Radyasyona Karşı Koruyucu Beton Üzerine Yeni Bir Araştırma
Bir grup araştırmacı yakın zamanda Polymers dergisinde radyasyona karşı koruyucu betondaki (RKB) koruyucu özellikleri açısından son gelişmeleri gözden geçiren bir makale yayımladı.
Nükleer enerji tahribatsız muayene, X-ışını görüntüleme ve enerji üretimi de dâhil olmak üzere çok çeşitli uygulamalarda kullanılmaktadır ancak nükleer enerjinin bu tür uygulamalarda kullanılması hem insan sağlığını hem de çevreyi etkileyebilecek zararlı radyasyon riskini arttırmakta, bu da bu tür zararlı radyasyonu önleyebilecek malzemelerin kullanımını zorunlu kılmaktadır.
Beton geleneksel olarak radyoaktif depolama yapılarında, X-ışını görüntüleme odalarında ve nükleer enerji santrallerinde zararlı radyasyona karşı bir kalkan olarak kullanılmıştır. Son birkaç yılda barit veya manyetit gibi ağır doğal agregalarla geliştirilen kompozit bazlı bir beton olan RKB’nin, kalıplanabilen ekonomik ve zararlı radyasyona karşı koruma açısından geleneksel betondan daha üstün olduğu düşünülmektedir.
Bu çalışmada araştırmacılar, RKB’de kullanılan alternatif malzemeler ve betonun dayanıklılığı, mekanik dayanımı ve radyasyondan korunma özellikleri de dâhil olmak üzere RKB’deki son trendleri kapsamlı bir şekilde incelediler.
RKB’de kullanılan alternatif malzemeler
RKB esas olarak ağır agregalardan, çimentodan ve sudan oluşur. Beton, yüksek yoğunluğu ve yüksek miktardaki kristalize su sayesinde farklı radyasyonlara karşı koruma sağlayabilir.
RKB bileşimi, agrega türü dışında çoğunlukla geleneksel betonunkine benzer. Radyasyon koruma özelliğini geliştirmek için ağır agrega içeren çeşitli RKB’ler, koruma yapısı için daha az kalınlık gerektirir.
Nanopartiküller ve elyaflar gibi işlenmemiş malzemeler, polimerler ve mermer atıkları gibi ticari atıklar, demir cürufu ve silis dumanı gibi endüstriyel atıklar dâhil olmak üzere alternatif malzemeler, RKB’de agrega veya çimento yerine kullanılır.
Agrega
RKB’de kullanılan farklı boyut ve türde agrega, betonun koruma özelliklerini ve mekanik dayanımını etkiler. RKB’de kullanılan agrega, endüstriyel atık, maden atıkları, cüruf, sentetik agrega, kristalize su içeren doğal agrega, ağır doğal agrega ve hafif doğal agrega olarak karakterize edilebilir.
Manyetit, hematit ve barit gibi doğal ağır agregalar, gelişmiş koruma özelliklerine sahip yüksek yoğunluklu RKB betonu üretmek için kullanılırken, serpantin ve kolemanit gibi kristalize su içeren doğal agregalar, nükleer endüstrilerde nötron radyasyonundan korunmak için kullanılır.
RKB’nin koruma özelliğini arttırmak için sentetik farklı bir agrega kullanılabilir: Maden atıkları yoğunlukları ve ağır elementlerin varlığı nedeniyle RKB’de agrega olarak incelenmektedir. Örneğin 4000 kg/m3 yoğunluğa ve yüksek oranda titanyum dioksite sahip kalay RKB için faydalıdır.
Bağlayıcı
RKB’de çimento tipik olarak agregalar arasında bağlayıcı madde görevi gören bir madde olarak kullanılır. Bağlayıcı, kuru çimento tozu ile su arasındaki reaksiyonla oluşur ve su ile çimento arasındaki karışım oranı, betonun mukavemetini etkileyen su/çimento oranını tanımlar.
