Geri Dön

Bentonit ve maden atığı katkılı çimentonun gama ışını zayıflatma özelliklerinin incelenmesi

Investigation of gamma ray attenuation properties of bentonite and mine waste blended cement

PDF İndir

  1. Tez No: 923449
  2. Yazar: SETENAY TUNÇKILIÇ
  3. Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ AYŞE NUR ESEN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Nükleer Mühendislik, Nuclear Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Enerji Bilim ve Teknoloji Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 99

Özet

Radyasyonun varlığını keşfettiğimizden bu yana yapılan radyasyon çalışmalarıyla, radyasyonun olumsuz etkilerinin sebep olabileceği biyolojik etkiler ve bu etkilerden korunma yöntemleri ile ilgili edinilen bilgiler her geçen gün artmaktadır. Uluslararası Radyasyondan Korunma Komisyonu, radyasyon maruziyetine neden olan tüm insani eylemler veya uygulamalar için gerekçelendirme, optimizasyon ve doz sınırlamalarına dayanan bir radyolojik koruma sistemi tanımlamaktadır. Gerekçelendirme, radyasyona maruz kalan bireylere veya topluma en azından radyasyonun neden olduğu zarara karşılık bir fayda sağlamadığı sürece, radyasyona maruz kalmayı içeren hiçbir faaliyetin uygulanmaması gerektiğini tanımlamaktadır. Optimizasyon, bir uygulamadaki radyasyon kaynağından herhangi bir bireye verilen dozun, uygun bir doz kısıtlamasının altında olmasını ve ekonomik ve sosyal faktörler göz önünde bulundurularak maruziyetlerin makul olarak gerçekleştirilebilecek ölçüde düşük olması için korunmayı sağlamak üzere, gerekli önlemlerin alınmasını ifade eder. Doz sınırlamasına göre, bireyin maruz kaldığı tıbbi teşhis veya tedavi dışındaki tüm uygulamalarda aldığı doza bir sınır uygulanmalıdır. Bu prensibe göre, radyasyondan korunmada alınan dozu en aza indirmek için zaman, mesafe ve zırhlama olmak üzere üç temel koruyucu önlem gereklidir ve dikkatle uygulanmalıdır. Bu tez çalışmasında bentonit minerali ve maden atığı ile katkılandırılmış çimento malzemesinin gama ışını zırhlama parametreleri deneysel çalışmalar, teorik hesaplamalar ve Monte Carlo simülasyon yöntemiyle hesaplanmıştır. Çimento, bentonit ve maden atık çamuru peletleri ile bu malzemelerden belirli oranlarda karıştırılarak hazırlanmış çimento esaslı örnekler için zırhlama parametreleri belirlenmiştir. Peletler İTÜ Fen-Edebiyat Fakültesi Kimya Bölümü Kimya Araştırma Laboratuvarı'nda hidrolik pres ile hazırlanmıştır. Her örnekten eşit boyutta ve miktarda dört adet pelet basılmıştır. Çimento esaslı örnekler ise İTÜ Enerji Enstitüsü Radyoizleyiciler ve Uygulamaları Laboratuvarı'nda hazırlanmıştır. TS EN 196-1 standardına göre üretim tekniğinde su:çimento oranı 1:2 oranı temel alınarak, deney koşullarına uygun olacak şekilde örnekler 25 g su, 50 g çimento ve değişen oranlarda bentonit ve maden atık çamuru ile hazırlanmıştır. Gama ışını zayıflatma parametreleri 59,54 keV, 661,66 keV ve 1115,54 keV enerjili gama ışını enerjilerinde belirlenmiştir. Peletlerin ve çimento esaslı örneklerin kalınlıkları farklı olduğundan, ölçüm geometrileri örneklerin kalınlıklarına uygun şekilde, spektrumda ilgili gama ışını enerjisinde iyi bir sayım istatistiği sağlayacak şekilde uygulanmıştır. Hem peletlerin hem de çimento esaslı örneklerin zırhlama parametrelerinin, deneysel olarak belirlenmesi için, İTÜ Enerji Enstitüsü Radyasyon Algılama ve Ölçme Laboratuvarı'nda bulunan NaI(Tl) sintilasyon dedektörlü gama spektrometresi kullanılmıştır. InterSpec spektral radyasyon anali̇z yazılımı ile analiz edilen spektrumlardan her bir örnek için dört kalınlıkta 59,54 keV, 661,66 keV ve 1115,54 keV gama ışını enerjilerinde I/I0 oranları hesaplanıp, ln(I/I0) değerinin örnek kalınlığına göre grafiği çizilerek, eğrinin eğiminden deneysel doğrusal zayıflatma katsayısı belirlenmiştir. Doğrusal zayıflatma katsayısından kütle zayıflatma katsayısı, yarı değer kalınlığı, onda bir değer kalınlığı ve ortalama serbest yol değerleri hesaplanmıştır. Pelet örneklerinden elde edilen deneysel sonuçlara göre, çimentonun doğrusal zayıflatma katsayısı 59,54 keV'de yüksek, maden atığı çamurun doğrusal zayıflatma katsayısı ise 661,66 keV ve 1115,54 keV'de yüksek bulunmuştur. Bentonitin doğrusal zayıflatma katsayısı üç enerjide de en düşüktür. Gama ışını enerjisinin artmasıyla doğrusal zayıflatma katsayılarının azaldığı gözlemlenmiştir. Çimento esaslı örneklerden elde edilen deneysel sonuçlara göre, bütün enerjilerde en iyi zırhlama performansı çimento-su-çamur karışımlı örnekte gözlemlenmiş olup, en düşük zırhlama performansı ise çimento-su-bentonit karışımlı örnekte elde edilmiştir. Gama ışını enerjisinin artmasıyla doğrusal zayıflatma katsayılarının azaldığı gözlemlenmiştir. Teorik hesaplamalar EpiXS programı ile yapılmıştır. Çimento, bentonit ve maden atık çamuru örneklerinin XRF analizinden elde edilen kimyasal bileşimleri programa girilerek 59,54 keV, 661,66 keV ve 1115,54 keV gama enerjilerinde kütle zayıflatma katsayıları hesaplanmıştır. Kütle zayıflatma katsayısından, deneysel olarak elde edilen yoğunluklar kullanılarak, doğrusal zayıflatma katsayısı hesaplanmıştır. EpiXS programından elde edilen sonuçlar ile deneysel sonuçlar uyumlu bulunmuştur. Doğrusal zayıflatma katsayıları arasındaki farklar, pelet örnekleri için %5'ten, çimento esaslı örnekler için %10'dan küçüktür. Tezde gerçekleştirilmiş olan Monte Carlo simülasyon çalışmaları için, Geant4 yazılım paketi kullanılmıştır. Peletler ve çimento esaslı örneklerin XRF analizinden elde edilen kimyasal bileşimleri ve boyutları ile ölçüm geometrileri tanımlanmıştır. Ölçüm geometrileri deney düzeneğine uygun olacak şekilde hem pelet hem de çimento esaslı örnekler için ayrı ayrı ayarlanmıştır. Radyasyon kaynakları, küresel geometride modellenmiş, kaynak enerjileri veri olarak girilmiştir. Simülasyon sonuçlarından 59,54 keV, 661,66 keV ve 1115,54 keV gama enerjilerinde doğrusal zayıflatma katsayıları hesaplanmıştır. Simülasyondan elde edilen sonuçlar ile deneysel sonuçların uyumlu bulunduğu gözlemlenmiştir. Farklar pelet örnekleri için %3'ten, çimento esaslı örnekler için %15'den küçüktür. Çevre ve iklim değişikliği üzerinde kritik bir rol oynayan ve enerji yoğun bir sektör olan çimento üretiminde, karbon ayak izini azaltma çalışmaları ve çevre dostu politikalar giderek daha fazla önem kazanmaktadır. Çimentoya alternatif malzemeler kullanma stratejisi, geri dönüşümü teşvik ederken, aynı zamanda geleneksel çimento üretiminin çevresel etkilerini de azaltmaktadır. Atıkların, radyasyon zırhlama çalışmaları için alternatif ve ekonomik bir malzeme olarak değerlendirilmesi yalnızca radyasyondan korunma uygulamalarında değil, aynı zamanda inşaat sektöründeki sürdürülebilirlik çabalarına da önemli ölçüde katkıda bulunabilir. Buna ek olarak, proses sonucu oluşan maden atıklarının yeniden kullanımı, sürdürülebilirlik politikalarına katkı sağlayabilir. Bu tez çalışması, maden atık çamurunun çimento karışımlarına dahil edilerek bir zırhlama malzemesi olarak incelenmesini sunmuştur. Bu tezin en önemli çıktılarından biri, maden atıklarının radyasyon korumada kullanılabileceği yaklaşımıdır. Bu bağlamda, sürdürülebilirlik, doğa dostu uygulamalar ve geri dönüşümün büyük önem taşıdığı günümüz dünyasında,“atık”olarak değerlendirilen madencilik prosesinin yan ürününün, çimentonun radyasyon zırhlama performansını artırma potansiyeli olduğu açıkça görülmektedir. Bu tez çalışmasında, yalnızca malzemelerin gama ışını zırhlama özellikleri incelenmiştir. Mekanik davranış testleri, bu tezin kapsamına dahil edilmemiştir; ancak malzemelerin endüstriyel uygulamaları durumunda, gerekli mekanik testlerin yapılması önemli ve gereklidir.

