Türkiye ve Dünyada Toryum Rezervleri
Toryum, yerkabuğunda uranyuma kıyasla daha bol bulunan bir radyoaktif metaldir. Dünya genelinde bilinen toryum kaynaklarının toplamı yaklaşık 6,3 milyon ton düzeyindedir
. Bu kaynaklar coğrafi olarak geniş bir alana dağılmış olsa da, başlıca rezervler birkaç ülkede toplanmıştır: Hindistan (yaklaşık 846 bin ton), Brezilya (632 bin ton), Avustralya ve ABD (her biri ~595 bin ton), Mısır (~380 bin ton) ve Türkiye (~374 bin ton) en büyük toryum rezervlerine sahip ülkeler arasındadır
. Bu ülkeleri, ~300 bin ton ile Venezuela ve daha küçük rezervlere sahip Kanada, Rusya, Güney Afrika gibi ülkeler izlemektedir. Toryum kaynaklarının bugüne dek sınırlı araştırmalara tabi tutulduğu, dolayısıyla mevcut rakamların tahmini olduğu unutulmamalıdır; gelecekteki jeolojik etütlerle bu değerler yukarı yönde revize edilebilir.
Dünya genelindeki başlıca toryum rezervleri (ton cinsinden). Hindistan, Brezilya, Avustralya ve ABD en büyük rezervlere sahip ülkeler olup, Türkiye yaklaşık 374.000 ton toryum rezervi ile ilk sıralarda yer almaktadır.
Türkiye, sahip olduğu rezerv miktarıyla dünyanın en zengin toryum kaynaklarından birine sahiptir. Bilimsel araştırmalara göre, Eskişehir-Beylikova/Sivrihisar bölgesinde yaklaşık 350.000 ton toryum metali eşdeğeri bulunurken, Burdur-Çanaklı bölgesinde de yaklaşık 17.000 ton toryum içeren bir cevher yatağı tespit edilmiştir
. Özellikle Eskişehir’deki cevher, nadir toprak elementleri açısından da zengin bir yapıya sahiptir (yaklaşık 1 milyon ton nadir toprak elementi içeriğiyle dünya ölçeğinde önemli bir rezerv) ve bu cevherden nadir toprakları çıkarma sürecinde toryumun da yan ürün olarak elde edilmesi mümkün görünmektedir
. Bugün için ne Türkiye’de ne de dünyada toryum ticari ölçekte çıkarılmamaktadır; fakat Türkiye, yüksek toryum potansiyelini gelecekte değerlendirmek üzere stratejiler geliştirmektedir. Nitekim Türkiye, Jenerasyon IV Uluslararası Reaktör Forumu’na 2019’da katılım başvurusu yaparak toryum içeren eriyik tuz reaktörü geliştirme niyetini ortaya koymuştur
. Bu girişim, ülkenin ileride kendi toryum kaynaklarını kullanarak nükleer enerji üretme hedefinin işaretlerinden biridir.
Toryumun Enerji Üretiminde Kullanımı: Eriyik Tuz Reaktörleri
Toryumun enerji üretiminde en umut vadeden kullanım şekli, onu nükleer yakıt olarak değerlendirmektir. Ancak toryumun önemli bir özelliği, fisil (bölünebilir) bir izotopa sahip olmamasıdır. Doğada bulunan tek toryum izotopu ^{232}Th, nötronlarla doğrudan bölünemez; bunun yerine nötron yakaladığında radyoaktif bozunma yoluyla uranyum-233 (^{233}U) üretir
. Bu nedenle toryum, reaktörde yakıt olarak kullanılabilmesi için önce bir “tohum” fisil yakıtla (örn. zenginleştirilmiş ^{235}U veya ^{239}Pu) birlikte yüklenmeli ve nötron akışına maruz kalarak kademeli olarak ^{233}U’a dönüşmelidir
. Elde edilen ^{233}U ise tıpkı ^{235}U veya ^{239}Pu gibi fisil özelliklidir ve zincirleme nükleer reaksiyonu sürdürerek enerji üretebilir. Kısaca, toryum ancak uygun bir reaktör ortamında fertil (verimli) bir yakıt olarak işlev görür ve nötron soğurarak kendi kendine fisil bir yakıtı (^233U) üretir
. Bu dönüşüm, uranyum yakıt çevrimindeki ^{238}U’dan ^{239}Pu üretimine benzer şekilde gerçekleşir ve toryum yakıt döngüsünün temelini oluşturur.
Toryumu verimli şekilde enerji üretiminde kullanmanın en modern yolu, onu eriyik tuz reaktörleri (Molten Salt Reactors, MSR) adı verilen ileri teknoloji reaktörlerde yakıt olarak değerlendirmektir. MSR’ler, toryum yakıtı için özellikle uygun kabul edilir çünkü toryumun katı yakıta işlenmesini gerektirmez ve reaktör çalışırken yakıtın sürekli işlenip yeni üretilen yakıtın ayrıştırılmasına imkân tanır
. Eriyik Tuz Reaktörü tasarımında, toryum ve gerekli ilk fisil malzeme (örn. ^{233}U veya ^{235}U) bir florür tuzu karışımı içinde çözünmüş halde bulunur. Bu tuz karışımı yaklaşık 400-700°C sıcaklık aralığında eriyik (sıvı) fazdadır ve aynı anda hem reaktör yakıtı hem de soğutucu sıvı görevini görür
. Sıvı yakıt, reaktör çekirdeğindeki grafit gibi bir yavaşlatıcı malzemeyle düzenlenen bir bölgede dolaşır ve burada nötronlarla etkileşerek fisyon reaksiyonlarını sürdürür. Sonrasında ısınmış tuz, bir ısı değiştirici aracılığıyla enerjisini dış çevrime (örneğin bir türbine) aktarır. MSR tasarımının ayırt edici özelliği, kimyasal çevrim adı verilen bir yan devreye sahip olmasıdır: Eriyik yakıt, dolaşımı sırasında bu kimyasal işleme ünitesine uğrayarak oluşan zararlı fisyon ürünleri (reaksiyonu zehirleyen Xe, Sm gibi elementler) sistemden uzaklaştırılabilir ve aynı şekilde toryumdan üretilen değerli ^{233}U yakıtı da ayrıştırılıp tekrar döngüye alınabilir
. Bu sayede reaktör çalıştıkça toryum sürekli beslenip ^{233}U üretilebilir ve bu yakıt reaktörün içinde tüketilmeye devam edebilir.
