Spallation Nötron Kaynağı

Spallation, bombardıman edilmiş bir çekirdeğin birçok parçacığa ayrıldığı bir nükleer reaksiyondur. “Bazı gökbilimciler güneş sisteminin, güneş çok genç bir yıldız iken spallation sonucu oluştuğuna inanmaktadır.

Spallation nötron kaynağı(SNK) ise hızlandırıcı tabanlı nötron kaynağıdır. SNK yapımı bittiğinde, bilimsel ve endüstriyel uygulamalar için dünyanın en yoğun darbeli nötron ışınlarını sağlayacaktır. Toplam 1.4 milyar dolara malolan sistemin yapımına  1999 da başlanmış, mayıs 2006 da ise inşaat tamamlanmıştır.

 

Nötron Saçılma Araştırmalarının Önemi:Birçok insanın bu konuda fazla bilgisi olmamasına rağmen nötron saçılma araştırmalarının günlük yaşantımızda birçok uygulama alanı vardır. Örneğin jetler, kredi kartları, hesap makineleri, cd ler, bilgisayar diskleri, magnetik kayıt cihazları, kırılmaya dayanıklı camlar, ayarlanabilir koltuklar, hava tahminlerinde kullanılan uydular, vb bunların hepsi nötron saçılma araştırmaları sonucu geliştirilmiştir.

Teknoloji ilerledikçe ihtiyacımız olan malzemeler konusunda taleplerimiz de artmaktadır. Elektronik cihazlarımız daha küçük ve daha hızlı parçalara ihtiyaç duymaktadır. Ticari ve askeri uçaklar ile uzay sondalarımız, daha az yakıt tüketerek daha hızlı gitmek için daha hafif ve güçlü alaşımlar istemektedir. Otomobiller daha yüksek sıcaklıkta, hafif alaşımlar ve plastikler kullanarak daha verimli yakıt kullanımını ve daha az çevreyi kirletmeyi istemektedir. Bilgisayarlar depolama kapasitelerini magnetik malzemeler kullanarak arttımaya gerek duymaktadır. Yeni yüksek sıcaklıklı süper-iletken malzemeler daha verimli motorlar ve güç iletimini vaadetmektedir.İlaç üreticileri ve genetik mühendisliğide tıpta devrim yapmak istemektedir. Nötron saçılma araştırmalarının tüm bu ve daha fazla araştırma  alanında  önemli bir rolü vardır.

SNK tesisinde, büyük bir hızlandırıcıdan gelen enerjik protonların bir cıva hedefi bombalaması sonucu  güçlü nötron ışınları üretilir. Protonlar cıva çekirdeklerini spallation denilen reaksiyon  sonucu uyarır. Bunun sonucunda nötron ışın demetleri açığa çıkar ve bu nötronlar nötron cihazlarına yönlendirilir. Bu gelişmiş cihazların kullanımı ile, yaklaşık 50 cihaz, bilimadamı ve mühendisler bazı tuhaf malzemelerin çok detaylı yapısal özelliklerini açığa çıkaracaklar.

 

Nötron nedir?: Nötron maddeyi oluşturan temel parçacıklardan birisidir. Bu yüksüz parçacık, 1932 yılında bulunmuştur. Çekirdekte pozitif yüklü eşi olan protonlarla birlikte bulunurlar. Evrende görünen maddenin yarıdan fazlası nötronlardan oluşur. Fakat, fiziksel ve biyolojik malzemelerin araştırılması için bu nötronların daha az  fakat daha parlak olanlarına gerek vardır.  Örneğin bir kitabı okumak için parlak ışığı loş ışığa tercih ederiz. Benzer şekilde araştırmacılar da daha parlak (yoğun) nötron kaynağını tercih eder. Bu nötronlar malzemenin oldukça detaylı resmini çeker ve moleküllerin hareketli filmini yapar. SNK bu parlak nötronları sağlayacaktır.  SNK her 17 saniyede bir nötron pulsları sağlayacaktır. Şu an mevcut olan nötron kaynaklarının en güçlüsünden 10 kat daha fazla nötron üretecektir. Hedef malzemeden saçılan nötron ışınları malzemenin yapı ve özelliklerini ortaya çıkaracaktır.

 

Çinko iyonları içeren (toplar) 2 insülin molekülü modeli: Nötron saçılma çalışması sonucu insülin molekülleri kristalize olduğunda çinko iyonlarını toplar. Bu ise insülinin yapısını açığa çıkartır.

