Türkiye farklı bölge kömürleri için radyoaktivitenin nükleer tekniklerle incelenmesi
Investigation of coal samples from different regions in Turkey by nuclear techniques
Yazar: OSMAN YÜCEHAN KUTLU
Danışman: YRD. DOÇ. DR. SEVİLAY HACIYAKUPOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Enerji Enstitüsü / Nükleer Araştırmalar Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Bu yüksek lisans tez çalışmasının amacı Türkiye de bulunan taşkömürü ve linyit kömürlerinde doğal radyoaktivite ve safsızlıkların analiz edilip, literatüre katkıda bulunması ve linyit ve taşkömürü kömürleri arasında doğal radyoaktif elementler ve safsızlıklar arasındaki farkın irdelenmesidir. Bu çalışmada Türkiye'nin çeşitli bölgelerinden toplanan taşkömürü ve linyit kömürü örnekleri kullanılmıştır.
Çalışma kapsamında; Soma İnbat, Tunçbilek, Dursunbey, Afşin Elbistan ve Zonguldak Kozlu kömür madeni ocaklarından çıkarılan ham kömür örnekleri toplanılmıştır. Toplanan bu örnekler iki farklı nükleer analiz tekniği ile incelenmiştir. Örneğin içindeki elementlerin tayini için X-ışını floresansı (XRF) spektrometresi  kullanılırken, doğal radyoaktivite ölçümleri için gama spektroskopisi sistemi kullanılmıştır. 
Düşük kalorili linyit ve yüksek kalorili Zonguldak taşkömürünün doğal radyoaktiviteleri ölçülmüş ve nükleer tekniklerle karakter analizleri yapılmıştır. Minör ve eser elementler Al, As, Ba, Br, Cd, Cr, Ce, Cu, Fe, K, Mn, Hg, Ni, S, Sb, Se, Si, Pb, Ti, U, Th, V, Zn örnek içinde olduğu düşünülen elementlerdir. Çeşitli malzemelerdeki doğal radyoaktiviteye neden olan radyonüklitlerin belirlenmesini sağlayan gamma spektroskopisi yönteminin kömürde uygulanmasıyla, kömür örneklerinin uranyum, toryum ve potasyumdan kaynaklı doğal radyoaktivitesinin karakterizasyonu ve XRF spektroskopisi ile de örneklerin içinde bulunan eser elementlerin karakterizasyonu yapılmıştır.
Kömür temel olarak organik maddeler, mineraller ve sudan oluşan çökelmiş bir kayaç tipidir. Bitki ve diğer organik maddelerin bataklık alanlarda birikmesi sonucu oluşan tabakaların değişime uğraması sonucu oluşmaktadır. Kömürler organik olgunluklarına göre linyit, altbitümlü kömür, bitümlü kömür ve antrasit tiplerine ayrılırlar. Bitümlü kömür tipleri taşkömürü olarak adlandırılmaktadır. 
Kömürün kullanımı ısı üretimi için basitçe yakılmasından, gaz/sıvı yakıtlar ve kimyasal hammadde için kopleks oksidasyona kadar pek çok alanda gerçekleşmektedir. Kömür yakımından elde edilen ısı önceleri evsel ihtiyaçlar için kullanılırken, endüstriyel devrimin başından 1950 lere kadar kömür endüstiryel uygulamalar ve ulaşım araçları için ana yakıt olarak kullanılmıştır. Yakıt olarak kullanılımın dışında, kömür yapım işlerinde ve endüstriyel ürünlerde gerekli olan maddelerin üretiminde de kullanılmaktadır. 
Kömürün kullanımı sonucunda çevreye ve insan sağlığına zararlı bazı elementler ortaya çıkar. Kullanılan kömürün içindeki elementlerin bilinmesi, insan sağlığı ve çevre açısından önemlidir. Ayrıca kömür içinde bulunan U-238, Th-232 ve K-40 elementleri sebebiyle belli bir miktar doğal radyoaktiviteye sahiptir. 
Doğada bulunan uranyum, toryum ve be elementlerin bozunum ürünleri ve potasyum doğal radyasyona sebep olurlar. Teknolinin gelişimi ile çeşitli tıbbi ve endüstriyel  uygulamalar nedeniyle yapay radyasyona maruz kalınmasına rağmen doğal kaynaklardan gelen radyasyon, insanoğlunun en çok maruz kaldığı radyasyon kaynağıdır. 