MSR konsepti yeni bir fikir olmayıp geçmişte deneysel olarak başarıyla uygulanmıştır. 1960’larda ABD’de Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı’nda işletilen bir Molten Salt Reactor Experiment (MSRE), bu teknolojinin fizibilitesini göstermiştir. Bu deney reaktörü 7,4 MW_t gücünde olup ilk çalışmasında ^{235}U, ikinci çalışmasında ise ana yakıt olarak ^{233}U kullanarak 1965-1969 yılları arasında başarılı bir şekilde çalıştırılmıştır
. Günümüzdeki modern MSR tasarımları, geçmiş deneyimlerden de faydalanarak daha büyük ölçekli ve güvenli prototipler geliştirmeyi hedeflemektedir.
MSR Teknolojisinin Avantajları
Toryum yakıtlı eriyik tuz reaktörleri, hem yakıt kaynağı hem de reaktör güvenliği açısından bazı önemli avantajlar sunar:
-
Yakıt Bolluğu ve Düşük Maliyet: Toryum, yerkabuğunda uranyuma göre yaklaşık üç-dört kat daha bol bulunan bir elementtir
. Bilinen toryum rezervleri (~6 milyon ton), teorik olarak dünya enerji ihtiyacını çok uzun süre karşılayabilecek potansiyeldedir. Bu bolluk sayesinde toryumun hammade maliyeti düşüktür; hatta çoğunlukla nadir toprak madenciliğinin yan ürünü olarak elde edildiği için kullanıma hazır toryumun ekonomik değeri şu an için oldukça azdır. Yapılan hesaplamalar, 1 GWe gücündeki bir reaktörü beslemek için gereken toryum yakıtının yılda 100 bin ABD dolarından daha düşük bir maliyetle sağlanabileceğini göstermektedir
. Bu rakam, günümüz hafif su reaktörlerinde uranyum yakıt için harcanan yıllık milyonlarca dolarlık bütçeyle kıyaslandığında son derece cüzi bir tutardır.
-
Yüksek Yakıt Verimliliği: Toryum-MSR sistemleri, yakıtın neredeyse tam kullanımını hedefler. Klasik nükleer reaktörlerde uranyum yakıtının ancak küçük bir kısmı enerjiye dönüşürken, MSR’de sıvı yakıtın çevrimi sayesinde toryumun çok büyük bir bölümü ^{233}U’a dönüşüp yakıt olarak tüketilebilir. Online yakıt besleme ve zehirli ürünlerin sürekli uzaklaştırılması, yüksek yanma oranlarına (burn-up) ulaşılmasını sağlar
. Böylece aynı miktar nükleer yakıttan elde edilen enerji maksimize edilir. Bu verimli yakıt kullanımı, atık miktarını da azaltır ve uzun vadede yakıt tedariği sorununu en aza indirir.
-
Güvenlik ve İşletme Kolaylığı: Eriyik tuz reaktörlerinin güvenlik felsefesi, pasif güvenlik ilkelerine dayanır. Reaktörün birincil devresi atmosferik basınçta çalıştığı için, basınçlı su reaktörlerinde olduğu gibi kalın çelik basınç kapları veya acil soğutma sistemleri gerektirmez
. Bu tasarım, suyun yüksek basınç altında bulunduğu LWR tipi reaktörlerde olası buhar patlaması riskini ortadan kaldırır. Yakıt zaten eriyik halde olduğundan, soğutma kaybı durumunda erimiş yakıtın tasarımdaki özel bir drenaj tankına kendiliğinden boşalmasını sağlayan bir “dondurulmuş tapa” sistemi gibi pasif mekanizmalar kullanılabilir. Bu sayede reaktör, harici güç veya insan müdahalesine ihtiyaç duymadan kendini emniyete alabilir. Düşük basınçlı çalışma ve pasif soğutma özellikleri sayesinde MSR, büyük bir basınç dayanıma sahip beton koruma kubbesi gibi yapıların görece daha küçük boyutlarda tutulmasına imkân verebilir
. Tüm bunlar, işletme sırasında güvenilirliği artırırken aynı zamanda sistemin basitleştirilmesiyle bakım ve işletme kolaylığı sağlar.
-
Daha Az Uzun Ömürlü Atık: Toryum yakıt döngüsünün bir diğer önemli avantajı, daha temiz bir nükleer atık profiline sahip olmasıdır. Uranyum bazlı yakıtlar, kullanıldıktan sonra plütonyum, amerikyum gibi binlerce yıl radyoaktif kalan transuranik elementler içerir. Oysa ^{232}Th–^{233}U döngüsünde üretilen transuranik atık miktarı oldukça düşüktür
. Bir toryum reaktörünün kullanılmış yakıtında ana radyoaktif bileşenler, fisyon ürünleridir. Bu fisyon ürünleri arasında çok uzun ömürlü izotoplar sınırlıdır ve çoğunluğu birkaç yüz yıl içinde önemli ölçüde radyasyonunu yitirir. Hatta bazı analizlere göre, tam bir toryum yakıt çevrimi işletildiğinde (aktinitler tamamen yakıldığında), reaktörden çıkan atıkların radyotoksisitesi birkaç yüz yıl sonra doğal uranyum cevherininkinden daha düşük bir seviyeye iner
. Bu, nükleer atıkların yönetimi açısından büyük bir avantajdır; çünkü coğrafi derin depolama gerektiren süreyi binlerce yıldan birkaç yüzyıla düşürebilir.