Katkı maddesi
RKB’de köpük oluşturucu ve su azaltıcı maddeler gibi farklı katkı maddeleri farklı amaçlar için kullanılmaktadır. Katkı maddelerinin kullanımı betonun nötron ve gama radyasyonundan korunma performansını artırabilir.
RKB’de kullanılan alternatif malzemeler
Radyasyondan Koruma Özellikleri
Radyasyon genellikle nötron, gama, beta, X-ışını ve alfa ışıması olarak tanımlanır. Bunlardan beta ve alfa parçacıkları ince bir metal levha kullanılarak durdurulabilir, çünkü bu parçacıklar bir maddenin içinden geçerken maddenin çekirdeği ile çarpışması nedeniyle enerji kaybeder.
Gama ve X-ışını radyasyonu, maddeye daha yüksek derecede nüfuz edebilir.
Gama radyasyonu, X-ışını radyasyonundan daha yayılmacıdır. Nötron radyasyonu aynı zamanda yoğunluğuna ve enerjisine bağlı olarak son derece nüfuz edicidir.
Çalışmaların çoğu RKB performansını nötron ve gama koruması açısından araştırmıştır çünkü bu tür radyasyonlar daha yayılıma sahiptir. RKB’nin nötron ve gama radyasyonunu zayıflatmadaki etkinliği, doğrusal zayıflama katsayısı (μ) değerine göre ölçülmüştür.
Nötron Koruması
Nötronlar öncelikle atomların parçalanmasıyla salınan yüksüz parçacıklardır ve nötron kalkanı bu yüksüz parçacıkların yakalanmasını içerir. Başlangıçta, hızlı hareket eden nötronlar kurşun gibi ağır elementlerle esnek olmayan çarpışma yoluyla yavaşlatılır ve daha sonra hidrojen gibi hafif elementlerle çarpışma yoluyla hızları daha da azalır.
Çalışmalar, hidrojen içeren çimento hidratlarındaki kimyasal olarak bağlı suyun hızlı hareket eden nötronları yavaşlatmada çok önemli bir rol oynaması nedeniyle, betonda kullanılan çimento miktarının arttırılmasıyla RKB’nin nötron koruma performansının geliştirilebileceğini göstermiştir.
Gama Işını Koruması
Gama ışınları, radyoaktif bozunma yoluyla yayılan nüfuz edici yüksek enerjili ışınlardan oluşur. RKB gibi bir koruyucu malzeme tarafından gama ışını absorpsiyonu, malzemenin atom numarasından ve yoğunluğundan etkilenir. Örneğin, RKB’de ağır mineraller ve agregalar gibi yüksek yoğunluklu elementlerin konsantrasyonunun artmasıyla birlikte gama ışını soğurma oranı da artar.
Ortak doğrusal zayıflama katsayısı test kurulumu
Dayanıklılık Özellikleri
Kimyasal direnç
Radyasyon, koruyucu malzemelerin kimyasal yapısını önemli ölçüde etkileyebilir. Örneğin radyasyon, atomları metallerdeki denge kafes konumlarından uzaklaştırabilir, bu da kafes kusurlarına yol açarak kırılganlığın artmasına neden olabilir.
Zararlı kimyasal ortam RKB’yi olumsuz yönde etkileyebilir. Örneğin, barit RKB’nin koruyucu özellikleri, altı ay boyunca sodyum hidroksit ve sodyum sülfat çözeltisine daldırıldığında önemli ölçüde azalmıştır; sodyum sülfat, sodyum hidroksite kıyasla koruyucu özellikler üzerinde daha büyük bir etkiye neden olmuştur.
Donma-çözülme direnci
Bir çalışmada betonun 50 donma-çözülme döngüsüne maruz bırakılmasından sonra kalan µ değerine bağlı olarak RKB serbest çözülme direnci değerlendirilmiştir. 50 donma-çözülme döngüsünden sonra 0,43-0,65 su/çimento oranına sahip barit RKB ve doğal agrega RKB’de kaydedilen en yüksek kalıntı µ değerleri sırasıyla 0,1 cm−1 ve 0,07 cm−1 idi. Çalışma bulguları, daha yüksek su/çimento oranının, donma-çözülme döngülerinin µ değeri üzerindeki olumsuz etkilerini azaltabileceğini göstermiştir.
