NİKEL BAZLI SÜPER ALAŞIMLAR ERGİMİŞ TORYUM TUZLU REAKTÖRLERDE KULLANILABİLİR

Toryumlu reaktörlerde enerji üreten kazan içindeki yapı malzemelerinin, kazanın kendisinin nötronlarla etkileşmesi çok önemlidir. Buna malzemelerin nötron ekonomisi denir. Sistemde fazla nötron yutucu ergimiş toryum tuzları istenmez. Kazan da fazla nötron yutucu malzemeden yapılmamalıdır. Güç üretici sistemde büyük basınçlar yoktur. Atmosferden biraz daha az basınçlar kullanırsanız radyasyon dışarıya çıkmaz, sistem içinde kalır. 750-800^oC ısı fisyondan kazan içinde elde edilir. Bununla da elektrik elde edilir. Bunun için yapı malzemelerinin içinde, mikro-strüktür değişimler nelerdir? Ne gibi olaylar olmaktadır? Malzeme nötron akısı altında çatlama yapar mı? Hava kabarcığına sebep olur mu? Kırılgan olur mu? Plastik deformasyona uğrar mı? İnce yapısı değişir mi? Kaynak (1)’de Prof.Alnıak ve Prof.Bedir, P/M Rene 95 referans malzemesi üzerinde, 1050, 1075 ve 1100^oC sıcaklıklarda plastik deformasyonları, mikro-yapısal değişiklikleri ayrı ayrı incelemişlerdir.

Nikel bazlı süper alaşımlar yüksek sıcaklığa dayanıklı, sert ve korozyona dayanıklı malzemelerdir(2-4). Plastik deformasyon olayı çok karmaşıktır. Malzemenin son fiziksel özelliklerinin optimizasyonu buna bağlıdır. Malzemenin sıcaklık ve radyasyon altında geçirdiği mikro-yapı değişiklikleri sertleşme (WH), dinamik değişiklikler (DRV) ve dinamik tekrardan kristalleşme (DRX) sıcak deformasyon sırasında olur. DRX çok önemli bir mekanizmadır, malzemenin mekanik özelliklerini kuvvetlendirir. DRX aynı zamanda malzemede dinamik yumuşama da sağlar. Dinamik grain growth, klasik superplastisite ve dinamik rekristalizasyon önemlidir.

Rene 95 alaşımının nelerden meydana geldiği aşağıdaki Tablo 1’de gösterilmiştir. Dikkat edilecek olursa kükürt ve fosfor çok az miktarda bulunmaktadır. Güç reaktörlerinde kalpte kullanılan paslanmaz çelik aksamında (mesela 316, 3165 paslanmaz çeliklerinde)da kükürt ve fosfor çok az bulunur. Karbonun ne kadar kritik olduğunu daha önce belirtmiştim. Hem ergimiş tuz toryum reaktörlerinde, hem de konsantre güneş gücü ile çalışan (CSP) reaktörlerde nitrat tuzlarının kullanılması 600^o C üstüne çıkıldığında bozulma ve parçalanma gösterdiklerinden MSR tatbikatlarında diğer tuzların kullanılması tavsiye edilir.

Tablo 1-Chemical Composition of the Commercially Procured Rene 95 Powder (Wt.%)

C	Mn	Si	Cr	Ni	Co	Fe	Mo	W
0.059	0.03	0.02	13.18	Bal.	7.60	0.09	3.48	3.38
Nb	Ti	Al	B	Zr	S	P	O	N
3.39	2.59	3.44	0.012	0.05	0.001	0.003	84 ppm	26 ppm

Bitirmeden önce siz değerli okuyucularıma son zamanlarda öğrendiğim bir bilgiyi paylaşmak isterim. İş adamısınız ve silindirik bir şekilde kazan yaptırmak üzere Almanya’ya gidiyorsunuz. Çelik şu boyutlarda şu basınca şu sıcaklığa dayanıklı olmasını istiyorsunuz. Alman otoriteleri size çok kısa zamanda, içinde krom, nikel, demirli daha tam 40 katkı maddesi katılmış siparişi size teslim ediyorlar. Bu katkı malzemelerinin sistem içinde hepsinin ayrı vazifeleri var. (Rene 95’te biz sadece 18 katkı malzemesinden bahsetmiştik.) Bazı ergimiş toryum reaktörlerinde kazan nikel zengin MONICR’dan yapılmıştır.

KAYNAKLAR

1.      Strain Rate and high temperature effects on the dynamic behaviours of P/M Rene 95 under HIP conditions, M.Oktay Alnıak, Fevzi Bedir. 23 Ekim 2017 Piri Reis Üniversitesi, İleri Teknolojiler V.Çalıştayı, Tuzla, İstanbul.