-
Proliferasyon Riskinin Azalması: Toryum yakıt çevrimi, nükleer silah yayılmasını önleme açısından da avantajlı yönlere sahiptir. ^{233}U izotopu, oluşumu sırasında kaçınılmaz olarak ^{232}U ile karışık halde bulunur. ^{232}U, hızla bozunarak güçlü gamma radyasyonu yayan izotoplar ürettiğinden, ^{233}U içeren malzemenin izinsiz olarak elleçlenmesi veya silah haline getirilmesi son derece güçleşir
. Bu yoğun radyasyon, nükleer malzemenin çalınmasını veya kötü amaçlarla kullanılmasını caydırıcı bir özellik kazandırır ve toryum yakıt döngüsünü proliferasyona karşı daha dirençli kılar. Bunun yanı sıra, MSR tarzı bir yakıt çevriminde yakıt sürekli reaktör içinde dolaştığı ve genellikle yerinde tüketildiği için, harici yakıt üretim adımlarında kötüye kullanım ihtimali de azaltılmış olur.
MSR Teknolojisinin Zorlukları ve Dezavantajları
Toryum ve MSR teknolojisinin vaat ettiği avantajlar kadar, karşılaşılması muhtemel önemli zorluklar ve engeller de bulunmaktadır:
-
Malzeme ve Korozyon Sorunları: Eriyik halindeki sıcak tuzlar son derece korozif özellik gösterir. Bu durum, reaktör yapımında kullanılan malzemeler için ciddi bir mühendislik meydan okumasıdır. Reaktörün çekirdek ve boru sistemlerinde nikel bazlı süperalaşımlar gibi özel ve pahalı malzemelerin kullanılması gerekebilir. Yüksek sıcaklıkta ve nötron akısı altında bu malzemelerin uzun ömürlü olup olmaması, MSR tasarımlarının güvenilirliği için kritik bir araştırma konusudur. Ayrıca, eriyik tuzla temas eden pompa, ısı değiştirici gibi ekipmanların da korozyona dayanıklı tasarlanması ve gerektiğinde uzaktan bakım yapılarak değiştirilmesi gerekir
. Bu, geleneksel reaktörlere kıyasla bakım işlemlerini karmaşıklaştırabilir.
-
Yakıt Üretimi ve Yeniden İşleme Kompleksliği: Toryum döngüsünün tam anlamıyla çalışabilmesi için yakıtın sürekli yeniden işlenmesi gereklidir. MSR’de, ^{232}Th nötronları soğurup ^{233}U’a dönüşürken, ortaya çıkan ^{233}U’nun yakıt tuzundan kimyasal olarak ayrılıp tekrar yakıt olarak geri beslenmesi ideal olandır
. Bu işlem, online reprocessing (çevrimiçi yeniden işleme) adı verilen son derece karmaşık bir kimyasal süreç içerir. Yüksek radyasyon altında gerçekleşen bu işlemin uzaktan kumanda ile ve güvenilir bir şekilde yapılabilmesi, henüz tam olarak çözümlenmemiş bir teknolojik konudur. Ek olarak, reaktörü başlatmak için gereken başlangıç fisil yükü (örneğin yüksek oranda zenginleştirilmiş uranyum veya reaktör tipi plütonyum), temin edilmesi ve güvenli bir şekilde reaktöre yüklenmesi gereken bir diğer adımdır. Bu da nükleer yakıt tedariki ve güvenliği açısından ekstra planlama ve maliyet demektir.
-
Radyasyon ve İş Güvenliği: Toryum yakıt çevrimi, alışılmış nükleer yakıt döngülerine kıyasla farklı türde radyasyon koruma sorunları getirir. Özellikle ^{233}U üretimi esnasında biriken ^{232}U ve onun bozunma ürünleri, çalışanlar ve ekipman için şiddetli gamma radyasyonu yayar
. Bu nedenle yakıtın kimyasal işlenmesi ve ayrıştırılması işlemleri, insan erişiminden izole edilmiş, kalın radyasyon siperlikleri ardında ve robotik sistemlerle gerçekleştirilmelidir. Uzaktan işletme teknolojileri geliştirilip denenmeden, ticari bir MSR’nin güvenli şekilde işletilmesi mümkün olmayacaktır. Bu durum, reaktör işletme ve bakımını karmaşıklaştırabilir ve başlangıç yatırımı gereksinimini artırabilir.
-
Düzenleyici ve Lisanslama Belirsizlikleri: Nükleer sektörde yeni bir teknoloji olan MSR’lerin, regülasyon ve standartlar cephesinde de engelleri vardır. Mevcut nükleer emniyet mevzuatları ve denetim prosedürleri büyük ölçüde geleneksel reaktörlere göre şekillenmiştir. MSR gibi farklı çalışma prensibine sahip bir reaktör için güvenlik analizlerinin sıfırdan yapılıp kabul görmesi gerekecektir. Örneğin, eriyik tuzun kimyası, radyasyon yayılımı, acil durum senaryoları gibi konularda düzenleyici kurumların ikna edilmesi uzun sürebilir. Lisanslama süreci belirsiz olduğu için yatırımcılar açısından da risk teşkil etmektedir
. Bu belirsizlikler, teknolojinin hayata geçmesini yavaşlatabilecek önemli faktörlerdir.
