Derin Okuma — In-Situ Lici Uran

Kırmızı kumun altındaki görünmez fabrika

Güney Kazakistan'ın uçsuz bucaksız bozkırında, toprağın üstünde neredeyse hiçbir şey yok. Cılız çalılar, rüzgarda savrulan toz ve kilometrelerce uzanan boşluk. Yerin yüz ila üç yüz metre altında ise kumtaşı taneleri arasına sıkışmış, gözle görülmeyecek kadar dağınık uranyum mineralleri uyuyor. Tesis binaları yok, devasa açık ocak çukurları yok, pasa yığınları yok. Sadece beton bir platform üzerinde, birbirinden belirli aralıklarla dizilmiş, sıradan petrol kuyusu başlıklarını andıran vana grupları var. Çapları on beş santimetreyi geçmeyen borular toprağın içine dalıyor bu vanalardan.

Üstten bakılınca her şey bir petrol sahası zannedilebilir. Oysa burada akan sıvı petrol değil, içine sülfürik asit ve oksijen karıştırılmış yeraltı suyu. Borulardan geri dönen sıvı ise uranyum yüklü bir tuzlu su. Madencilik tarihinin en tuhaf üretim biçimlerinden biri işte böyle çalışıyor. Cevheri yerinden kıpırdatmadan, onu sıvılaştırarak.

Bir demlik çayın anlattıkları

In-situ liç işleminin mantığını kavramanın en kestirme yolu mutfaktaki demlikten geçiyor. Çay poşetini fincandaki sıcak suya daldırdığınızda, su yavaş yavaş poşetin içine sızar, çay yapraklarındaki çözünebilir bileşenleri alır ve fincanda karakteristik kahverengi renk belirir. Yaprakları fincandan çıkarmanız gerekmez, zaten poşetin içinde hapsolmuşlardır. In-situ liçte uranyum yatağı çay poşetinin ta kendisidir. Kimyasal katkılı su kuyulardan aşağı pompalanır, uranyumca zengin kumtaşı tabakasının gözeneklerinde yol alır, mineral tanelerini saran uranyum oksitleri çözer ve başka kuyulardan yukarı emilir. Katı cevheri fiziksel olarak kazımak, kırmak, öğütmek ve taşımak yerine sadece suyun çözücü gücüne güvenilir.

Yatağın geçirgenliği, çözelti kimyası ve hidrolik basınç dengesi doğru kurulduğunda süreç bir saat gibi işler. Yanlış kurulduğunda ise yeraltı suyu zehirlenmesinden verim kaybına kadar uzanan bir sorunlar zinciri açığa çıkar.

Kumtaşı labirentinde uranyum avı

Her kumtaşı formasyonu in-situ liçe uygun değildir. Sahip olması gereken ilk şart, uranyumun jeolojik olarak "roll front" adı verilen hilal biçimli ceplerde birikmiş olmasıdır. Roll front, milyonlarca yıl önce yeraltı sularının kumtaşı içinde sürüklediği çözünmüş uranyumun, indirgeyici bir ortamla karşılaştığında çökelmesiyle oluşur. İndirgeyici ortam genelde kömürleşmiş bitki kalıntıları veya pirit gibi sülfürlü minerallerden kaynaklanır. Çökelme sınırı, tipik olarak grimsi indirgenmiş kumtaşı ile kırmızımsı oksitlenmiş kumtaşı arasındaki geçiş kuşağında bulunur. Arayüzde uranyum tenörü metreküp başına birkaç kilogramı bulabilir.

Formasyonun geçirgenliği en az saniyede birkaç metre mertebesinde olmalıdır. Aksi takdirde çözelti yatak içinde zar zor ilerler ve ekonomik geri kazanım oranı anlamsız seviyelere düşer.

Kiltaşı veya şeyl gibi geçirimsiz katmanlar hem yatağın altında hem de üstünde mutlaka bulunmalıdır. Sızdırmazlık sağlayan bu doğal bariyerler, liç çözeltisinin komşu akiferlere kaçmasını önler ve operasyonun hidrolik olarak kontrol altında tutulabilmesini mümkün kılar. Kumtaşı gözenek çapı da kritik bir parametredir. Ortalama gözenek çapı on mikrometrenin altına düştüğünde, çözelti akışı ciddi basınç düşüşleriyle karşılaşır ve pompalama maliyeti katlanarak artar.