2.      Pollock, T.M. and Tin, S(2006) J.Propul.Power 22, 361-374.

3.      Reed, R.C. (2006) The Super alloys, Cambridge Univ.Press.

4.      Donachie, J.M.J. and Donachie, S.J. (2002) A Technical Guide, ASM International.

 Doç.Dr.Çetin ERTEK

22.02.2020

SOL-GEL METODUNU KULLANARAK THORIA BAZLI INERT MATRIX YAKIT ELEMANI İMALATI

Çekmece Nükleer Araştırma ve Eğitim Merkezi’mizde I.Özdemir, A.Yaylı ve I.Özbek adlı kıymetli araştırmacılarımız, dünyada birkaç laboratuvar tarafından yapılan Inert Matrix Yakıt Elemanı İmalatı’nı büyük bir başarı ile gerçekleştirmiş bulunmaktadır. Nükleer güç reaktörleri için uranyum yetmediği takdirde devreye toryum girebilir. Dünyada uranyumun üç katı toryum bulunmaktadır. 880.000 ton toryum rezervimiz ile toryumda dünyada ikinciyiz. Toryumlu reaktörler nükleer atığı çok azaltırlar. Atığın %84’ü radyo-aktivite bakımından stabildir, kararlıdır. (Klaassen, F.C.Schram R.P.C, Bakker, K., Neeft, E.A.C., 2003, Spinell Inert Matrix fuel testing at the HFR Petten, In:Nuclear Fuel Cycle and Fuel Materials, Nuclear Energy Agency of the OECD, 75 Paris, France pp 549-558) Thoria based inert matrix yakıtlar çok verimli bir şekilde plutonyum ve minor aktinitleri yakar. %70-80 plutonyumu yakar, halbuki MOX (miks okride yakıtlar) %20-30’unu yakabilir. Nükleer teknolojide sol-gel metodu, yakıt peletleri yapımında homojen yapı elde edilebilmesi bakımından çok uygundur. Toryum oksit atık minimizasyonu bakımından çok faydalı bir matrikstir. (Hubert S., Barthelet, K., et.al Influence of precursor and the calcination temperature on the dissolution of thorium di oxide J.Nucl.Matter 297, 206-213)

IMF yakıtlarının yanma oranı çok yüksektir (higher burn-up). Bu tip yakıtlar fazla plutonyumu ve MA’ları minor aktinitleri (Americium, Neptunium ve Curium’u) (Am, Np, Cm) dönüştürürler. Nükleer silahlardan plutonyumu alıp, bu tip reaktörlerde yakmak olasıdır. (Matzke, Hj. 1999, Inert matrix fuels to reduce the radiotoxicity of nuclear waste in: Annual Meeting of the Argentine Association of Nuclear Technology (AANT) Buenos, Argentina)

IMF (Inert Matrix Fuels) materyal parçaları yüksek ergime sıcaklığı, yüksek termal iletkenlik, düşük termal genişleme kompatibilitesi gibi iyi termal kapasiteye sahiptir. (Grover, V., Tyagi, A.K., 2008 Inert Matrix Fuels: materials for futuristic nuclear reactors, BARC News. 267, 160-164)

ThO₂ ve IMF’nin sinterlemedeki davranışlarında, komponent materyallerin (Ce, Al, Mg) sinter aktif dopant etkiler thoria’ya nazaran kendini gösterir. Cerium ilavesi sinterlenmeye yardım eder. (Pinheiro, R.B., Lameiras, F.S., Peehs, M., Maly, V., 1988. Thorium Utilisation in LWRS. Final Report (1979-1988), KFA Jül-Spez 488, g.152) Yakıtlarda inert matrix kullanımı, sonuçta kullanılmış yakıttan plutonyumun çok zor alınmasından dolayı teröristlerin işini çok zorlaştırdığı için yapılmaktadır.

Sonuçlar şu şekilde özetlenebilir.

1.       Peletlerin sol-gel metodu ile yapılması uygun bir yol olarak görülmektedir.

2.       Sol-gel yapım tozları iyi mekanik özelliklere sahiptir ve homojendirler.

3.       1973^oK sıcaklık ve 4 saatlik sinterleme inert matris yakıt yapımı için uygundur, iyi grain yapısı göstermektedir ve porosite oranı kafidir.