 
Nötronların bazı özellikleri: Nötronlar hidrojen atomlarına duyarlıdır. Bu nedenle hidrojen atomlarının tam olarak bir yere yerleştirilmesinde kullanılabilirler. Bu durum yeni ilaçların dizaynında önemli olan moleküler yapının daha hassas olarak tespit edilmesini sağlar. Büyük biyolojik moleküller çok sayıda hidrojen atomu içerdikleri için,  bir biyomolekülün bir parçasını görebilmenin en iyi yolu izotop yerleştirmedir. (izotop substitution) Bu hidrojen atomlarının ağır hidrojen (döteryum) ile yerdeğiştirmesi ile yapılır. Döteryum atomları ile hidrojen atomlarında nötronlar farklı saçılır. Kontrast değişimi denilen bir teknik sonucu bilimadamları kromozomdaki bir protein ya da nükleik asid gibi farklı çeşit molekülleri görebilir. Bu şekilde bir makromoleküler yapının her bir parçası hakkında azar azar bilgiler toplanır.

Sudaki hidrojenden saçılan nötronlar  sayesinde bir jet uçağının kanatlarında küçük bir nem tespit edilerek mikroskopik çatlak ve korozyon işaretlerinin tam yeri tespit edilerek değiştirilecek parça bulunur.

 

Bir nötron saçılma çalışması sonucu bir hücre zarındaki deliklere kendini yerleştiren peptidleri gösteren bir model.

 

Hidrojenin yanında nötronlar ağır atomlar arasındaki diğer hafif atomları da yerleştirebilir. Nötronların bu yeteneği bilimadamlarına YBCO(yttrium-barium-copper oxide) içindeki hafif oksijen atomlarının kritik pozisyonlarını tespit etme olanağı verir. YBCO nun yüksek sıcaklıklı süperiletken seramik malzeme olması umut edilmektedir. YBCO telleri birgün elektrik motorlarının, jeneratörlerin,  enerji verimliliğini iletim hatlarının, trafoların, magnet içeren cihazların (parçacık hızlandırıcılar,  tıbbi tanı makinaları, havada giden yüksek hızlı trenler) enerji verimliliğini arttırmak için kullanılabilecek.

Bir nötron bir pusula ibresi gibi bir yönü işaret eden magnete benzer. Bu magnetizasyonun büyüklüğü ve yönü bir magnetik momenttir. Magnetik momentleri aynı yönü gösteren polarize nötron ışınları üretilebilir. Bu ışınlar bilimadamlarına magnetik malzemelerin özelliklerinin bulunmasını olanağını sağlar.(cd ve kredi kartları). Ayrıca süperiletkenlerin ürettiği magnetik alandaki dalgalanmaların ölçülmesini sağlar.

Termal nötronların enerjileri hareketli atomların enerjileri seviyesinde olduğu için katalitik reaksiyonlar esnasında atomların harekatleri, moleküler titreşimlerin izlenmesi, dış kuvvetlere maruz kalan malzemelerin davranışları araştırılabilir. Bu şekilde araştırmacılar atomların bir sinema filmini çeker.

YBCO, oksijenin yerleri nötron saçılması ile bulunmuş bir seramik süperiletken malzeme.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Nötron saçılmaları yaşamımızı nasıl etkiler?: Herkes tarafından bilinmese de nötron saçılma araştırmaları günlük yaşamımızda kullandığımız birçok ürünün kalitesini ve çeşidini arttırır. Bazı örnekler:

· jetler

· kredi kartları

· cep hesap makineleri

· cdler, bilgisayar diskleri, magnetik kayıt teypleri

· tarımda, böcek ilaçları

· kırılmaya dayanıklı ön camlar, ayarlanabilir koltuklar, arabaların otomatik pencere açıcıları

· petrol  bulunan yerleri gösteren jeolojik haritalar

hava tahminleri için uydu haberleşmesi

Ayrıntılı bilgi:

http://www.sns.gov/aboutsns/relevance.htm

 

 

 

(a) Nötronlar kemiklerin gelişim esnasında nasıl mineralize olduklarını ve osteoporoz(kemik erimesi) sırasında nasıl bozunduklarını öğrenmemizde kullanılır. Bu hastalığa bulunan çarelerin test edilmesinde de kullanılır (b) Hastaneye giden insanların 1/3 ü (senede yaklaşık 100 milyon insan) nötronların ürettiği izotoplardan yararlanır. (c) Nötronlar plastikler için gelişmiş polimerlerin üretiminde kullanılır. Bu plastikler Kompakt diskler (cd) ve benzeri ürünlerde kullanılır.