Buna karşılık gözenek çapı yüz mikrometrenin üzerine çıktığında, çözelti tercihli kanallardan akarak uranyumun sadece küçük bir kısmına temas eder. Jeologların ideal dediği bant aralığı, çoğunlukla on beş ila seksen mikrometre arasında salınır. Yatağın homojenliği de işin içine girer. Tabaka içinde ani geçirgenlik değişimleri çözeltinin bazı bölgelere hiç ulaşamamasına yol açar. Rezerv mühendisliği açısından bakıldığında, ISL operasyonu ancak yataktaki uranyumun yüzde altmış ila seksen beşine temas imkanı bulabildiğinde kendini amorti eder.

Asit, oksijen ve görünmez çözücüler

Uranyum yatakta dört değerlikli formda, genelde uraninit veya koffinit mineralleri halinde durur. Çözünürlüğü son derece düşük olan dört değerlikli uranyumu çözmek için önce altı değerlikli forma yükseltgemek gerekir. Devreye oksijen veya hidrojen peroksit girer. Yeraltına basılan çözeltideki oksitleyici ajan, mineral yüzeyindeki uranyumu U⁴⁺ formundan U⁶⁺ formuna çevirir. Altı değerlikli uranyum iyonu hemen ardından sülfat veya karbonat anyonlarıyla kompleks oluşturarak suda kalıcı hale gelir. Asidik liçte ana çözücü sülfürik asittir ve uranyum, uranil sülfat olarak bilinen UO₂(SO₄)₃⁴⁻ kompleksi şeklinde taşınır. Alkali liçte ise sodyum karbonat ve bikarbonat kullanılır, uranyum uranil trikarbonat, yani UO₂(CO₃)₃⁴⁻ formunda çözeltide kalır.

Asit ve alkali arasındaki tercih cevherin karbonat içeriğine bakar. Kalsiyum karbonat oranı yüzde iki buçuktan yüksek olan yataklarda asit kullanmak ekonomik intihardır. Sülfürik asit karbonatla reaksiyona girip alçıtaşı çökeltisine dönüşür, tüketim patlar ve gözenekler tıkanır. Alkali liç bu durumda kaçınılmaz rotadır, ama daha yavaş çalışır ve daha düşük geri kazanımla yetinmek zorunda kalır. Asidik liç operasyonlarında pH bir buçuk civarına kadar inmek sıradandır, sıcaklık kontrollü olmasa da yeraltındaki doğal ısı çoğu zaman on ile yirmi beş santigrat derece arasında seyreder ve reaksiyon kinetiğini belirler. Alkali sistemlerde pH dokuz buçuğun altına düşmemelidir, aksi halde karbonat dengesi bozulur ve uranyum yeniden çökelmeye başlar.

Verimi asıl belirleyen şey oksidan enjeksiyonunun zamanlamasıdır. Oksitleyici ajan yatağa ulaşıp dört değerlikli uranyumu çözdükçe, çözeltideki redoks potansiyeli dört yüz milivolttan altı yüz milivolta doğru tırmanır ve bu değişim üretim kuyusundaki sensörlerden anında okunur.

Yerin altındaki pompaların dansı

In-situ liçin kalbi kuyu düzeninde atar. Standart desen, bir merkezi enjeksiyon kuyusu ile dört köşe üretim kuyusundan oluşan "beş nokta" şablonudur. Enjeksiyon kuyusundan aşağı basılan çözelti radyal biçimde yayılır, uranyum yüklendikten sonra etraftaki üretim kuyuları tarafından emilir. Kuyular arası mesafe yirmi ila altmış metre arasında değişir, optimal değer ise yatağın geçirgenliğine ve uranyum tenörüne bağlıdır. Beş nokta deseni modüler olduğu için, yatağın tamamını taramak üzere yan yana ve üst üste tekrarlanabilir. Her modül bir "hücre" olarak işletilir ve sıvı dengesi hücre bazında sürekli takip edilir. Operasyon büyüdükçe hücreler bir petek gibi birbirine eklenir ve sahanın tamamı otuz ila iki yüz aktif hücre arasında döner.

