi tutulur. Nükleer güç santrallerinin hizmetten çıkarılması esnasında oluşan bir çok atık DSA sınıfına girer. Orta seviyeli atıklar (OSA), tipik olarak nükleer malzeme ile birlikte kullanılmış ekipman veya radyoaktif akışkanların temizlenmesinde kullanılmış iyon değişim reçineleri gibi daha çok endüstriyel malzemelerdir. Bunlar tipik olarak ihmal edilebilir düzeyde ısı üretirler, fakat kısa veya uzun süreli radyasyon yayarlar ve korunmak için zırhlama gerekir. Kullanılmış nükleer yakıtların yeniden işlenmesi sırasında yakıtın çözülmeyen metal kısımlarını içeren atıklar OSA kategorisinde değerlendirilir. Yüksek seviyeli atıklar (YSA), fisyon reaksiyonu sonucunda ortaya çıkan yüksek derecede radyoaktif ve uzun ömürlü elementleri içerirler. Yüksek seviyeli atık kategorisinde ayırım yeniden işlenilmeyecek olan kullanılmış nükleer yakıt (KNY) ve yeniden işleme uygulamasının kalıntıları arasında yapılır.

PEKİ BU ATIKLAR RADYOAKTİVİTESİNİ NE ZAMAN KAYBEDECEK ? Her bir radyoaktif elementin (ya da radyoçekirdeğin) ona has bir yarı ömrü vardır. Yarı ömür, o radyoaktif maddeyi oluşturan atomların yarısının diğer bir elemente dönüşmesi için geçmesi gereken süredir. Bilinen radyoaktif maddelerin yarı ömürleri, saniyenin milyonda biri kadar kısa olabileceği gibi, milyonlarca yıl kadar uzun da olabilir. 1 yarı ömür geçtikten sonra radyoaktif maddenin miktarı yarılanır, 2 yarı ömür geçtiğinde başlangıçtaki miktarın çeyreğine ulaşılır, 3 yarı ömür geçtikten sonra 8'de 1'ine ve böyle devam eder. Tüm Uranyum atomları orta düzeyde radyoaktiftir ve birçok basamaktan geçerek dengeli bir atom olan Kurşun-206'ya ulaşır. Her bir basamağın farklı bir yarı ömrü ve kendisine has bir ışıma türü vardır. Şu anda kayalarda ve toprakta gördüğümüz doğal radyoaktif maddelerin büyük bir kısmı Uranyum-238 bozunumu sonucunda oluşan atomlardır.

DÜŞÜK SEVİYELİ ATIKLAR Bozunum ısısı, fiziksel hali, biyolojik-kimyasal özellikleri ve radyoaktivitesi dikkate alınarak sınıflandırılan ve toplanan düşük seviyeli radyoaktif atıklar radyasyondan korunma ve acil durum prosedürleri dâhilinde depolama tesisine taşınır.

Katı haldeki düşük seviyeli atıklar için hacim küçültme işlemi uygulanır ve paketlenir.

Hacim küçültme işlemi uygulanmış ve paketlenmiş düşük seviyeli radyoaktif atıklar yüzey depolama tesisine taşınır ve 60 yıl bu tesiste depolanır. 60 yıl santral sahasında yüzey depolama tesisinde bekletilen atıklar 60 yılın sonunda santral sahası dışında bulunan yakın yüzey bertaraf tesisinde bertaraf edilir

ORTA SEVİYELİ ATIKLAR Orta seviyeli sıvı ve katı atıklar için çimentolama işlemi uygulanır. Özel olarak formüle edilmiş harçların kullanımıyla gerçekleştirilen çimentolama işlemi radyoaktif maddelerin dağılmamasını sağlar.

Paketlenen orta seviyeli radyoaktif atıklar radyasyondan korunma ve acil durum prosedürleri dahilinde santral sahasında bulunan yüzey depolama tesisine taşınır ve bu tesiste 60 yıl boyunca depolanır. 60 yıl boyunca yüzey depolama tesisinde bekletilen orta seviyeli radyoaktif atıklar 60 yılın sonunda santral sahası dışında bulunan yakın yüzey bertaraf tesisinde bertaraf edilir.

