Çift akışkanlı reaktörlerin nötronik analizi
Neutronic analysis of dual fluid reactors
Yazar: SEMRA DAYDAŞ
Danışman: DOÇ. DR. ALİ TİFTİKÇİ
Sinop Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Nükleer Enerji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences ; Nükleer Mühendislik = Nuclear Engineering
Dizin: Nükleer enerji = Nuclear energy ; Nükleer reaksiyonlar = Nuclear reactions ; Nükleer santraller = Nuclear plants

Özet:
Bu çalışmanın amacı, Çift Akışkanlı Reaktör (DFR) tasarımları olan DFRs ve DFRm konseptlerinde 
farklı yakıt ve malzemeler kullanılarak reaktörlerin nötronik davranışlarını incelemektir. Bu amaçla, 
DFRs konsepti için ThCl4-PuCl3 ve NaCl-ThCl4-PuCl3 yakıt tuzları önerilmiş, ayrıca (silisyum 
karbür) SiC yakıt tüpü geometrisi değiştirilmiş ve reaktörde (itriyum hidrat) YH1,85 ve (magnezyom 
oksit-berilyum oksit) MgO-BeO malzemeleri varlığında reaktörün nötronik davranışları analiz 
edilmiştir. Yakıt tüpüne 0,05 cm kalınlıkta YH1,85 eklenerek termal DFRs reaktörü elde edilmiştir. 
Burada önerilen yakıtların ömrünü artırmak ve yakıt yeniden işleme sürecini basitleştirmek 
amacıyla ThCl4-PuCl3 blanketi önerilmiştir. Sonuçlar, ThCl4-PuCl3 blanketinin yakıt ömrünü 
uzattığını ve pozitif sıcaklık katsayılarına ulaşıldığını göstermiştir. Bu blanketin yakıt ömrü 
üzerindeki etkisi göz önüne alınarak, gelecekte negatif sıcaklık katsayısına sahip kompozisyonlar 
optimize edilebilir. DFRm konseptinde ise, U-Cr yerine daha düşük erime sıcaklığına sahip U-Mn ve 
U-Fe yakıtları önerilmiştir. Sonuç olarak U-Mn yakıtı U-Cr yakıtı ile çok benzer davranış 
sergilemiştir. Böylece U-Mn yakıtı kullanarak DFRm reaktörünün çalışma sıcaklık aralığı 
genişletilerek U-Cr yakıtında elde edilen yakıt ömrüne ulaşılmıştır. U-Fe yakıt ise düşük fisil içeriği 
ile daha kısa yakıt döngüsü ömrü sağlasa da sıcaklık katsayılarının negatif olması sayesinde 
referans DFRm için potansiyel bir aday olarak değerlendirilmiştir. Bunlara ek olarak DFRm'de SiC 
malzemesi yerine MgO-BeO seramik yavaşlatıcı malzemesinin davranışları incelenmiştir. MgO
BeO, nötronik açıdan SiC ile çok benzer davranış gösterse de U-Fe yakıtı kullanıldığı durumda 
yavaşlatıcı katsayısı YDB'de pozitif elde edilmiştir. MgO-BeO malzemesinin termal iletkenlik 
katsayısının SiC'dan düşük olması da göz önünde bulundurulduğunda her iki yakıt için yakıt tüpü 
olarak SiC kullanılması önerilmektedir. Sonuç olarak, DFRm konsepti yüksek güç yoğunluğu, uzun 
yakıt ömrü ve kompakt yapısıyla mikro reaktör tasarımı için umut vaat etmektedir. Elde edilen 
bulgular, yakıt ve blanket kompozisyonlarının optimizasyonu için temel sağlayabilir.

Abstract:
The aim of this study is to investigate the neutronic behavior of reactors in the Dual Fluid 
Reactor (DFR) designs, specifically the DFRs and DFRm concepts, using various fuels and 
materials. For the DFRs concept, ThCl4-PuCl3 and NaCl-ThCl4-PuCl3 fuel salts have been 
proposed. Additionally, the geometry of the silicon carbide (SiC) fuel tube has been modified, 
and the reactor's neutronic behavior has been analyzed with yttrium hydride (YH1.85) and 
magnesium oxide-beryllium oxide (MgO-BeO) materials. A thermal DFRs reactor has been 
achieved by adding 0.05 cm thick YH1.85 to the fuel tube. To extend the fuel lifespan and 
simplify the fuel reprocessing process, a ThCl4-PuCl3 blanket has been proposed. The results 
show that the ThCl4-PuCl3 blanket prolongs fuel life and achieves positive temperature 
coefficients. Future optimization of compositions with negative temperature coefficients may be 
possible. In the DFRm concept, U-Mn and U-Fe fuels with lower melting points have been 
suggested instead of U-Cr. U-Mn fuel exhibits similar behavior to U-Cr fuel, thereby extending 
the operating temperature range of the DFRm reactor and achieving the same fuel lifespan as 
with U-Cr fuel. Although U-Fe fuel results in a shorter fuel cycle life due to its lower fissile 
content, its negative temperature coefficients make it a potential candidate for reference DFRm 
reactors. Additionally, the behavior of MgO-BeO ceramic moderator materials has been 
examined as a replacement for SiC in DFRm. While MgO-BeO shows similar neutronic 
behavior to SiC, it has a positive moderator coefficient in BOL when using U-Fe fuel. Given its 
lower thermal conductivity compared to SiC, SiC is recommended as the fuel tube material for 
both fuels. Overall, the DFRm concept shows promise for micro reactor design due to its high 
power density, long fuel life, and compact structure. The findings provide a basis for optimizing 
fuel and blanket compositions.