-
Yüksek Ar-Ge ve İlk Yatırım Maliyetleri: Toryum bazlı MSR teknolojisi henüz erken geliştirme aşamasındadır ve ön yatırım maliyetleri yüksektir. İlk prototip ve deneysel reaktörlerin inşası için kamu ve özel sektörün yüz milyonlarca doları bulan Ar-Ge harcamaları yapması gerekiyor. Örneğin, nispeten küçük ölçekli (~10 MW_t) bir deneysel MSR reaktörünün bile inşa maliyetinin 300-500 milyon USD düzeyinde olabileceği tahmin edilmiştir
. Bu tutar, bir elektrik santrali için oldukça yüksektir ve kısa vadede sadece AR-GE amacıyla karşılanabilir. İlk ticari MSR prototipleri devreye girdiğinde de, ilk-of-a-kind olmanın getirdiği yüksek maliyetler elektrik üretim fiyatına yansıyacaktır. Dolayısıyla toryumlu reaktörlerin ekonomik avantajlarının ortaya çıkması, ancak teknoloji olgunlaşıp seri üretime geçtikten ve ölçek ekonomisi devreye girdikten sonra mümkün olabilecektir. Bu noktaya ulaşana dek, gereken finansmanı sağlamak ve yatırımı haklı çıkaracak politikalar geliştirmek önemli bir zorluk olarak durmaktadır.
MSR Teknolojisinde Güncel Gelişmeler ve Projeler
Toryumun enerji üretiminde kullanımı fikri son yıllarda yeniden dünya gündemine girmiş ve çeşitli ülkeler Ar-Ge programları başlatmıştır. Özellikle Çin, bu alanda öncü adımlardan birini atmış durumdadır. Ağustos 2021‘de Çin, Gobi Çölü’nde kurduğu deneysel bir toryum bazlı MSR’nin tamamlandığını ve işletmeye alınmaya hazır olduğunu duyurmuştur
. 2 MW_t mertebesinde ısıl güce sahip bu küçük prototip reaktör, ilk etapta ^{235}U içeren bir tuzla başlatılacak ve toryum eklenerek test edilecektir. Önümüzdeki birkaç yıl boyunca güvenlik ve performans testleri yapılacak olan bu reaktör başarılı olursa, Çin hükümeti 100.000’den fazla evi besleyebilecek kapasitede (yaklaşık 100 MW_e mertebesinde) daha büyük bir ticari prototip reaktör inşa etmeyi planladığını açıklamıştır
. Bu gelişme, dünyada ilk çalışan toryum MSR reaktörü olması bakımından önemlidir ve Çin’i bu teknolojide lider konuma getirmektedir.
Çin’in yanı sıra, Hindistan da toryum konusunda uzun süredir aktif araştırmalar yürüten bir ülkedir. Sahip olduğu büyük toryum rezervini kullanmak isteyen Hindistan, ünlü “üç aşamalı nükleer programı” kapsamında gelecekte toryuma dayalı bir nükleer filo kurmayı hedeflemiştir. İlk iki aşamada gerekli plütonyumu biriktirdikten sonra üçüncü aşamada toryum-uranyum-233 çevrimini kullanacak reaktörler planlanmaktadır. Bu kapsamda Hindistan, AHWR (Advanced Heavy Water Reactor – İleri Ağır Su Reaktörü) gibi tasarımlar geliştirmiş ve KAMINI adlı 30 kW’lık deneysel reaktörde ^{233}U yakıtını başarıyla test etmiştir. Hindistan’ın geliştirdiği konseptler MSR olmasa da, toryumun yakıt olarak kullanımına dair önemli birikimler sağlamaktadır. Nitekim geçmiş yıllarda Hindistan, Japonya, Birleşik Krallık ve ABD gibi ülkeler de dâhil olmak üzere birçok ülke, toryum yakıtı konusunda araştırma ve deneyler yapmışlardır
. Örneğin 1980’lerde Almanya’da THTR-300 adıyla işletilen yüksek sıcaklık reaktörü, kısmen toryum yakıtlı peletlerle çalışmıştır. Bu tür projeler, toryumun farklı reaktör tiplerinde kullanılabileceğini göstermiştir ancak bu reaktörler teknik veya ekonomik nedenlerle erken kapatılmıştır.
Günümüzde batılı ülkelerde ve Kanada’da, küçük modüler reaktör (SMR) girişimleri çerçevesinde MSR teknolojisine yeniden ilgi doğmuştur. Birkaç startup şirket ve araştırma kuruluşu, toryum kullanmasa bile MSR tasarımlarını geliştirerek lisans alma yolundadır. Kanada merkezli Terrestrial Energy şirketi, 195 MWe elektrik üretim kapasiteli Integral Molten Salt Reactor (IMSR) adlı tasarımı için Kanada nükleer düzenleyici kurumundan onay sürecini başlatmıştır. Şirket, bu tasarımın 2030’lu yıllarda devreye girebileceğini ve verimlilik sayesinde geleneksel reaktörlerden daha düşük maliyetle elektrik üretebileceğini açıklamıştır. Nitekim Terrestrial Energy CEO’su Simon Irish, geliştirdikleri MSR santralinin inşa maliyetinin 1 milyar doların altında tutulabileceğini ve üretilen elektriğin maliyetinin 50 $/MWh’nin altında olacağını iddia etmiştir
. Yine Kanada ve Birleşik Krallık ortaklığındaki Moltex Energy firması, Stable Salt Reactor (SSR) adını verdiği farklı bir eriyik tuzlu reaktör konsepti üzerinde çalışmaktadır. Bu tasarımda yakıt, sıvı tuz yerine özel bir grafit matris içinde sabitlenmiş halde bulunur ve toryum/uranyum döngüsüne uygun bir yöntemle çalıştırılması planlanmaktadır. Danimarka’da Seaborg Technologies ve Copenhagen Atomics, ABD’de Flibe Energy gibi girişimler de küçük ölçekli (örneğin gemilere veya adalara enerji sağlayabilecek) kompakt MSR tasarımları geliştirmeye odaklanmışlardır.
