Alüminyum-bor karbür esaslı nanokompozit malzemelerin nötron zırhlama özelliklerinin incelenmesi
Investigation of the neutron shielding properties of aluminum-boron carbide based nanocomposite materials
Yazar: YASİN GAYLAN
Danışman: DOÇ. DR. BARIŞ AVAR
Zonguldak Bülent Ecevit Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Nanoteknoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering ; Nükleer Mühendislik = Nuclear Engineering

Özet:
Nötronlar, nükleer santraller, parçacık hızlandırıcıları, araştırma laboratuvarları, nötron görüntüleme, elemental analiz ve biyolojik uygulamalarda kullanılır ve yayılır. Nötron, tüm iyonize radyasyonlardan daha yüksek göreceli biyolojik etki ve doz ağırlık faktörüne sahip olduğundan nötron kullanılan/yayılan alanlarda çalışanları ve ekipmanları korumak için nötronların zırhlanması büyük önem taşımaktadır. Bu tez çalışmasında, Al-xB4C (x = 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50 ağ.%) ikili, Al-20B4C-(Gd, Gd2O3, Sm, Sm2O3) üçlü ve Al-20B4C-(Gd-Gd2O3, Sm-Sm2O3, Gd-Sm, Gd2O3-Sm2O3) dörtlü kompozitleri üretilmiştir. Çalışmamızda kompozitler mekanik alaşımlama yöntemi ile üretilip, üretilen tozlar tek eksenli soğuk pres ile pelet haline getirilmiştir. Elde edilen pelet malzemeler, 600 °C'de 1 saat boyunca ısıl işleme tabi tutulmuştur. Sinterlenen tüm kompozit malzemelerin mikrosertlikleri Vickers sertlik testi, korozyon ölçümleri oda sıcaklığında %3.5 NaCl solüsyonunda ölçülmüştür. Nötron zırh hesaplamalarında kullanılmak üzere, peletlerin bağıl yoğunlukları Arşimet prensibi ile ölçülmüştür. 
Üretilen kompozitlerin yapısal özellikleri, X-ışını toz kırınımı (XRD), taramalı elektron mikroskobu ve enerji dağılımlı X-ışını spektroskopisi (SEM-EDX) kullanılarak karakterize edilmiştir. Nötron zırhlama hesapları Monte Carlo simülasyonu ile hesaplanmış ve Am-Be nötron kaynağı kullanarak deneysel olarak ölçülmüştür. Simülasyon hesaplamalarında termal nötron enerjisi 0.0253 eV, hızlı nötron enerjisi deneysel ölçümler için kullandığımız Am-Be nötron kaynağının ortalama nötron enerjisi olan 4.5 MeV alınmıştır. Deneysel nötron zırh hesabı ortalama 4.5 MeV enerjili Am-Be nötron kaynağı ve bir BF3 detektör kullanılarak ölçülmüştür. Simülasyon ve deney sonuçlarının uyum içinde olduğu görülmüştür. Arşimet prensibi ile belirlenen bağıl yoğunluk sonuçlarına bağlı olarak en düşük mikrosertlik 36.5 HV ile Al-50B4C kompozitinde tespit edilmiştir. En düşük korozyon oranı 0.573 mm/yıl ile Al-10B4C kopozitinde, en yüksek korozyon oranı ise 6.81 mm/yıl ile Al-20B4C-(Gd-Gd2O3) kompozitinde görülmüştür. En yüksek hızlı nötron soğurma oranının Al-50B4C kompozitinde, en yüksek termal nötron soğurma oranının ise Al-20B4C-5Gd kompozitinde olduğu görülmüştür.

Abstract:
Neutrons are used and emitted in nuclear power plants, particle accelerators, research laboratories, neutron imaging, elemental analysis and biological applications. Since the neutron has a higher relative biological effect and dose weighting factor than all ionizing radiation, it is very important to shield neutrons to protect employees and equipment in areas where neutrons are used. In this thesis, Al-xB4C (x=5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50 wt.%), Al-20B4C-(Gd, Gd2O3, Sm, Sm2O3) and Al-20B4C-(Gd-Gd2O3, Sm-Sm2O3, Gd-Sm, Gd2O3-Sm2O3) composites are manufactured. In our study, mechanical alloying method was used for the production of composites. The powders produced were turned into pellets by uniaxial cold press. The obtained pellet materials were subjected to heat treatment at 600 °C for 1 hour. The microhardness of all sintered composite materials was determined by Vickers hardness test, corrosion measurements were determined at room temperature at 25 ± 2 ℃ in a 3.5% NaCl solution.  
The relative density of the pellets were calculated according to the Archimedes principle for use in neutron armor calculations. The composites produced were characterized using X-ray powder diffraction (XRD) measurements, scanning electron microscopy and energy-dispersive X-ray spectroscopy (SEM-EDX). Neutron shielding calculations were made both theoretically with Monte Carlo simulation and experimentally using an Am-Be neutron source. In the simulation calculations, the thermal neutron energy is 0.0253 eV and the fast neutron energy is 4.5 MeV, which is the average neutron energy of the Am-Be neutron source we use for experimental measurements. The experimental neutron armor calculation was measured using an Am-Be neutron source with an average energy of 4.5 MeV and a BF3 detector. It has been seen that the simulation and experiment results are in harmony. Based on the relative density results determined by Archimedes principle, the lowest microhardness was determined in Al-50B4C composite with 36.5 HV. The lowest corrosion rate was observed in Al-10B4C coposite with 0.573 mm/year and the highest corrosion rate was observed in Al-20B4C-(Gd-Gd2O3) composite with 6.81 mm/year. The highest fast neutron absorption rate was observed in Al-50B4C composite and the highest thermal neutron absorption rate was observed in Al-20B4C-5Gd composite.