YÜKSEK SEVİYELİ ATIKLAR Kullanılmış yakıtlar reaktör korundan çıkarılınca, radyasyondan korunma ve acil durum prosedürleri dahilinde, reaktörün hemen yanındaki kullanılmış yakıt havuzuna taşınır. Kullanılmış yakıtlar bu işlem sırasında dışarısı ile temas etmez, tamamen havuz içerisindedir.

Kullanılmış yakıt havuzlarında soğutulması ve radyoaktivitesi düşmesi için bekletilen kullanılmış yakıtlar, havuz dışına taşınırken radyasyonun dışarı çıkmasını önlemek için tasarlanmış, çok katmanlı izolasyonu olan özel taşıma kapları kullanılır. Kullanılmış yakıtlar bu kaplara konulurken tamamen havuz içerisindedir, dışarısı ile temas etmez.

ABD 1970 ve 1980’lerde nükleer yakıt taşıma kaplarının gerçek yaşamdaki kaza şartlarına maruz kalmasının etkilerini saptamak için bir dizi testler gerçekleştirmiştir. Bu testler şunları içermektedir: Taşıma kabı yüklü bir kamyonun ön gerilmeli beton duvara 130 km/h hızla çarpması, Bir traktör römorku üzerinde bulunan kaba 130 km/h hızla hareket eden bir lokomotifin çarpması, Bir kabın 600m yükseklikten bırakılarak sert zemine 380 km/h hızla çarpması. 1984’te İngiltere’de yapılan benzer testler gibi bütün bu testlerde taşıma kabı sağlam olarak kalmış, daha sonra yapılan muayenelerde radyoaktivite salımının olmadığı görülmüştür.

Ayrıca camlaştırılmış YSA uygulamasına Plazma vitrifikasyon denir. Vitrifikasyon her türlü (düşük, orta ve yüksek yoğunluklu) radyoaktif atıklar için uygundur, atıklar önce cam kırığı veya kum ile karıştırılır, sonra plazma ile eritilerek cam cürufu haline getirilir. Ortaya çıkan cam cürufu sızdırmaz, katı bir formdur ve içindeki radyoaktif atığı yıl herhangi bir tehlike ve sızıntıya neden olmadan saklayabilir

10 yıl havuzda bekletilen kullanılmış yakıtlar, özel atık taşıma kapları içerisinde radyasyondan korunma ve acil durum prosedürleri dâhilinde 50 yıl süreyle depolanmak üzere santral sahasındaki kuru depolama tesisine taşınır.

50 yıl süreyle kuru olarak depolanan kullanılmış yakıtlar, bertaraf edilmek üzere özel taşıma kaplarıyla derin jeolojik bertaraf tesisine taşınır. Derin jeolojik bertaraf tesisi, jeolojik yapısı uygun, yer altı sularının ulaşamayacağı kil ve tuz formasyonu gibi uzun süre güvenle depolanabilecek bir sahada inşa edilir. Bu tesis yüzeyden 500 ila 1000 m derinliktedir. Kullanılmış yakıtlar ve yüksek seviyeli radyoaktif atıklar emniyetli bir şekilde saklanabilir

BERTARAF ETME ÖRNEKLERİ: AMERİKA Tüketilmiş radyoaktif uranyum yakıtları, havuzun su yüzeyinin 25 feet (8 m) altında muhafaza edilmektedir. Deiyonize su içerisinde havuzun dibinde korunan kullanılmış uranyum yakıtları, aynı zamanda ışık hızından daha yüksek olan Cherenkov radyasyonu ve Çerenkov ışıması nedeniyle su içinde parlak mavi renkli pırıldamaktadır. Reaktörlere her 18 ayda bir zenginleştirilmiş uranyum kaynaklı nükleer yakıt yüklemesi yapılmaktadır. Zirkonyum kılıf ile kaplı tüketilmiş uranyum yakıt pelletleri ise korozyona karşı dayanıklılık sağlayan deiyonize su ile doldurulmuş havuzlara yerleştirilmektedir. Sürekli soğutma suyu ile takviye edilen ve beslenen kullanılmış uranyum yakıt havuzları içinde tüketilmiş uranyum üzerindeki fazla ısı soğurulmaktadır. Ayrıca, çok tehlikeli radyoaktif maddeler ile nükleer atık muamelesi görmek üzere aynı zamanda kısa yarı ömürlü radyoizotopların bertaraf edilmesi amacıyla tüketilmiş uranyum mevzu bahis nükleer atık soğutma havuzları içerisinde uzunca süre bekletilmektedir. Radyoaktif atık soğutma havuzları içinde beş yıl kalan kullanılmış uranyum daha sonra dev çamaşır makinelerinin andıran çelik ve beton konteynırlar içerisine alınmaktadır. Beton ve çelik konteynırlar içinde muhafaza edilen uzun yarı ömürlü çok yüksek aktiviteli nükleer atıklar, radyoaktif atık muamelesi için korunmaktadır. Nükleer kalıntı malzemelerin, daimi nükleer atık saklama sahaları bölgelerine taşınmadan önce, söz konusu geçici nükleer atık depolama alanları içerisinde daha ne kadar süre bekletileceği ise halen belirsizliğini korumaktadır. Daha sonra ise Yucca Dağına derin jeolojik bertaraf tesisine gönderilecektir.