Uluslararası düzeyde, Generation IV International Forum (Gen IV) çerçevesinde çok uluslu AR-GE projeleri yürütülmektedir ve MSR, Jenerasyon IV reaktör konseptlerinden biri olarak resmen tanımlanmıştır. Avrupa Birliği’nde de EVOL ve SAMOFAR gibi projeler kapsamında MSR teorisi ve malzeme teknolojileri araştırılmıştır. Türkiye, yukarıda belirtildiği gibi Gen IV Forum’a katılım adımı ile bu küresel çabalara dahil olmayı hedeflemektedir
. Önümüzdeki yıllarda prototiplerin sonuç vermesi halinde, toryumlu MSR teknolojisinin ülkeler arası iş birliğiyle hızla yaygınlaşması olasıdır.
Toryum Yakıt Çevrimi ve Uzun Vadeli Maliyet Analizi
Toryum tabanlı bir nükleer enerji sisteminin ekonomik açıdan değerlendirilmesi, tüm yakıt çevrimi adımlarının ve reaktör teknolojisinin incelenmesini gerektirir. Bu bağlamda, cevherin çıkarılmasından yakıt üretimine, reaktör inşasından işletme ve bakım maliyetlerine, güvenlik önlemlerinden atık yönetimine kadar pek çok unsur göz önüne alınmalıdır. Uzun vadede bir enerji çözümü olarak toryumun rekabetçi olabilmesi, bu alanların toplamındaki performansa bağlı olacaktır.
Kaynak Çıkarımı ve Yakıt Üretimi
Toryum doğada genellikle monazit gibi nadir toprak fosfat mineralleri içinde bulunur. Monazit kumlarında %6-7 civarında toryum oksit (ThO₂) bulunabildiği için, bu kumların ekonomik olarak işlenmesi durumunda hatırı sayılır miktarda toryum elde etmek mümkündür
. Dünya genelinde büyük monazit rezervleri özellikle Hindistan ve Avustralya gibi ülkelerde tespit edilmiştir. Monazit işlenerek nadir toprak elementleri çıkarılırken, yan ürün olarak toryumun kazanılması teknik olarak mümkündür. Tipik bir süreçte, monazit minerali sıcak kostik soda (NaOH) çözeltisi ile işleme tabi tutulur; bu işlem sonucunda nadir topraklar ve toryum çözeltiye geçer, ardından toryum ayrı bir kimyasal adımla saf toryum oksit halinde çöktürülür
. Ancak günümüzde ticari toryum üretimi neredeyse yoktur. Uluslararası Atom Enerjisi Ajansı verilerine göre Hindistan, Brezilya, Vietnam ve Malezya gibi ülkelerde monazit madenciliği yapılmakta, fakat bu işlemlerin bir yan ürünü olan toryum genellikle ekonomik bir değeri olmadığı için depolanmaktadır
. Yıllık bazda dünya çapında sadece birkaç yüz ton mertebesinde toryum bileşiği yan ürün olarak elde edilse de, şu an için ciddi bir talep bulunmadığından piyasa sürülmemektedir. Çin’in ise nadir toprak üretiminde açığa çıkan toryumu stratejik stoklar olarak depoladığı bilinmektedir. IAEA’nın 2014 verilerinde, nadir toprak elementlerinin yan ürünü olarak toryum elde edilmesinin, yakın gelecekte toryum üretmenin en uygulanabilir yolu olduğu vurgulanmıştır
.
Türkiye’deki toryum cevherleri de benzer şekilde nadir toprak elementi zengini yataklardır. Eskişehir-Beylikova bölgesinde keşfedilen cevherde yaklaşık 1 milyon ton nadir toprak elementi oksitleri ve bununla birlikte ~350 bin ton toryum bulunduğu tespit edilmiştir
. Bu cevherin ekonomiye kazandırılması için öncelikle nadir toprakların çıkarılması planlanmakta, dolayısıyla toryum bu işlem sürecinde yan ürün olarak elde edilecektir. Mevcut koşullarda, Türkiye’deki bu cevherin işlenmesi durumunda toryumun ayrı bir değer olarak ekonomiye kazandırılması için henüz bir kullanım alanı yoktur; ancak ileride enerji üretiminde değerlendirilme ihtimali nedeniyle toryumun atık değil, depolanması gereken bir yan ürün olarak görülmesi gerekecektir
. Nitekim uzmanlar, toryumun yakın gelecekte önemli bir enerji hammaddesi olabileceğini ve bugünden nadir toprak işletmelerinde açığa çıkan toryumun toplanıp muhafaza edilmesi gerektiğini vurgulamaktadır
.
Toryumu yakıt formuna getirmek için uygulanan süreçler, uranyum yakıt çevrimindeki dönüşümlere benzerdir. Eğer toryum, MSR gibi bir reaktörde kullanılacaksa, genellikle toryum tetraflorür (ThF₄) formuna dönüştürülerek yakıt tuzuna karıştırılır. Bu dönüşüm için toryum oksit, hidroflorik asit ve yüksek sıcaklık kullanılarak florlanır ve ardından kurutularak toz haline getirilir. Elde edilen ThF₄, lityum ve berilyum florür gibi taşıyıcı tuzlarla belli oranlarda karıştırılarak reaktöre yüklenir. Diğer yandan, toryum konvansiyonel katı yakıtlı reaktörlerde (örneğin ağır su reaktörleri veya yüksek sıcaklıklı gaz soğutmalı reaktörler) kullanılacaksa, toryum dioksit (ThO₂) seramik peletler üretilip yakıt çubukları haline getirilir. Bu peletler genelde bir miktar fisil malzeme (LEU veya PuO₂) ile karıştırılarak kullanılır. Dolayısıyla, toryum yakıtı üretimi konusunda teknoloji aslında mevcuttur ve uranyum yakıt üretim altyapıları bunun için uyarlanabilir. Fakat esas mesele, toryum yakıtını verimli kullanabilmek için gerekli olan kapalı yakıt çevrimi teknolojileridir (yani ^{233}U’nun ayrılıp tekrar yakıt olarak kullanılması adımları). Bu, standardize edilmesi yıllar alacak bir endüstriyel süreç olduğundan, ilk nesil toryum reaktörlerinin muhtemelen tek çevrimlik (once-through) yakıt stratejisiyle çalışması, yani ^{233}U üretse bile onu reaktör dışında tekrar kullanmaması olasıdır. Bu durumda dahi, toryum yakıtının üretimi ve kullanımı ekonomik olabilir, ancak tam potansiyeline ulaşamayacaktır.