Çeşitli teknolojik uygulamaların kullanımı ile içerisinde doğal radyasyon kaynakları bulunan malzemelerin insanların yaşam alanlarının içinde veya yakınlarında yoğunlaşması ile, doğal radyasyon kaynaklarından alınan doz insan sağlığına etki edecek seviyelere gelebilir. Bu nedenle endüstriyel uygulamalarda kullanılan malzemelerin doğal radyoaktivitelerinin bilinmesi önemlidir. 
U-238, Th-232 ve K-40 izotoplarının karakteristik gama pikleri düşük seviyeli radyoaktivite ölçüm sisteminde ölçülmüştür. Ölçülen bu piklerden, U-238, Th-232 ve K-40 izotoplarının ayrı ayrı oluşturduğu aktiviteler hesaplanıp, kömür örneklerinin doğal radyoaktivileri bulunmuştur.
Doğal radyoaktivite ölçümleri için; toplanan kömür örnekleri öğütülüp silindirik kaplara ve marinelli kaplarına konularak 40 gün kadar bekletildikten sonra düşük seviyeli radyasyon ölçme laboratuvarında ölçülerek gama spektroskopik analizleri gerçekleştirilmiştir. Gamma spektroskopisi ölçümlerinde, geometri ve doğal ortam radyasyonundan kaynaklı hataların ölçüm sonuçlarına etkisi belirlenip, gerekli düzeltmeler yapılmıştır. Standard kaynaklar ile sistemin enerji kalibrasyonu yapıldıktan sonra sistemin verim eğrisi çıkarılarak uranyum, toryum ve potasyum radyonüklidlerinin ölçümlerindeki verim değerleri bulunmuştur.
Örnekler aynı zamanda enerji ayrımlı XRF sistemi ile analiz edilmiş, örnek içinde bulunan elementlerin konsantrasyonu belli bir hatayla tespit edilmiştir. Kömür içindeki doğaya ve insan yaşamına zararlı elementler tehlike değerlerine göre sınıflandırarak, örnek içindeki miktarları tablolar halinde verilmiştir.
Bu analizler Türkiye'de bulunan iki ana kömür çeşidi olan linyit ve taşkömürü kömürleri için yapılmıştır. Buna göree çevreye zararı yüksek As ve Pb elementleri tüm kömür örneklerinde eser olarak bulunurken, bir örnekte eser olarak Hg elementine rastlanılmıştır. 
Genel olarak, linyit örneklerinin doğal radyoaktivitelerinin taşkömürü örneklerine göre daha fazla olduğu gözlemlenmiştir. Th-232 kaynaklı aktivite örnekler arasında çok fazla farklılık göstermezken, K-40 aktivitesinin örnekler arasında büyük farka sahip olduğu görülmüştür. 
XRF sonuçları ve gama spektroskopisi sonuçları birlikte değerlendirildiğinde Uranyum, Toryum ve Potasyumun XRF tekniği ile elde edilen konsantrasyonları gama spektrumu analizlerinden elde edilen sonuçlar ile her zaman örtüşmediği dolayısıyla, doğal radyoaktivitenin yorumlanmasında XRF analizlerinden alınan verilerin yeterli olamayacağı sonucuna varılmıştır.

Abstract:
The aim of this master thesis study is to increase database about the natural radioactivity and trace elements in lignite and pit coals of Turkey and analyzing the natural radiactivity level and trace element concentration diffrences between lignite and pit coals. Numerous samples of lignite and pit coals from different regions of Turkey were used for this study.
On scope of this work; untreated coal samples  that  were taken from the coal mines of Soma İnbat, Tunçbilek, Dursunbey, Afşin Elbistan and Zonguldak Kozlu were collected and then these collected samples were analyzed with two different nuclear analysis techniques.  While, for finding the amount of trace elements that are presented in samples, energy dispersive X-ray fluorescence (EDXRF) spectrometer is used; for obtaining natural radioactivity of the coal samples gama spectroscopy system were used.
In this study; natural radioactivities of low calorie lignite coal and high calorie Zonguldak pit coal were measured and elemental analysis for these coals were carried out with nuclear techniques. Minor and trace elements; Al, As, Ba, Br, Cd, Cr, Ce, Cu, Fe, K Mn, Hg, Ni, S, Sb, Se, Si, Pb, Ti, U, Th, V, Zn considered as they can be present in the sample. With the usage of gama spectrometry analysis technique which enables detection of certain elements that cause the natural radioactivity, natural radioactivity of coal samples was characterized according to Uranium, Thorium and Potassium origins and by EDXRF spectrometer technique the concentrations of minor and trace elements were founded.