Takip edilen birincil parametre, üretilen sıvı miktarının enjekte edilenden yüzde bir ila beş fazla olmasına yönelik "negatif bakiye"dir. Ekstra çekilen bu küçük miktar, çevre akiferden yatağa doğru bir hidrolik eğim yaratarak liç çözeltisinin maden sahası dışına kaçmasını imkansızlaştırır. Fark yüzde beşi aşarsa üretim kuyuları çevre akiferden aşırı seyrelme suyu çeker ve reçine kolonları boşuna yüklenir. Fark sıfıra iner veya pozitife dönerse liç çözeltisi dışarı taşma riskine girer. Operatör bu yüzde bir ila beş aralığını tutturamazsa, ya regülatörle ya da maliyet tablosuyla başı derde girer.

Her üretim kuyusunun başında bir akış ölçer ve iletkenlik sensörü vardır, veriler anlık olarak kontrol odasına akar. İletkenlikteki ani sıçrama liç çözeltisinin hedef bölgeye ulaştığının habercisidir. Sıcaklık ve pH verileriyle birleştiğinde, operatör hangi hücrenin ne zaman yükseltgenmeye başladığını ve ne kadar süredir aktif olduğunu aşağı yukarı tahmin edebilir. Bir hücrenin ömrü bir ila üç yıl arasında değişir. Hücrenin uranyum verimi ilk aylarda hızla yükselir, bir plato dönemine oturur ve ardından düşüşe geçer. Düşüşün başlangıcı, temas edilebilir uranyumun tükenmeye başladığının sinyalidir.

Kuyuların içindeki filtreler zamanla kum ve tortuyla tıkanır, formasyon içindeki akış yolları mineral çökelmeleriyle boğulur. Yılda birkaç kez yapılan asitle yıkama veya basınçlı hava ile temizleme bu tıkanıklıkları açar, ama her temizlik işlemi kuyunun toplam ömründen bir parça götürür.

Reçine tuzakları ve sarı pasta

Üretim kuyularından gelen sıvıya "pregnant solution" denir, litresinde çoğunlukla seksen ila yüz elli miligram arasında uranyum taşır. Sıvı sahada kurulu iyon değiştirme kolonlarına yönlendirilir. Kolonlar anyon değiştirici reçine tanecikleriyle doludur, tipik olarak kuaterner amonyum grubu taşıyan çapraz bağlı polistiren boncuklardır. Reçine, uranil sülfat veya uranil trikarbonat anyon komplekslerini yüksek seçicilikle tutar ve sodyum klorür çözeltisiyle sıyrılana kadar bırakmaz. Sıyırma işlemi sonunda uranyum konsantrasyonu on katına çıkar, çözelti litresinde on gram uranyum seviyesine ulaşır. Kolon başına saatte on ila yirmi metreküp sıvı işleyen tipik bir tesiste, bu reçine adımı yalnız başına toplam yatırım maliyetinin yaklaşık yüzde yirmisini oluşturur.

Sıyırmanın ardından çöktürme adımı başlar. Sıyrılmış zengin çözeltiye amonyak veya magnezyum hidroksit eklenerek pH yükseltilir, uranyum amonyum diuranat veya magnezyum diuranat olarak çöker. Sarı renkteki pasta. Sarı pasta diye bilinen bu malzeme. Bir filtre presten geçirilir ve ardından sekiz yüz santigrat dereceye yakın sıcaklıkta kalsine edilerek kararlı triuranyum oktoksite, yani U₃O₈ formuna dönüştürülür. Sürecin en kritik geri besleme halkası sıvı atığın yeniden kullanılmasıdır.

İyon değişiminden çıkan fakir çözelti, asit veya alkali konsantrasyonu yeniden ayarlanarak enjeksiyon kuyularına gönderilir. Kapalı çevrim çalışan tipik bir ISL tesisi, günde birkaç yüz metreküp taze su tüketir. Tüketimin bu kadar düşük olması, çöl bölgelerinde su kullanım hakları açısından operasyonu mümkün kılan temel unsurdur. Reçine ömrü ise üç yüz ila beş yüz sıyırma döngüsü arasındadır, dolduğunda partiküller yerine taze reçine şarjı yapılır ve eskisi rejenerasyon tesisine gönderilir.

