Pacer füzyon reaktöründe enerji ve hidrojen üretiminin incelenmesi
Investigation of energy and hydrogen production in pacer fusion reactor
Yazar: MEDİNE ÖZKAYA
Danışman: PROF. DR. ADEM ACIR
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Bu tez çalışmasında PACER füzyon reaktörüne hidrojen üretim tesisi entegre edilerek farklı
soğutucu akışkan (Eriyik tuz) ve soğutucu akışkana farklı oranlarda nükleer yakıt karıştırılarak
hidrojen üretim potansiyeli incelenmiştir. İlk çalışma da PACER füzyon reaktöründe hacimsel
olarak iki farklı mod belirlenmiştir. Mod ①: %25 eriyik tuz + ThF 4 , %75 boşluk ve mod ②: %50
eriyik tuz + ThF 4 , %50 boşluk olarak belirlenmiştir. Eriyik tuz +ThF 4 oranı ise %5 ThF 4 + %95 LiF, %10 ThF 4 + %90 LiF, %15 ThF 4 + %85 LiF, %20 ThF 4 + %80LiF, %25 ThF 4 +%75 LiF şeklinde
kullanılarak Monte Carlo yöntemi yardımı ile nötronik analizler yapılmıştır. Nötronik analizlerle
enerji çoğaltım faktörü (M) ve trityum üretim oranı (TBR) elde edilmiştir. PACER füzyon
reaktörüne entegre edilen hidrojen üretim tesisinde yüksek sıcaklıkta elektroliz (HTE), kükürt - iyot termokimyasal çevrimi (S-I) ve buhar-metan reformasyonunun (SMR) hidrojen üretim yöntemleri
kullanılmıştır. Nötronik analizlerle elde edilen M değerine bağlı olarak hidrojen üretim tesisinin
toplam termal gücü ), termal güç oranı (1-��) elde edilmiş ve tesiste üretilen hidrojen miktarı
hesaplanmıştır. En iyi hidrojen üretim sonucu mod ②'de soğutucu akışkana %25 ThF 4 nükleer yakıt
karışımında, SMR yönteminin üç reaksiyonlu SMR+WGS+MCS reaksiyonundan ~90 kg/s olarak hesaplanmıştır. İkinci çalışmada ise soğutucu bölgede kullanılan eriyik tuz Flibe (Li 2 BeF 4 ) içerisine üç farklı nükleer yakıt (ThF 4 , UF 4 +ThF 4 , UF 4 ) kullanılmıştır ve bu nükleer yakıtların her biri üç farklı oranda(%2, %6, %12) karıştırılmıştır. Bu parametrelerin tamamında 6 farklı 6 Li zenginleştirme (%7,5; %20, %40, %60, %80, %90) yapılarak bu oranın etkisi incelenmiştir. Bu veriler kullanılarak Monte Carlo yöntemi yardımı ile nötronik analizler yapılmış enerji çoğaltım
faktörü (M) ve trityum üretim oranı (TBR) elde edilmiştir. PACER füzyon reaktörüne demir-klorür
termokimyasal yöntemiyle (Fe-Cl) hidrojen üretimi yapılan tesisin toplam Termal gücü, termal güç
oranı ve hidrojen üretim miktarı hesaplanmıştır. Sonuç olarak ham soğutucu akışkana karıştırılan
nükleer yakıt türünün, hem yakıt oranının hem de 6 Li zenginleştirmenin hidrojen üretim miktarını
arttırdığı tespit edilmiştir. Sonuç olarak bu iki çalışma için ortak parametre belirlenerek dört farklı hidrojen üretim yöntemleriyle elde edilen hidrojen miktarı kıyaslanmış ve hidrojen üretim miktarı ~5,6 – ~88,3 olarak hesaplanmıştır. Elde edilen hidrojen verileri ekonomiklik açısından incelenmiş ve ~358 $/kg.yıl – ~83376 $/kg.yıl kazanç elde edilmiştir.

Abstract:
In this thesis study, the hydrogen production facility was integrated into the PACER fusion reactor and the hydrogen production potential was examined by mixing different coolant (molten salt) and nuclear fuel in different proportions into the coolant. In the first study, two different volumetric modes were determined in the PACER fusion reactor. Mod ①: 25% molten salt + ThF4, 75% void and mod ②: 50% molten salt + ThF4, 50% void; was determined as. The molten salt + ThF4 ratio was used as 5% ThF4 + 95% LiF, 10% ThF4 + 90% LiF, 15% ThF4 + 85% LiF, 20% ThF4 + 80% LiF, 25% ThF4 + 75% LiF, and neutron analyzes were carried out with the help of Monte Carlo method. Energy multiplication factor (M) and tritium breeding ratio (TBR) were obtained through neutronic analysis. Hydrogen production methods of high temperature electrolysis (HTE), sulfur iodine thermochemical cycle (S-I) and steam methane reforming (SMR) were used in the hydrogen production facility integrated into the PACER fusion reactor. Depending on the M value obtained by neutronic analysis, the total thermal power (P_hpf) and thermal power ratio (1-𝜓) of the hydrogen production facility were obtained and the amount of hydrogen produced (m ̇ ) in the facility was calculated. The best hydrogen production result was calculated as ~90kg/s from the three-reaction SMR+WGS+MCS reaction of the SMR method in a 25% ThF4 nuclear fuel mixture into the coolant in mode ②. In the second study, three different nuclear fuels (ThF4, UF4+ThF4, UF4) were used in the molten salt Flibe (Li2BeF4) used in the cooling zone, and each of these nuclear fuels was mixed at three different rates (2%, 6%, 12%). In all of these parameters, 6 different 6Li enrichments (7,5%, 20%, 40%, 60%, 80%, 90%) were made and the effect of this ratio was examined. Using these data, neutronic analyzes were carried out with the help of the Monte Carlo method, and the energy multiplication factor (M) and tritium breeding ratio (TBR) were obtained. The total thermal power (P_hpf), thermal power ratio (1-𝜓)  and hydrogen production amount (m ̇ ) of the facility, where hydrogen is produced by the iron-chloride thermochemical method (Fe-Cl) for the PACER fusion reactor, were calculated. As a result, it has been determined that the type of nuclear fuel mixed into the raw refrigerant increases the amount of hydrogen production, both the fuel ratio and the 6Li enrichment. As a result, the common parameter for these two studies was determined and the amount of hydrogen obtained by four different hydrogen production methods was compared and the hydrogen production amount was calculated as ~5.6 - ~88.3. The hydrogen data obtained was examined in terms of economy and a gain of ~358 $/kg.year – ~83376 $/kg.year was obtained.