Nükleer reaktörlerde kullanılan grafitin radyasyona dayanma ömrü, içindeki gözeneklerin boyut dağılımıyla doğrudan bağlantılı.
Bilim insanları, grafitin nükleer reaktörlerde maruz kaldığı radyasyona karşı gösterdiği davranışı etkileyen faktörleri daha iyi anlamaya yönelik önemli bir adım attı. Massachusetts Teknoloji Enstitüsü (MIT) araştırmacıları ve iş birliği yaptıkları ekip, grafitin gözenek boyutlarının, malzemenin radyasyon altında şişme ve büzülme davranışını doğrudan etkilediğini ortaya koydu. Bu bulgular, reaktörlerde kullanılan grafitin ömrünü daha doğru tahmin etmenin yolunu açabilir.
Grafit, özellikle dünyanın en eski nükleer reaktörlerinde ve günümüzde inşa edilen yeni nesil reaktör tasarımlarında önemli bir yapısal bileşen olarak kullanılıyor. Ancak radyasyona maruz kaldığında önce yoğunlaşıyor, hacmi küçülüyor ve ardından şişip çatlamaya başlıyor. Bu değişimlerin mekanizması uzun yıllardır araştırmalara rağmen tam olarak anlaşılamamıştı.
MIT araştırmacılarından Boris Khaykovich, “Amacımız grafitte şişmeye ve nihayetinde malzemenin bozulmasına yol açan mekanizmaları temel düzeyde anlamaktı” diyor. Khaykovich, araştırmanın endüstri için de bir ipucu sunduğunu belirterek, “Yüzlerce radyasyona maruz kalmış numuneyi bozmak yerine, malzemenin ömrünü tahmin etmek mümkün olabilir” açıklamasını yaptı.
Araştırmada grafitin gözenek yapısına özel bir önem verildi. MIT’den Lance Snead, “Nükleer grafitin ömrü, radyasyon nedeniyle meydana gelen şişmeye bağlıdır. Gözeneklilik bu şişmeyi kontrol eden en önemli faktördür. Grafitin nükleer uygulamalarda incelenmesi uzun bir geçmişe sahip olsa da, gözenekliliğin mekanik özellikler ve şişme üzerindeki etkisi hala tam olarak bilinmiyor” ifadelerini kullandı.
1942’de Chicago Üniversitesinde inşa edilen ilk nükleer reaktörden bu yana grafit, nükleer enerji üretiminde kritik bir rol oynuyor. Grafit, nötronları yavaşlatarak zincirleme reaksiyonların sürdürülmesine yardımcı oluyor. MIT ekibi, grafitin basit ama karmaşık yapısını şöyle açıklıyor: “Grafit sadece karbon atomlarından oluşuyor, ancak içinde daha kristal yapıda dolgu parçacıkları, daha az kristal yapıda bir bağlayıcı ve nanometrelerden mikronlara kadar değişen gözenekler var.”
Araştırmada Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı’ndan alınan radyasyona maruz kalmış grafit örnekleri incelendi. X-ışını saçılması yöntemiyle gözeneklerin boyutları ve yüzey alanları ölçülerek, malzemenin hacim değişimleri ile gözenek dağılımı arasındaki ilişki belirlendi. Sonuçlar, radyasyonun grafitin gözeneklerini önce doldurduğunu, ancak uzun süre maruz kalındığında malzemenin bazı yeni gözenekler oluşturup eski gözeneklerin genişlediğini gösterdi. Bu süreç, grafitte hafif bir iyileşmeye işaret eden “annealing” etkisi olarak tanımlandı.
Araştırmacılar, bu bulguların grafitin kullanım ömrünü tahmin etmek için önemli bir adım olduğunu söylüyor. Gelecekte farklı grafit türlerinin incelenmesi ve Weibull Dağılımı gibi istatistiksel yöntemlerle malzemenin ne zaman bozulacağına dair öngörülerin geliştirilmesi planlanıyor. Khaykovich, “Grafitin yoğunlaşması ve şişmesi henüz tam olarak nicel olarak modellenemiyor. Ancak gözenek yapısını anlamak, malzemenin davranışını öngörmemize yardımcı oluyor” diyor.
Araştırma, grafitin nükleer reaktörlerdeki kullanımını optimize etme ve daha güvenli, uzun ömürlü reaktör tasarımları geliştirme yolunda önemli bir adım olarak değerlendiriliyor. Khaykovich, “Detaylar önemlidir; özellikle reaktör inşa edilirken, grafit parçalarının hacim değişimleri ve termal iletkenlikteki değişimler bilinmek zorunda” diyerek çalışmanın endüstriye olan katkısını vurguladı.
Kaynak: MIT