4.       Bütün katkı elemanları (CeO₂, MgO ve Al₂O₃) ThO₂ matriksi içinde çözünebilir.

5.       Th matrisinde katı solüsyon oluştuğu bulundu.

6.       Uygun elementler ilavesi ile kompozisyonun porositesi istenilen kıvama getirilebilir.

7.       CeO₂’in ilavesi toryumdioksidin sinterlenme kabiliyetini arttırır.

15.02.2020

Doç.Dr.Çetin ERTEK

SENELER ÖNCE BOĞAZİÇİ ÜNİVERSİTESİ’NDE SCIENTIFIC SEKRETERİN BAŞINA GELENLER

 “Katı Hal Fiziği ve Endüstrideki Tatbikatları” adı altında dünyanın en güzel manzaralı Boğaziçi konferans salonlarında, 13-15 gün süren çok güzel bir yaz okulu. Sene 1973 mü desem 1974 mü desem? Rahmetli Erdal İnönü’nün ve fizik bölümünün kıymetli ekibi tarafından her zaman olduğu gibi mükemmel bir organizasyon. Erdal Bey’in yardımı ile ben de katılmak imkanını buldum. Konferanslar, makaleler harıl harıl ilerlerken yaz okulunun sonuna doğru İngiliz mi, İskoç mu bir ilim adamı, atom reaktörlerinde nükleer çubukların zırhlanmasında kullanılan 316 ve S316 paslanmaz çeliklerin içyapısını anlatmıştı. Fosfor ve kükürt son derecede zararlıydı. Çelikteki karbon miktarı da son derecede kritikti. Bunun miktarlarını, etkilerini gösteren çok değerli bilgiler vermişti. Karbon miktarı, örnek olarak yüzde 0.059’dan 0.032’ye düşürülse radyo-aktif çubuk, boyuna ve enine genişlemelerle içinde boşluklar yaratarak sisteme büyük baş ağrılarına sebep olabilirdi. Bunun için metaller içindeki karbonun yüzde miktarları, sonraki çalışmalarımdan anladığıma göre sodyum atomları, TR-I araştırma reaktöründe, 10 dakika kadar nötronlarla ışınlandığı takdirde, pozitronyum denilen, yarı ömrü çok kısa olan içi boş bir atom inşaa edilerek ölçülebilir. Bu özel atomda pozitron ve elektron birbirine çarpmadan bir daire üzerinde dönerler.

Bu ilginç atomun yarı ömrü 10^-12 saniye mertebesindedir ve ölçülecek çelik içindeki karbon miktarına çok hassastır. Tahribatsız metodla ölçülen miktar yüzde 0,059’dan daha aşağı veya daha yukarı olmamalıdır.

Yine yaz okuluna dönecek olursak, konuşmacı bu çok önemli bilgilerini bize tek tek anlattı. Toplantıdan sonra kitap hazırlığı başladı. Bizim ilmi sekreter (scientific secretary) hepsiyle temas ederek makalelerinin son halini kendisine gönderilmesini istedi. Bu hep böyle yapılır. Fakat bizim ilim adamı makalesini göndermeyeceğini bildirdi. Herşey internette var diyen arkadaşlarımızın kulağına yağmayan kar suyunu kaçıralım. Teknolojide bu işin kurdu olmuş büyüklerimiz derler ki “açık literatürde öğrendikleriniz için %30’udur, işin püf noktalarının %70’i o kurumların kendi iç raporlarında kalır.” Enerji üretmek istiyorsanız yaptığınız deneylerle işe A’dan Z’ye hakim olmanız gerekir. Aldığınız güç reaktörünün kritik çelik kısımlarında bulunan karbon miktarını tahribatsız olarak nasıl ölçersiniz? Örnek gönderirlerse, o örneğin kullanılmış malzeme ile aynı olduğuna nasıl ikna olabilirsiniz?