 

Nötron saçılması diğer tekniklerle elde edilemeyecek birçok değerli bilginin elde edilmesini sağlar.( optik spektroskopi, elektron mikroskopi, X-ray saçılması) Bilimadamları malzeme hakkında maksimum bilgiyi sağlaması için tüm bu tekniklere ihtiyaç duymaktadır.

Spallation: Niçin ve Neden?:

Ne zaman bir hızlı parçacıkla, yüksek enerjili proton, ağır bir çekirdek bombalanırsa bazı nötronlar spallation denilen bir nükleer reaksiyon sonucu açığa çıkar. Bombalanan çekirdek ısındıkça diğer nötronlar da kaynayıp dışarı çıkma durumuna gelir. Bu bir beyzbol topunu bir kova topa doğru attıkdan sonra birkaçının hemen dışarı fırlaması, birçoğunun ise etrafda zıplaya zıplaya dışarı çıkmasına benzer. Çekirdeğe çarpan her bir proton 20-30 kadar nötron çıkartır.

SNK Nasıl Çalışır?: Bir iyon kaynağı eksi yüklü hidrojen iyonları üretir. Her bir iyon 2 elektron bir protondan oluşur. Bu iyonlar bir doğrusal hızlandırıcıda çok yüksek enerjilere çıkartılır. İyonlar bir metal yaprakdan(foil) geçerken elektronlarını kaybeder ve tek proton kalır. Bu protonlar bir halka içinde demetler halinde toplanır. Her bir proton demeti bu halkadan bir puls olarak ayrılır. Bu yüksek enerjili proton pulsları ağır bir  metal hedefe çarpar. Bu metal hedefin içinde sıvı cıva vardır. Bu proton atakları  spallation işlemi ile nötron pulsları oluşturur. Bu nötronların bir moderatör aracılığı ile yavaşlatılması gereklidir. Sonra bu nötronlar nötron detektörleri gibi özel cihazlara yönlendirilir. Farklı enerjilerde ki bu nötronlar birçok deneyde kullanılır.

Neden Gerekli: Nükleer bilim toplumu uzun zamandır hem reaktör tabanlı (steady state) hem de hızlandırıcı tabanlı (pulsed) nötron kaynaklarına ihtiyaç olduğunu kavramıştı. Bir seri pulslar halindeki nötronların kullanımı birçok problemde sürekli nötronlardan daha iyidir. Çünkü daha yoğun nötron ışınları elde edilebilir. SNK en iyi sürekli bir kaynaktan 50-100 kat daha yoğun nötron sağlayabilecek.

Toryum tabanlı yakıt çevrimi:  Yakıt üretiminin pahalı olması, kısmen U-232 zerrecikleeri ile kirlenmiş (kontamine) U-233’ün yüksek  radyoaktiviteli olması dolayısıyladır. Benzer problemler yüksek radyoaktiviteli Th-228, U-233 ün nükleer silahlarda kullanılma olasılığı ve yeniden işlemede bazı teknik sorunlar nedeniyle,  toryum döngüsünde de vardır. Toryum yakıt çevriminin ticari olması için daha ileri çalışmalara gerek vardır. Yine de toryum yakıt çevrimi hızlı nötron kullanmadan üretken(breeder) olma potansiyeli olduğundan uzun dönemde dikkate değer bir kaynaktır. Bu nükleer enerjinin sürdürülebilirliğinde anahtar faktördür.

Thorium Accelerator Driven Systems (ADS): Bir ADS sisteminde yüksek enerjili nötronlar spallation reaksiyonu ile yüksek enerjili protonlardan üretilir. Bu protonlar ağır bir hedefe çarpar.(kurşun, kurşun-bizmut ya da   başka bir malzeme) Bu nötronlar toryum içeren alt kritik bir reaktöre yönlendirilir. Bu nötronlar U-233 doğurur ve  bunların fizyonunu tetikler. Bu şekilde başka türlü  bitecek olan fizyon reaksiyonu kolaylıkla sürdürülebilir hale gelir. Bu fizyon reaksiyonları güç üretiminde kullanılabileceği gibi, U/Pu yakıt çevriminden çıkan aktinidlerin yokedilmesinde de kullanılabilir. Uranyum yerine toryum kullanmak ise ADS de daha az aktinid üretilmesi demektir. (see paper on Accelerator-Driven Nuclear Energy).

 

Mehmet Mercimek

ITU Enerji Enstitüsü Maslak/İstanbul

Nükleer Teknoloji: