Toryum, uranyum ve kullanılmış yakıt trıso partikülleri ile yüklenmiş hızlandırıcı sürücülü sistemin yakıt dönüşümü ve hidrojen üretim potansiyelinin araştırılması
Investigation of hydrogen production and nuclear fuel transmutation potentials of ads loaded with thorium, uranium and spent fuel triso particles
Yazar: GİZEM BAKIR
Danışman: PROF. DR. HÜSEYİN YAPICI ; DOÇ. DR. GAMZE GENÇ
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2016
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Bu tez çalışmasında, helyum gaz soğutuculu yarı küresel bir Hızlandırıcı Sürücülü Sistemde, (HSS) nükleer yakıt dönüşümü ile enerji üretimi analiz edilmiştir ve başka bir helyum gaz soğutuculu silindirik HSS'nin güç düzgünleştirilmesi ve zamana bağlı nötronik analizleri yapılmıştır. Her iki HSS'de, yakıt olarak, toryum dioksitle ile birlikte uranyum dioksit veya PWR-MOX kullanılmış yakıtı kullanılmıştır. Bu yakıtlar, TRISO yakıt partikülleri şeklinde olup, on binlerce bu TRISO yakıt partikülleri, karbon matris yakıt çakıllarına gömülmüştür. Yarı küresel HSS'de, hedef malzeme olarak 3 farklı malzeme kullanıldı. Bunlar; saf kurşun–bizmut ötektik (LBE), LBE+doğal UO2 ve LBE+%15 zenginleştirilmiş UO2'dir. Silindirik HSS'de ise, sadece LBE kullanıldı. Her iki HSS'de, hedef malzemesi 1000 MeV'lik protonun sürekli ışımasına maruz kalmaktadır. Nötronik hesaplamalarda, yüksek enerjili Monte Carlo MCNPX 2.7 kodu LA150 kütüphanesi ile birlikte kullanılmıştır. Zamana bağlı yanma hesaplamaları, 1000 MW'lık fisyon termal gücü için, BURN card kullanılarak yapılmıştır. Sayısal sonuçlarda, ele alınan her iki HSS'nin, toryumdan faydalanma ile birlikte kullanılmış yakıt dönüşümü, enerji üretimi ve fisil yakıt üretimi açısından oldukça yüksek nötronik verilere sahip olduğu görüldü. Bununla birlikte, silindirik HSS'nin yakıt korunda neredeyse üniform güç yoğunluk profilleri elde edilmiştir.
Ayrıca, bu tez çalışmasında HSS'lerin nükleer hidrojen üretim potansiyeli araştırılmıştır. Hidrojen üretim metotları olarak; buhar metan reformasyonu, sülfür-İyot çevrimi, yüksek sıcaklıklı elektroliz ve bakır-klorür çevrimi ele alınmıştır. Beklenildiği gibi, analiz sonuçlarında, hidrojen üretim miktarı açısından en iyi metodun buhar metan reformasyonu olduğu görüldü. HSS'lerin termal enerjisi, elektrik üretimi yerine hidrojen üretimi için kullanıldığı zaman, tesis veriminin, hidrojen üretim yöntemlerine bağlı olarak %10-%40 arttığı görüldü.

Abstract:
In this thesis, nuclear fuel transmutation and energy production are analyzed in a helium gas cooled semi-spherical accelerator-driven system (ADS), and power flattening and time-dependent neutronic analysis of another helium gas cooled cylindrical ADS are performed. Thorium dioxide together with uranium dioxide or PWR-MOX spent fuel is used in both ADSs as fuel. The fuels are in the shape of TRISO fuel particles and tens of thousands of these TRISO fuel particles are embedded in the carbon matrix fuel pebbles. In the semi-spherical ADS, three different material compositions, namely, pure lead–bismuth eutectic (LBE), LBE+natural UO2 and LBE+15% enrichment UO2, are used as target material. As for the cylindrical ADS, only pure LBE is used.  In both ADSs, the target is exposed to the continuous beams of 1000 MeV protons. The high-energy Monte Carlo code MCNPX 2.7 with the LA150 library is used for the neutronic calculations. Time-dependent burn-up calculations are carried out for thermal fission power (Pth) of 1000 MW using the BURN card. The numerical outcomes show that the both examined ADSs have quite high neutronic data in terms of the spent fuel transmutation with thorium utilization, energy production and fissile fuel breeding. In addition to these, quasi-uniform power density profiles in the fuel core of the cylindrical ADS are obtained.
Furthermore, in this thesis, nuclear hydrogen production potentials of ADSs are analyzed. Steam-methane reforming, sulphur-iodine cycle, high temperature electrolyses and copper-chlorine cycle methods are examined for hydrogen production. As expected, the analysis results bring out that the best method is steam-methane reforming in terms of hydrogen production amount. When the thermal energy of ADSs is used to produce hydrogen instead of electric, the plant efficiency increases about 10% to 40% depending on the hydrogen production method.