BERTARAF ETME ÖRNEKLERİ: FİNLANDİYA Yüz yılı kapsayan mega radyoaktif atık arıtılması projesi henüz başlangıç aşamasındadır. Küresel baz enerji kaynağı karbonsuz nükleer güç santralleri NGS yakıtları içeriğinde kullanılan plütonyum radyoizotopları on binlerce yıl güvenli ve emniyetli biçimde depolanması gerekmektedir. Tünelin içindeki hava soğutucu olmakla beraber bir kaç yıl sonra içerisine konulacak nükleer atıklar sayesinde ısınarak sanki Fin Saunası ya da Fin Hamamı haline dönüşecektir. Tünelin zeminindeki deliklere gömülü halde 5.2 metre uzunluğunda bakır kaplı kutular içerisinde dünyanın en riskli radyoaktif atıkları arasında sayılan çok yüksek aktiviteli tüketilmiş nükleer yakıt atıkları yerleştirilecektir. Sondaj çalışmaları tamamlandığında 70 km’lik tünel boyunca neredeyse 100 yıl sürecek her biri yarım ton kullanılmış nükleer yakıt ihtiva eden 3250 adet kutu ve varil gömülecektir. Böylece, gelecek nesillerin radyasyonsuz, emniyetli ve güvenli yaşamasının sağlanması yönünden tüm radyoaktif atık tecridi sağlanacaktır. ONKALO - Posiva daimi nükleer atık depolama sahası içinde gömülü durumda stoklanacak ve depolanacak radyoaktif atıkların en az yıl boyunca güvenli biçimde bertaraf edilmesi amaçlanmaktadır.

ONKALO - Posiva daimi nükleer atık depolama sahası

KAYNAKÇA Amerika Nükleer Güç Santralleri NGS Çalıştırılması Sonrası Ortaya Çıkan Tüketilmiş Radyoaktif Uranyum Yakıtlarının Nükleer Atık İdaresi Kapsamında Yok Edilmesi Problemleri E. Togay Eylül/2015 Finlandiya Radyasyon ve Nükleer Güvenlik Kurumu Yönetimi Denetiminde Yüksek Seviyeli Radyoaktif Atıkların Saklanması, Yok Edilmesi ve İmhası A.Cangüzel Mayıs/2017 Global Uranyum Zenginleştirme Programları Çerçevesinde Küresel Nükleer Kontamine Sahaları Temizleme ve Radyoaktif Atık Yönetimi Çalışmaları E.Togay Ağustos/2015 Atom, Radyoaktivite, Radyoizotoplar ve İyonlaştırıcı Radyasyon Çeşitleri E.Togay Haziran 2014 Dünya Elektrik Arz Güvenliği Sıkıntıları Çözümü Perspektifleri Kapsamında Yüzer Karbonsuz Yeni Nesil Nükleer Enerji Santralleri Kurulması Çalışmaları E.Togay Mayıs/2013

Ege Üniversitesi E.Ü. Nükleer Bilimler Enstitüsü Radyoaktif atıklar P.ÜNAK Mayıs/2011 Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı Nükleer Enerji Proje Uygulama Daire Başkanlığı Türkiye Atom Enerjisi Kurumu/Radyasyon Güvenliği Evrim Ağacı/Radyoaktivite Radyasyondan Korunma Derneği