Bir manyetik sıkıştırmalı füzyon reaktöründe farklı trityum üretim malzemelerinin performanslarının nötronik olarak incelenmesi
Neutronic investigation of different tritium breeding materials in a magnetic confined fusion reactor
Yazar: UĞUR ATALAY
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ GÜVEN TUNÇ
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Enerji = Energy ; Nükleer Mühendislik = Nuclear Engineering

Özet:
İnsanoğlunun enerji ihtiyacını karşılamak için 20. yüzyılın ikinci yarısından itibaren füzyon reaktörleri ile ilgili çalışmalar manyetik sıkıştırmalı füzyon reaktörleri üzerinde yoğunlaşarak devam etmektedir. D-T reaksiyonu ile çalışan ve bu reaktörlerin bir tipi olan tokamak reaktörlerine ait net füzyon gücü elde edilmesi, ticari olarak uygulanabilirliği, trityum üretiminin sürdürülebilirliği ve reaktör yapısal malzemelerinin seçimi konuları reaktörün hizmet verebilmesi açısından hayati öneme sahiptir. Ele alınan çalışmada, kompakt, güvenilir ve ticari olarak uygulanabilir bir kavramsal tokamak olan ARC reaktörü geometrisi uygulanmıştır. ARC reaktörü tabakaları D şekilli geometri olarak modellenip, OpenMC açık kaynak kodunda, yapısal malzemelerin ve tabakalarının nötronik performansları incelenmiştir. Bu kapsamda öncelikle, 2 farklı vakum kabı malzemesi (SiC kompozit ve V4Cr4Ti alaşımı), 4 farklı eriyik tuz çeşidi (FLiBe, FLiNaK, FLiNaBe, FLiNaRb) ve doğal Li ile 3 farklı Li-6 zenginleştirme oranlarında (%30, %60, %90) oluşturulan 32 farklı modelin trityum üretim oranı (TBR) değerleri araştırılmıştır. Ardından, TBR ≥ 1,05 olan 12 model için toksik etkisi bulunan berilyum elementinden oluşan nötron çoğaltma tabakası çıkarılarak reaktörde trityum üretiminin sürdürebilirliği incelenmiştir. Son kısımda ise, elde edilen modellerin vakum kabı iç-dış duvarları ile trityum üretimi tabakasındaki nötron akıları incelenmiştir. Tüm sonuçlar değerlendirildiğinde, TBR ≥ 1,05 şartının SiC kompozit vakum kabı malzemesinin kullanıldığı modellerde FLiBe eriyik tuzu ile sağlandığı; V4Cr4Ti vakum kabı malzemesinin kullanıldığı modellerde ise FLiBe ve FLiNaBe eriyik tuzları ile sağlandığı görülmüştür. Benzer şekilde, V4Cr4Ti vakum kabı malzemesinin kullanıldığı modellerde nötron çoğaltma tabakası çıkarıldığında TBR ≥1,05 şartı, FLiBe_NÇB_yok ve FLiNaBe_ NÇB_yok eriyik tuzları ile sağlandığı ortaya konulmuştur. Çalışma kapsamında incelenen tüm modellerde, plazmadan trityum üretim tabakasına doğru başlangıçta üretilen nötronların tabakaları geçtikçe moderasyona uğradığı görülmüştür

Abstract:
In order to meet the energy needs of mankind, studies on fusion reactors have been continuing since the second half of the 20th century, focusing on magnetic compression fusion reactors. Obtaining net fusion power, commercial applicability, sustainability of tritium production and selection of reactor structural materials of tokamak reactors, which operate with D-T reaction and are a type of these reactors, are of vital importance for the reactor to serve. ARC reactor geometry, which is a compact, reliable and commercially viable conceptual tokamak, is applied in the present study. ARC reactor layers were modeled as D-shaped geometry and neutronic performances of structural materials and layers were investigated in OpenMC open source code. In this context, first of all, 2 different vacuum vessel materials (SiC composite and V4Cr4Ti alloy), 4 different types of molten salt (FLiBe, FLiNaK, FLiNaBe, FLiNaRb) and natural Li and 3 different Li-6 enrichment rates (30%, 60%, %90), the tritium production ratio (TBR) values of 32 different models were investigated. Tritium production ratio (TBR) values of 32 different models created were investigated. Then, the sustainability of tritium production in the reactor was investigated by removing the neutron multiplication layer consisting of the toxic element beryllium for 12 models with TBR ≥ 1,05. In the last part, the neutron fluxes in the inner-outer walls of the vacuum vessel and the tritium breeding zone of the models obtained were investigated. When all the results are evaluated, it is seen that the TBR ≥ 1,05 condition is met with FLiBe molten salt in models using SiC composite vacuum cup material; In the models in which V4Cr4Ti vacuum cup material is used, it has been observed that it is provided with FLiBe and FLiNaBe molten salts. Similarly, in models using V4Cr4Ti vacuum cup material, when the neutron amplification layer is removed, TBR ≥1,05 condition is met with FLiBe_NÇB_yok ve FLiNaBe_ NÇB_yok molten salts. In all models examined within the scope of the study, it was observed that the initially produced neutrons from the plasma to the tritium production layer moderated as the layers passed.