İlk tip kalp pilleri uranyumdan yapılırdı. Uranyum 238’in yarı ömrü 10³⁸ yıl diyelim, kalbe takılacak küçücük elektronik bir düzenek uranyum 238’den çıkan + yüklü alfa parçacıklarını kullanarak devre tamamlanabilir. (Toryumla da yapabilirsiniz, o da alfa parçacıkları verir.) Elinizde kalem şeklinde bir alet olsun. Kalemin kurşun tarafı mesela nikelden olsun. Orta kısmı herhangi bir izolasyon malzemesinden yapılmış olsun. En dış kısmında da çelik bir tüp bulunsun. Bu kalemi araştırma reaktörünün içine yerleştiriniz. +, - uçlarından çıkardığınız iki teli bir voltmetreye bağlayınız. Alet üzerinden 30-40 milivoltu derhal ölçersiniz. Reaktörde bol miktarda bulunan nötronlar nikel içine girerler. Beta parçacıkları çıkar. Bunlar hızlı elektronlardır. Devreyi kapatırlar. Kalibre edilirse nötron akısı, yani saniyede 1 cm kareden her yöne geçen nötronların sayısı derhal bulunur. buna self-powered neutron dedektörü denir. Kendinden güç çıkaran nötron dedektörü. Elektronik devrelerde sadece elektronlar dönmeyebilir. Alfa parçacıkları da beta parçacıkları da dönebilir. Gelelim otomotiv sanayiine: Boranda, borda dünya birincisiyiz. Elektrikle çalışan oto yaptınız, diyelim akümülatörünüz çabuk bitiyor. Küçük bir sistem yapıp elde ettiğiniz hidrojeni, protonu küçük bir ¹¹B levhası üzerine düşürerek (p+¹¹B๲Bà3 tane alfa) parçacığı toplam 12 MeV’luk enerji açığa çıkarır. Akümülatörde doping etkisi yapar. Bu çok küçük sistemlerden 1000 tanesi ile nötronsuz elektrik gücü elde etmek mümkündür. Soruyorum: Kötü müfredat programları ile değerli gençlerimizden bu hakikatler, ilk, orta, lise, üniversite, master ve doktorada, liseler arası proje yarışmalarında daha ne kadar zaman gizlenecek? (Borda dünya birincisiyiz, toryumda dünya ikincisiyiz.)

Doç.Dr.Çetin ERTEK

07.02.2020

ENERJİ SEKTÖRÜ, ATMOSFERİMİZİN YÜZDE ELLİSİNDEN FAZLASININ KARBONDİOKSİT İLE KİRLENMESİNE SEBEP OLUYOR

Fosil yakıtlar, global olarak primer enejinin %80’ini oluşturuyor (1,2). Fosil yakıtların yanması hava kirlenmesine sebep oluyor, takriben bugün 300 milyon çocuğun yaşadığı alanlardaki hava kirliliği, uluslararası müsaade edilebilen miktarın 6 katı fazla(2). Bu kirlenme halkın sağlığı için çok önemli sonuçlara sebep olduğu gibi çevre için de çok zararlıdır. Bu husustaki çok geniş rapor, Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) tarafından yayınlanmıştır(3). Nükleer güç santrallarının bacasından karbondioksit atılmaz, su buharı atılır. Halen dünya elektrik enerjisi talebinin yaklaşık %64’ü termik, %19’u hidrolik, %17’si ise nükleer santrallerden sağlanmaktadır. Dünya Enerji Konseyi’nin raporlarına göre, mevcut enerji kaynakları en verimli ve en az kayıplarla kullanılsa bile 2020 yılına kadar (1990) yılına kıyasla en az %50 artacak. Özellikle gelişmekte olan ülkelerde nüfus artışına paralel olarak enerji talebinde artış olacak. Örneğin Asya kıtasında enerji talebinin %150 oranında artacağı öngörülmektedir(4). Nükleer santraller, iklim değişikliğine, asit yağmurlarına ve ozon tabakasının incelmesine sebep olan gazların çevreye yayılmasına yol açmaz. Su kaynaklarına etkileri:  nükleer santrallerin işletilmesi, deniz, göl ve nehirleri kirletmemektedir. Termik santrallerde olduğu gibi suları asitlendirmesine neden olan kimyasal maddeler yoktur. Sistemden çıkan radyoaktivite seviyesi ise uluslararası standartlara göre belirlenen limitlerin %1’inden daha düşük seviyelerde sınırlandırılır. Arazi kullanımı: nükleer santraller arazi kullanımı yönünden hem termik hem hidrolik santrallerden hem de güneş ve rüzgar gibi enerji kaynaklarından daha üstündür. Nehirlere set çekilmesi, geniş arazilerin su altında kalma riski, tarihi eserlerin gömülmesi, biyolojik çeşitliliğin bozulması gibi sorunları yoktur. Ayrıca enerji talebinin en yoğun olduğu bölgelerde inşaa edilebilirler. 1000 MW gücünde bir santralin kurulabilmesi için gerekli arazi: Hidro-elektrikte 500-1000 km², fosilde 1 km²-4 km², nükleerde 1 km²-4 km², biyo-kütlede 4000 km²-6000 km², voto-voltaik 25 km²-60 km², rüzgarda 50 km²-150 km²’dir.