Yükselmiş sıcaklık
Tipik olarak RKB’nin µ değeri sıcaklıktaki 100 °C’den fazla artışla azalır. Barit RKB, 800 °C ve 450 °C gibi yüksek sıcaklıklarda µ değerinde, 800 °C ve 600 °C sıcaklıklardaki manyetit RKB’ye kıyasla, beton numunesinin dökülmesine ve çatlamasına yol açan barit agrega genleşmesi nedeniyle daha büyük bir azalma gösterir.
Mekanik mukavemet özellikleri
Betonun eğilme mukavemeti, çekme mukavemeti ve basınç mukavemeti gibi mekanik mukavemetleri, onun yapısal bir eleman olarak ana parametrelerini tanımlar. Betonun radyasyondan korunma özelliklerini geliştirmek için RKB bileşimi değiştirildiğinde bu dayanımlar etkilenebilir.
Eğillme mukavemeti
RKB’nin eğillme mukavemeti, çelik fiberin eklenmesiyle önemli ölçüde artar, çünkü fiber betondaki çatlakları kapatır ve sınırlı deformasyona yol açar. Ek olarak, RKB’de kullanılan agregalar da RKB’nin eğilme performansını etkiler. Örneğin, RKB’de agrega olarak kuvars tamamen baritle değiştirildiğinde eğilme mukavemeti önemli ölçüde azalmıştır
Yarmada çekme dayanımı
RKB’lerin çoğu, 0,662 MeV enerji seviyesinde ışınlama altında 3-5 MPa arasında bir yarma gerilme mukavemeti vermiştir; en yüksek ve en düşük çekme mukavemeti değerleri sırasıyla 8 MPa ve 2,6 MPa’dır. Agrega boyutu, zayıflamış ara yüzey geçiş bölgesi ve artan gözeneklilik nedeniyle agrega boyutunun artmasıyla birlikte değerler azaldığından RKB yarma çekme mukavemeti değerlerini etkilemiştir.
Basınç Dayanımı
Doğal agregalar içeren RKB, 218 MPa ile en yüksek basınç dayanımını sergileyerek ultra yüksek performanslı beton (UHPC) olarak kabul edilmiştir. Yüksek basınç dayanımı, sertleşmiş betondaki daha az gözeneklere ve 0,2’den az son derece düşük su/çimento oranına atfedilmiştir.
RKB uygulamaları
RKB, çok yönlülüğü, düşük maliyeti, yüksek dayanıklılığı ve iyi koruma yeteneği nedeniyle radyasyondan koruyucu kalkanlar için kullanılan birincil malzemedir. Tipik olarak beton, araştırma reaktörlerinde, laboratuvar sıcak hücrelerinde, tıbbi birimlerde, parçacık hızlandırıcılarda ve nükleer enerji santrallerinde biyolojik korumaya uygulanır.
RKB’nin uygulamaları
RKB aynı zamanda kaynar su reaktörü binalarında, basınçlı su reaktörü kalkanlarında, nükleer santrallerin kullanılmış nükleer yakıtını yönetmek için, elektromanyetik dalgalara karşı koruma olarak ve ışınlanmış atıkların elleçlenmesi için belirlenen alanı ifade eden bir “sıcak hücre” olarak da kullanılmaktadır. Sağlık sektöründe radyoterapi ve nükleer tıp odalarının duvarlarını inşa etmek için RKB kullanılıyor.
Özetlemek gerekirse, RKB, radyasyondan korunma altyapıları oluşturmak için işlevsel, uygun maliyetli ve dayanıklı bir malzeme olarak ortaya çıkmıştır. Bununla birlikte, RKB’nin performansını artırmak amacıyla çeşitli zorlukların üstesinden gelmek için daha fazla araştırmaya ihtiyaç vardır. Örneğin, gelecekte ele alınması gereken en önemli konu, betonda yüksek yoğunluklu agregalar kullanıldığında agregaların dibe çökerek betonun kolayca ayrışmasıdır.