Basically, coal is a sedimentary organic rock which is composed of organic materials (mainly carbon), minerals and water. It is formed by plants and other organics which are accumulated between the layers of earth by the effects of pressure and heat. Coal is classified by the amount of organic materials in it. Lignite, subbituminous coal, bituminous coal and anthracite are the main types of this classification. Subbituminous and bituminous coals are also named as pit coal.
Besides the usage of coal for heat production by combustion, coal is also essential material for cement and steel production to complex oxidations for gas/liquid fuel production and chemical raw material producing. While heat from coal fuels were first used for domestic purposes, with the begining of industrial revolution till the 1950s coal was the main source of energy for industrial applications and transportation. And along from the usage as a fuel, coal is also widely used for production of construction materials and industrial raw materials.
Coal, is the one of the main sources of energy since it was first used as an energy source. Unfortunately, coal use may cause danger for environment and humans. Elements that are dangerous to environment and humans are released by coal usage. So knowing the elemental content of coal used is important for human health and environmental safety. Therefore contents of U-238, Th-232 and K-40 elements in the coal makes the coal, naturally radioactive.
The radionuclides from decay series of naturally occurring radioactive elements Uranium, Thorium and Potassium is the cause of the natural radioactivity. Within the increase in nuclear medicine applications and some industrial applications that are involved radiation, radiation from man made sources are starting to be a concern about radiation exposure, therefore exposure from natural radiation is still the biggest source of radiation exposure for mankind. 
These natural radioactive elements are usually present in low concentrations but human activities such as mining can enhance the amount of radioactive element content in certain places. Industrial wastes or by products enriched with radioactive elements found in nature and decay products of these elements such as radium and radon can be hazardous especially with inhalation and ingestion. Therefore natural radioactiviy of these materials that are used in activities leading to radioactive element enhancement must be known.
Natural radioactivity which consists from radioactivies of U-238, Th-232 and K-40 radionuclides were measured with gamma spectrometry system. Characteristic gamma ray peaks of these radionuclides were measured in low level counting system. Then the activity of each radionuclide were calculated from these measurements hence radioactivity of coal samples were identified.
Eight coal samples were collected from Soma İnbat, Tunçbilek, Dursunbey, Afşin Elbistan and Zonguldak Kozlu coal mines. These samples were investigated with two different nuclear analysis techniques. X-ray flouresans (XRF) spectrometry used for elemental anaysis whereas gamma ray spectroscopy system used for natural radioactivity analysis.
Collected coal samples were grinded and inserted into cylindrical and marinelli style containers. After 40 days of waiting time these containers were measured in low level radiation detection laboratory. Gamma spectroscopic analysis of samples were conducted with .GAMMA-VISION 32 spectrum analysis software. Geometry corrections and corrections from background radiation were applied to gamma spectrometry results. After energy and efficiency calibrations with known values of calculated activities of source standards, efficiency equation was found and efficiency values for Uranium, Thorium and Potassium detections were calculated.
These samples are also analyzed with a energy dispersive XRF system and element concentrations in the samples were found. Elements that are of some concern with respect to enviromental safety and health were classified according to their concern level and amount of these elements in samples were tabulated.
Scope of this research covers the two main coal types, lignite and pit coal, which are extracted in coal mining facilities and used in various fields like energy production, steel manufacturing and domestic heating in Turkey. According to analyses, trace amount of As and Pb elements which are high concern because of its environmental effects were found pit coal and lignite samples as a trace element, therefore another high concern element Hg was also founded in only one sample again in trace amounts.. Other hazardous elements like Se, B, Cd and Mo were not detected in both samples. 
In general, natural radioactivity of pit coal samples were found lower than the lignite coal samples. While variation of activities from Th-232 are not too much in samples, big variations has been seen at activities from K-40.
Also it can be seen that, if results of XRF and gamma spectroscopy assessed together, amounts of Uranium, Thorium and Potassium that are measured from XRF are not always in a good agreement with the results of gamma spectrometric measurements. Hence the XRF results alone is not enough for conclusion for natural radioactivity.