2013 yılı itibariyle dünyada 6 milyar 800 milyon araba var. Senede 2 milyar ton karbondioksit havaya atılıyor. Bu da küresel ısınmada korkunç rol oynuyor. Yakın bir zamanda araba miktarı dünyada ikiye katlanacak, havaya atılan karbondioksit senede 6 milyar tonu bulacak. 2100 yılında insanlar nefes almada müthiş zorluk çekecekler. Bugün Amerika’da 310 milyon Amerikalı yaşamakta, solunum yolları tahrişi artıyor.

Bio-kütle yakarak elektrik elde edilmesi sırasında havaya kitle parçacıkları ve karbondioksit atılır. Buna rağmen bu teknik, düşük karbon üreten sistemler içine alınmıştır.

Çok kıymetli arkadaşım Prof.Dr. Şarman Gençay “Bilindiği üzere CO₂ üretmeksizin enerji üretmenin ender yollarından biri elektrik enerjisini üreten nükleer santrallerden üretmektir. Ayrıca, üretim güneş ve rüzgar santrallarinde olduğu gibi kesintili değildir. Bu nedenle nükleer enerjinin geleceği iklim değişikliği ile yakından ilgilidir ve bu mücadelenin en önemli elemanıdır. Ayrıca imalatçı ülkelerin politikası alıcı ülkelerde enerji konusunda bağımlılık yaratacak yöne evrilmekte ve bu tutum genel bir politik bağımlılığa olanak sağlayan düzeye ulaşabilmektedir. Bu nedenle, satıcı ülke ve firmaların nükleer santral satışını arttırma gayretleri arasında siyasi etkenleri de aramak gerekir” diyor. Paris Anlaşması öncesi iklim değişikliğine karşı koymak için seçilen hedef  2100 yılında 2.7^oc  artış sınırlaması ortaya koymuştu. Hedef  sonra 2^oC’a hatta 1.5^oC’a indirildi. Halen 500 g/kWh_e değerine düşürülmesi gerekmektedir. İklim değişikliğine engel olmak için konulan CO₂ salınım hedeflerini 2050’den sonra nükleer enerji olmaksızın tutturmaya imkan yoktur. (Ş.Gençay, The Future Nuclear Energy in a Carbon-constrained World, MIT Study, 2018). 2060 yılından sonra 1 g/kWh_e CO₂ salınım değeri için nükleer santral bulunmayan bir sistemin ortalama sistem üretim fiyatı en az %100 daha fazla ve kurulu gücün değeri ise beş kat daha fazla olabilecektir. (Almanya’nın kritik yılları olacağı anlaşılmaktadır.)

Nükleer reaktörler dünya elektrik enerjisinin %17’sini üretmeseydi acaba atmosferimize atılacak olan CO₂ miktarı ne kadar olurdu? Yaklaşık 445 atom reaktörü 60 yıl boyunca havaya CO₂ vermeyecekti, vermedi. Bunlar yerine kömür santralleri olsaydı milyarlarca ve milyarlarca ton CO₂ bugün atmosferimizde ilaveten iklimimizi değiştiriyor olacaktı.

KAYNAKLAR

1.      Our World in Data “Global carbon dioxide emissions by sector” UN Food and Agricultural Organization (FAO), 2018.

2.      F. Perera, Pollution from fossile fuel combustion is the Leading Environmental Threat to Global Pediatric Health and Equity: Solutions Exists, Int.Journal of Environmental Research and Public Health, Vol.15, No.1 pp.1-16, 2018.

3.      IPCC Global Warning of 1.5 C, 2018.

4.      Gül Göktepe, Bilim ve Ütopya Ocak 2005 sayı 127, sayfa 54.

Doç.Dr.Çetin ERTEK

08.01.2020

DÜNYA NÜKLEER ÜNİVERSİTESİ’NDEN (VII)

ÇALIŞAN İNSAN GÜCÜ

Çalışma uluslararasıdır, uzun vadeli çalışmalardır, yüksek teknolojiyi içerirler.

1.      Nükleer enerji birçok alanda kaliteli fırsatlar sağlar.

2.      Endüstri, uluslararası tahsil programları sunar, yeni elemanlar yetiştirir. Gelişmekte olan ülkelerin ihtiyaçlarını giderir.

DESTEKLEYİCİ HAKİKATLER

1.      Kanada’nın nükleer endüstrisi, uranyum madenciliğinde nükleer güç elde edilmesinde ve nükleer tıbbın ilerlemesinde 60.000’den fazla ödemesi yüksek iş imkanları sağlıyor.

1.      Rusya’nın Milli Nükleer Araştırma Üniversitesi’nin 11 araştırma enstitüsü var, 15 kolejle birlikte çalışıyor. Amerika, Avrupa ve Asya ile koordinasyon halinde.

Doç.Dr.Çetin ERTEK

01.02.2020