Reaktör Kurulum ve Sermaye Maliyetleri
Bir enerji teknolojisinin yaygınlaşmasındaki en önemli faktörlerden biri, sermaye maliyetleri yani ilk yatırım maliyetidir. Geleneksel nükleer güç santrallerinin inşası, diğer enerji santrallerine kıyasla oldukça pahalıdır. Örneğin modern bir hafif su reaktörünün (PWR veya BWR) inşa maliyeti genellikle kurulu güç başına $4000/kW mertebesindedir
. Bu da 1000 MWe’lik büyük bir santral için 4 milyar dolarlık yatırım anlamına gelir. Toryum bazlı MSR reaktörlerinin şu an için prototip aşamasında olması, ilk örneklerinin muhtemelen bu rakamların da üzerinde maliyetle karşılaşacağını göstermektedir. Nitekim uzmanlar, küçük ölçekli bir MSR prototipi (örneğin 10 MWe araştırma reaktörü) inşa etmenin bile 300-500 milyon USD aralığında bir yatırıma ihtiyaç duyacağını belirtmişlerdir
. Henüz olgunlaşmamış bir teknoloji için bu denli yüksek bir tutarı haklı çıkarmak zordur; dolayısıyla başlangıçta bu yatırımlar genellikle devlet destekli AR-GE projeleri şeklinde karşımıza çıkmaktadır.
Öte yandan, MSR teknolojisinin teorik olarak daha düşük sermaye maliyetlerine izin verebilecek bazı yönleri vardır. Basınçlı su reaktörlerinde güvenlik gereği inşa edilen kalın basınç kabı ve dev beton sızdırmazlık muhafazası (koruma kabuğu) gibi yapıların MSR’de daha küçük boyutlarda veya basitleştirilmiş şekilde yapılabileceği öngörülmektedir
. Aynı şekilde, yüksek basınca dayanıklı acil soğutma sistemleri yerine yerçekimiyle çalışan pasif acil durum tankları kullanmak, sistem tasarımını sadeleştirebilir. MSR’lerin modüler tasarıma uygun olması da hedeflenmektedir; yani fabrikada ön üretim yapılıp sahada kısa sürede montaj imkânı, inşaat süresini ve maliyetini düşürebilir. Eğer bu varsayımlar gerçekleşirse, uzun vadede toryumlu MSR santrallerinin birim kurulum maliyetleri mevcut nükleer santrallerden daha düşük olabilir. Örneğin Kanada’daki Terrestrial Energy firmasının belirttiği üzere, ~200 MWe’lik modüler bir MSR santralinin <1 milyar USD maliyetle kurulabileceği ve böylece elektrik üretim maliyetinin rekabetçi seviyelere çekilebileceği öngörülmektedir
. Bu tür projeksiyonlar, özel sektörün de ilgisini çekmekte ve bazı prototiplerin “bankable” (finanse edilebilir) projeler olabileceği ifade edilmektedir
.
Toryum MSR’lerinin yaygınlaştırılması için ilk etapta gereken yatırımların büyüklüğü, ülkelerin bu teknolojiyi stratejik bir hedef olarak görüp görmemesine bağlı olacaktır. Çin, ABD, Kanada gibi ülkeler AR-GE safhasına ciddi fonlar ayırmaktadır. Örneğin Çin’in 2 MW_t prototipi için devlet desteğiyle yüz milyonlarca dolarlık bütçe ayrılmıştır. Benzer şekilde ABD’de Advanced Reactor Demonstration Program kapsamında bazı MSR tasarımları fonlanmaktadır. İlk ticari demonstrasyon reaktörlerinin başarılı olması halinde, özel sektör yatırımlarının da devreye girmesi beklenir. Nihayetinde seri üretim ve geniş ölçekli yaygınlaşma gerçekleşirse, öğrenme eğrisi etkisiyle maliyetlerin önemli ölçüde düşmesi öngörülmektedir. Örneğin havacılık endüstrisinde veya rüzgar türbini sektöründe görülen maliyet düşüşleri, yeterli üretim hacmi yakalanırsa nükleer reaktörlerde de mümkün olabilir.
İlginç bir karşılaştırma olarak, 1970’lerde Oak Ridge’li araştırmacılar tarafından yapılan bir ekonomik analiz, toryum yakıtlı bir MSR santralinin olgunlaşmış tasarımının üretim maliyetlerini hesaplamıştır. 1000 MWe net elektrik gücündeki bir MSR’nin, “n’inci-of-a-kind” (yani öğrenme eğrisini tamamlamış, seri üretime geçmiş) durumda elektrik maliyetinin yaklaşık 3,8 cent/kWh olacağı öngörülmüştür. Bu çalışma kapsamında aynı dönem ve şartlar için geleneksel bir basınçlı su reaktörünün maliyeti ~4,1 cent/kWh, kömürle çalışan bir termik santralin ise ~4,2 cent/kWh hesaplanmıştır
. Sonuç olarak MSR, kağıt üzerindeki hesaplarda hem nükleer hem de fosil rakiplerine karşı ekonomik bulunmuştur. Elbette bu hesaplar, o dönemin varsayımlarına dayalı teorik sonuçlardır. Günümüz şartlarında bu maliyet avantajının gerçekleşip gerçekleşmeyeceği, teknolojinin olgunlaşmasıyla yapılacak güncel analizlerle netleşecektir.
