Nükleer enerji uygulamalarında kullanılabilecek nikel tabanlı bazı önemli alaşımların radyasyon zırhlama karakteristiklerinin belirlenmesi
Determination of radiation shielding characteristics of some essential nickel-based alloys that can be used in nuclear energy applications
Yazar: İBRAHİM ARSLAN
Danışman: DOÇ. DR. BÜNYAMİN ALIM
Bayburt Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı / Fizik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering ; Nükleer Mühendislik = Nuclear Engineering
Dizin: Nükleer fizik = Nuclear physics ; Nükleer radyasyon = Nuclear radiation

Özet:
Bu tez çalışmasında, geleneksel radyasyon zırhlama malzemelerinin yetersizliğinden dolayı nükleer enerji uygulamalarına entegre edilebilmek için optimal koşulları sağlayan yeni malzemelerin keşfine odaklanılmıştır. Bu kapsamda, Evanohm, Alloy 825, Haynes 230, Monel K-500 ve Monel 400 olarak adlandırılan beş farklı Ni-tabanlı alaşımın radyasyon zırhlama performansları ve karakteristik özellikleri araştırılmıştır. Bu alaşımların radyasyon zırhlama performanslarını belirlemek için, ilk olarak, foton-madde etkileşim parametreleri (MAC, LAC, HVL, MFP, ACS, ECS, Zeff, Neff, σeff ve RPE) 30-1333 keV enerji aralığında EDXRF tekniği kullanılarak deneysel olarak belirlenmiştir. Aynı zamanda, deneysel hataların belirlenmesi için bu parametreler Phy-X/PSD yazılımı kullanılarak teorik olarak da hesaplanmıştır. İkinci olarak, malzemelerin foton saçılma özellikleri hakkında bilgi veren Rinc/toplam, Zeq, EBF ve EABF parametreleri 0,015-15 MeV geniş enerji aralığında hesaplanmıştır. İncelenen alaşımların radyasyon zırhlama yetenekleri çelik-manyetit (SM) betonu ve Cupero-Nikel (CN) alaşımı ile karşılaştırılmıştır. Son olarak, elde edilen sonuçlara dayanılarak alaşımların fiziksel, kimyasal, mekanik, termal ve radyasyon zırhlama özellikleri birlikte değerlendirilerek nükleer enerji uygulamalarında kullanılabilecek en uygun alaşımın seçimi yapılmıştır. Araştırma sonucunda, incelenen malzemelerin radyasyon zırhlama performans sıralamaları Haynes 230>CN>Monel 400>Monel K-500>Evanohm>Alloy 825>SM olarak belirlenmiştir. Ayrıca, Haynes 230 alaşımın diğer alaşımlardan yaklaşık %40 daha fazla zırhlama performansı gösterdiği saptanmıştır. Bu sonuca ek olarak, Haynes 230 alaşımının incelenen diğer Ni-tabanlı alaşımlara göre daha iyi kırılma direncine (%<50), daha iyi gerilme direncine (860 MPa), daha iyi elastik modülüne (211 GPa), daha düşük termal iletkenliğe (23 0C'de 8,9 W.m-1.K-1), daha düşük özgül ısıya (23 0C'de 397 J.K-1.kg-1), daha büyük yoğunluğa (8,97 g/cm3), düşük termal genleşme katsayısına (20-150 0C'de 13x10-6 K-1) ve yüksek erime noktasına (~1350 0C) sahip olduğu belirlenmiştir. Böylece, Haynes 230 alaşımının taşıdığı bu üstün karakteristik özellikler ile nükleer uygulamalarda kullanılabilecek optimal özellikleri sağladığı gözlemlenmiştir. Bu sebeple, bu alaşımın nükleer uygulamalarda reaktör tasarımında yapı malzemesi olarak ve nükleer enerji santrallerinde ve diğer iyonize radyasyon uygulamalarında zırhlama malzemesi olarak kullanılabileceği sonucuna ulaşılmıştır.

Abstract:
In this thesis, it was focused on discovering new alternative materials that provide optimal conditions to be integrated into nuclear energy applications due to the insufficient properties of conventional radiation shielding materials. In this context, radiation shielding performances and characteristics properties of five different Ni-based alloys named Evanohm, Alloy 825, Haynes 230, Monel K-500 and Monel 400 were investigated. To determine the radiation shielding performances of these alloys, firstly, photon-matter interaction parameters (MAC, LAC, HVL, MFP, ACS, ECS, Zeff, Neff, σeff ve RPE) were experimentally determined using the EDXRF technique in the energy range of 30-1333 keV. At the same time, these parameters were also calculated theoretically using the Phy-X/PSD software to determine the experimental errors. Secondly, Rinc/toplam, Zeq, EBF and EABF parameters giving information about the photon scattering characteristics of the materials were calculated in the wide energy range of 0.015-15 MeV. The radiation shielding capabilities of the studied alloys were compared with steel-magnetite (SM) concrete and Cupero-Nickel (CN) alloy. Finally, based on the results obtained, the physical, chemical, mechanical, thermal and radiation shielding properties of the alloys were evaluated together and the most suitable alloy that could be used in nuclear energy applications was selected. As a result of the research, the radiation shielding performance orders of the examined materials were determined as Haynes 230>CN>Monel 400>Monel K-500>Evanohm>Alloy 825>SM. Moreover, it was determined that Haynes 230 alloy showed approximately 40% more shielding performance than other alloys. In addition to this result, it was determined that Haynes 230 alloy has better elongation at break (%<50), better tensile strength (860 MPa), better elastic modulus (211 GPa), lower thermal conductivity (8.9 W.m-1.K-1 at 23 0C), lower specific heat (397 J.K-1.kg-1 at 23 0C), greater density (8.97 g/cm3), low thermal expansion coefficient (13x10-6 K-1 at 20-150 0C) and high melting point (~1350 0C) than other investigated Ni-based alloys. Thus, it was observed that the Haynes 230 alloy meets the optimal properties that can be used in nuclear applications with these superior characteristics. Consequently, it has been concluded that this alloy can be used as a building material in reactor design in nuclear applications and as a shielding material in nuclear power plants and other ionizing radiation applications.