Piyasa Hafızası - 1978 Teksas sızıntısı

1978 yılının Mart ayında, Teksas'ın güneyindeki Live Oak County bölgesinde küçük bir şirket tarafından işletilen deneysel bir in-situ liç sahasında, enjeksiyon çözeltisinin lisanslı üretim alanının dışına taştığı tespit edildi. Olayın fark edilmesi, sahaya yirmi kilometre mesafedeki sığ bir kuyudan su numunesi alan eyalet çevre teknisyeninin, litrede iki virgül sekiz miligram uranyum ölçmesiyle gerçekleşti. Normal arka plan değeri litrede yirmi mikrogram seviyesinde seyreden bir akifer için bu rakam yüz kırk katlık bir sıçrama demekti. Yapılan araştırma, enjeksiyon basıncının hapsedici şeyl tabakasının doğal kırılma eşiğini aştığını, hidrolik çatlaklar yoluyla tuzlu liç çözeltisinin üstteki sığ akiferle temas ettiğini ortaya koydu.

Sonuç, Birleşik Devletler Nükleer Düzenleme Komisyonu'nun (NRC) 1980'de ISL sahaları için katmanlar arası izleme kuyusu zorunluluğu getirmesi oldu. Yeni düzenleme, liç zonunun hemen üstünde ve altında en az ikişer adet gözlem kuyusu açılmasını, bu kuyulardan ayda iki kez numune alınıp pH ve iletkenlik ölçümlerinin raporlanmasını şart koştu. Teksas'taki meçhul operatörün basınç ayar hatası, bugün küresel ISL endüstrisinin hidrolik muhafaza protokolünün temel taşlarından biri olan "üst-izleme kuşağı" kavramını doğurdu.

Küçük Bir Hesap. Bir kilo sarı pastanın maliyet anatomisi

Sayılar temsili, mantık gerçek. Yılda bin ton uranyum üretim kapasiteli, asidik liç kullanan bir ISL sahasını ele alalım.

Şimdi duyarlılık twistini koyalım. Asit fiyatının ton başına yüz on dolardan yüz altmış ila yüz seksen dolar aralığına yükseldiği bir piyasada. Petrol rafinerilerinden sülfürik asit arzı daraldığında bu pekala mümkün. Asit tüketim kalemi yaklaşık iki virgül dokuz dolardan üç virgül beş dolara sıçrar. Toplam maliyet on altı dolar otuz sentten on altı dolar seksen iki sente tırmanır. İlk bakışta fark küçük görünür.

Ancak spot uranyum fiyatının kilogram başına yirmi iki dolar olduğu bir piyasada bu çap kadar artış, işletme kar marjını yaklaşık yüzde on daraltır. Bankanın fizibilite analizinde öz kaynak karlılığını yüzde on üçten yüzde sekize çekmeye yetecek bir değişimdir. ISL'de ilk bakışta önemsiz görünen kimyasal tedarik kontratları, aslında yatırımın bütün getiri mantığını yeniden yazabilecek bir kaldıraç taşır.

Çölün öğrettikleri

In-situ liç, madencilikle ilgili neredeyse bütün sezgileri tersine çevirir. Cevheri kazmak, taşımak ve kırmak zorunda kalmamak, ton başına maliyeti açık ocak işletmelerinde görülen kırk ila altmış dolar bandından on altı ila yirmi dolar aralığına indirir. Buna karşılık sürecin tamamı hidrolojik ve kimyasal disipline bağlıdır. Yatağın geçirgenliği beklenenden yüzde yirmi düşük çıkarsa, üretim hedefi ıskalanır ve saha bir daha asla tasarım kapasitesine ulaşamaz. Kuyu sahası yanlış aralıklarla döşenirse, uranyumun üçte biri yerinde kalır ve ruhsat iptaline kadar giden bir regülasyon süreci başlar.

Risk portföyünü açık ocak işletmesinden ayıran en büyük fark şudur. Açık ocakta risk mekanik ve lojistiktir. ISL'de ise risk temelden jeokimyasaldır. Yeraltında ne olup bittiğini görmeden, sadece kuyu başındaki enstrümanların anlattıklarına güvenerek karar vermek zorundasınız. Modeliniz yanlışsa, bunu aylar sonra üretim eğrisinin zirve yapması gereken anda düşüşe geçmesinden anlarsınız. Nükleer tedarik zincirinin bu sessiz omurgası, görünmez bir fabrikanın bütün disiplinini ve bütün kırılganlığını içinde taşır. Toprağın üstündeki bomboş arazide rüzgar eserken, yerin altında yüzlerce ton uranyum görünmez bir nehre dönüşür.