İşletme ve Yakıt Maliyetleri
Bir nükleer santralin işletme maliyetleri içinde yakıt giderleri, fosil yakıtlara kıyasla genelde ikinci plandadır. Özellikle uranyum yakıtlı reaktörlerde, toplam elektrik maliyetinin büyük kısmını sermaye amortismanı oluştururken yakıt maliyetinin payı daha düşüktür
. Toryum yakıtlı reaktörlerde de benzer bir durum beklenir, ancak toryumun bazı ekstra avantajları vardır. Yukarıda belirtildiği gibi toryum hammaddesi oldukça ucuz olduğundan, yakıt maliyeti ihmal edilebilecek kadar düşüktür. Uranyum yakıt çevriminde maliyeti artıran zenginleştirme süreci, toryum döngüsünde yoktur (^{233}U üretimi reaktör içinde gerçekleşir). Ayrıca toryum reaktörleri çalışmaya başladıktan sonra dış yakıt alım ihtiyacı asgariye iner; reaktör kendi yakıtını üretir hale gelir. Bir hesaplamaya göre, 1 GWe gücündeki bir eriyik tuz reaktörünü işletmek için gereken toryum yakıtının bedeli yıllık sadece 60-100 bin dolar civarında kalmaktadır
. Bu durum, yakıt tedarikinin hem güvenli hem de ekonomik olduğunu gösterir.
Bununla birlikte, MSR tiplerinde işletme sürecine entegre kimyasal işleme üniteleri bulunduğundan, yakıt çevrim maliyetine bazı ek kalemler dahil olur. Örneğin reaktör çalışırken belli aralıklarla küçük bir akım halinde yakıt tuzu kimyasal işlemden geçirilip tekrar reaktöre verilir. Bu esnada kullanılan kimyasallar, filtre sistemleri, atık ayırma süreçleri vb. işletme maliyeti yaratacaktır. Ancak bu süreç, reaktörün ayrılmaz bir parçası olarak tasarlandığından, insan müdahalesi minimal olacak şekilde otomatik ve sürekli işleyen bir tesis şeklinde düşünülmektedir. Dolayısıyla ek maliyet, daha çok sermaye yatırımının bir uzantısı olup, işletme giderlerine çok büyük bir yük bindirmemesi beklenir. Yakıt kullanım verimliliğinin yüksek olması sayesinde, uzun vadede yakıt tedariği ve atık yakma maliyetlerinde de tasarruf sağlanacaktır.
İşletme maliyetlerinde bir diğer önemli kalem, reaktörün kapasite faktörü ve bakım planlamasıdır. MSR’lerin teorik bir avantajı, çevrimiçi yakıt yükleme sayesinde sık duruş gerektirmeden uzun süre çalışabilmeleridir. Örneğin LWR tipi reaktörler 12-18 ayda bir yakıt değiştirmek için dururken, MSR’de bu işlem sürekli yapıldığından reaktörün durmasına gerek kalmaz. Bu da yıllık enerji üretimini artırabilir ve gelir tarafını olumlu etkiler. Öte yandan, MSR’lerin malzeme bakım ihtiyaçları henüz belirsizdir; korozyon veya malzeme yorulması nedeniyle öngörülmedik bakım duruşları olması olasılığı vardır. Bu konular, pilot reaktörlerin işletilmesiyle netlik kazanacaktır.
Güvenlik ve Atık Yönetimi Maliyetleri
Güvenlik, nükleer santraller için vazgeçilmez bir maliyet unsurudur. MSR teknolojisi, yukarıda değinildiği gibi bazı güvenlik avantajları sunsa da, lisanslama ve güvence açısından belirli yatırımlar gerektirir. Örneğin, her ne kadar MSR kendi içsel güvenlik özelliklerine sahip olsa da, reaktörün etrafında radyasyon sızmasını önleyecek bir biyolojik koruma (kalın beton duvarlar) inşa edilmelidir. Bu kalın beton yapılar, suyla dolu basınçlı kaplara kıyasla daha düşük standartlarda olsa bile, yine de reaktör boyutuna orantılı önemli bir maliyet kalemidir
. Bununla birlikte, MSR’de büyük bir acil soğutma sistemi veya dizel jeneratör destekli aktif güvenlik ekipmanları olmayabileceği için, bu alanlarda tasarruf sağlanabilir. Tasarımcılara göre, MSR tesislerinin güvenliği daha çok pasif sistemlerle ve kimyasal proses kontrolleriyle sağlanacaktır ki bu da işletme sırasında daha az insan müdahalesi ve daha düşük hata riski anlamına gelir.
Nükleer atık yönetimi ise, toryumlu reaktörlerin uzun vadeli avantajlarından biridir, ancak kısa vadede bunun için de altyapı yatırımı gereklidir. Bir MSR işletilirken, belirli aralıklarla reaktörden çekilecek fisyon ürünleri konsantresi için tesis bünyesinde depolama ve soğutma alanları planlanmalıdır. Bu yüksek seviyeli atık, reaktörden alındıktan sonra muhtemelen camlaştırılarak veya seramik matrislere emdirilerek kararlı hale getirilecek ve daha sonra nihai depolama için bekletilecektir. Toryum MSR atığının hacmi, geleneksel reaktörlerin kullandığı yakıta kıyasla daha düşük olacaktır; zira yakıt sürekli dönüştürüldüğü için aynı enerji üretimi için daha az taze yakıt harcanır. Ayrıca transuranik element içeriği çok düşük olacağı için, atığın saflık derecesi yüksek olacaktır (daha homojen, yalnızca fisyon ürünlerinden oluşan bir atık). Bu, atığın işlenmesini ve ileride belki yakıt olarak tekrar kullanılmasını kolaylaştırabilir (örneğin bazı fisyon ürünleri, hızlı reaktörlerde yakılarak yok edilebilir veya değerli izotoplar ayrılabilir). Ancak günümüz teknolojisinde, MSR atıkları için de sonuçta jeolojik depolama öngörülmektedir. Bu atıkların en tehlikeli dönemleri ilk birkaç yüzyıldır; bu süre boyunca güvenli bir şekilde muhafaza edilip soğutulduktan sonra radyoaktivitedeki düşüş hızlanacaktır
.
Uzun vadeli perspektifte, toryum reaktörlerinin atık yönetimi maliyetleri, uranyum yakıtlı reaktörlere göre daha düşük olabilir. Çünkü jeolojik depo gerektiren radyoaktif unsurların ısı ve radyasyon üretme süresi daha kısadır. Örneğin, klasik bir nükleer atık deposu on binlerce yıl güvenlik garantisi isterken, toryum reaktörü atıkları için birkaç yüzyıl sonra radyoaktivitenin doğal seviyelere inmesi beklenir
. Bu da depolama tesislerinin tasarım ömrünü ve izleme süresini kısaltabilir, dolayısıyla maliyet tasarrufu sağlayabilir. Yine de, bu avantajlardan yararlanmak için toryum yakıtının tam çevrimle (aktinit geri kazanımı ile) kullanılması idealdir. Aksi takdirde, az miktarda da olsa transuranik atık üretimi olacak ve depolama gereksinimi devam edecektir
.
Güvenlik ve atık yönetimiyle ilgili bir diğer boyut da sigorta ve sorumluluk maliyetleridir. Nükleer santrallerde olası bir kazanın ekonomik sorumluluğu büyük olduğundan, işletmeci şirketlerin sigorta maliyetleri de yüksektir. MSR’lerin teorik güvenlik profili daha iyi olsa bile, pratikte ispatlanana kadar sigorta şirketleri benzer primler uygulayacaktır. Dolayısıyla ilk toryum reaktörlerinin ekonomik performansı değerlendirilirken, bu tür gizli maliyet kalemlerini de hesaba katmak gereklidir.
Sonuç ve Değerlendirme
Hem Türkiye hem de dünya için toryum, potansiyel olarak çok değerli bir uzun vadeli enerji kaynağıdır. Türkiye’nin büyük toryum rezervleri, uygun teknolojiler geliştirildiği takdirde, ülkenin enerji arz güvenliğine ve ithal yakıta bağımlılığın azaltılmasına katkı sağlayabilir. Dünya genelinde de toryum bolluğu, sürdürülebilir bir nükleer yakıt döngüsü kurulması halinde, yüzlerce yıl yetecek bir kaynak sunmaktadır. Özellikle eriyik tuz reaktörleri (MSR) teknolojisi, toryumun verimli ve güvenli biçimde enerji üretiminde kullanılmasının anahtarı olarak görülmektedir. Bu reaktörler, geleneksel nükleer santrallere kıyasla daha güvenli işletim, daha az atık ve daha yüksek yakıt verimliliği gibi avantajlar vadediyor.
Bununla birlikte, toryum ekonomisinin hayata geçirilmesi önünde hatırı sayılır engeller de mevcuttur. MSR teknolojisi halen geliştirme ve demo aşamasındadır; malzeme dayanımı, online yakıt işleme, radyasyon kontrolü gibi alanlarda çözülmesi gereken problemler vardır
. Ayrıca ilk uygulamalar için ciddi sermaye yatırımları gerekecektir ve bu yatırımların geri dönüşü, teknolojinin başarısına ve benimsenme hızına bağlı olacaktır. Regülasyon boyutunda ise, uluslararası standartların oluşturulması ve kamuoyunun yeni nesil nükleer teknolojilere ikna edilmesi gerekecektir.
Önümüzdeki on yılda, Çin’in ve diğer ülkelerin yapacağı prototip MSR denemeleri, toryumun enerji üretimindeki rolünü netleştirecek. Eğer beklenen başarı sağlanırsa, 2030’lardan itibaren dünyada toryum bazlı reaktörlerin inşasına başlanabilir. Bu senaryoda Türkiye de kendi toryum rezervlerini değerlendirmek üzere benzer projelere girişebilir. Sonuç olarak, toryum ve MSR teknolojisi, günümüz için değil belki ama yarınlar için enerji portföyünde önemli bir yer edinebilir. Yapılan araştırmalar, toryum yakıt döngüsünün teknik olarak mümkün ve potansiyel olarak ekonomik olabileceğini gösteriyor
; geriye kalan, bunu pratiğe dökecek siyasi irade, AR-GE sürekliliği ve uluslararası iş birliğini sağlamaktır. Eğer bu koşullar sağlanabilirse, toryum 21. yüzyılın temiz, güvenli ve sürdürülebilir enerji çözümlerinden biri haline gelebilir.
Kaynaklar:
-
IAEA & OECD NEA, Uranium 2016: Resources, Production and Demand (Red Book) – Dünya toryum kaynak tahminleri
-
World Nuclear Association, Thorium – Toryum kaynakları ve yakıt döngüsü üzerine bilgiler
-
GRS gGmbH, Nuclear Energy in Turkey (2023) – Türkiye’nin toryum stratejisi ve Gen-IV MSR planları
-
FİGES A.Ş., Rare Earth Elements – Eskişehir Beylikova toryum ve nadir toprak rezervleri raporu
-
IAEA News, Thorium’s Long-Term Potential in Nuclear Energy (2023) – Çin’in deneysel toryum MSR projesi ve uluslararası ilgi
-
World Nuclear Association, Molten Salt Reactors and Thorium – MSR teknolojisi, avantajları ve zorlukları
-
Ithy.com, Thorium Reactor Development: Costs and Timeframes – Toryum reaktörlerinin sermaye ve yakıt maliyet analizi
-
R. W. Moir, Cost of Electricity from Molten Salt Reactors (Nuclear Technology, 2002) – MSR ve PWR ekonomik karşılaştırma çalışması
-
NucNet, Terrestrial Energy IMSR cost and performance – Özel sektör MSR projesi (IMSR) hedef maliyetleri