Özet (Çeviri)

Since the discovery of the existence of radiation, there has been a growing body of knowledge about the biological effects that the adverse effects of radiation and the methods of protection from these effects can cause. The International Commission on Radiation Protection defines a radiological protection system based on justification, optimization, and dose limits for all human actions or practices that cause radiation exposure. Justification defines that no activity involving radiation exposure should be practiced unless it provides some benefit to radiation-exposed individuals or society, at least in exchange for the harm caused by radiation. Optimization means taking the necessary measures to ensure that the dose to any individual from a radiation source in an application is below an appropriate dose limitation and to ensure protection so that exposures are as low as reasonably achievable, considering economic and social factors. According to dose limitation, a limit should be applied to the dose to which the individual is exposed in all applications other than medical diagnosis or treatment. According to this principle, three basic protective measures - time, distance, and shielding - are necessary to minimize the dose received in radiation protection and should be carefully implemented. This thesis evaluated the gamma-ray shielding parameters of cement blended with bentonite mineral and mine waste mud through experimental studies, theoretical calculations, and the Monte Carlo simulation method. The shielding parameters were determined for samples made from pellets of cement, bentonite, and mine waste mud and for cement-based samples prepared by mixing these materials in specific ratios. The pellets were prepared by hydraulic press in the Chemistry Research Laboratory of ITU Faculty of Science and Letters, Department of Chemistry. Four pellets of equal size and quantity were pressed from each sample. Cement-based samples were prepared in the Laboratory of Radioactive Tracers and Applications Laboratory of ITU Energy Institute. According to TS EN 196-1 standard, the samples were prepared with 25 g water, 50 g cement, and varying ratios of bentonite and mine waste mud under the experimental conditions, based on a water:cement ratio 1:2 in the production technique. Gamma-ray attenuation parameters were determined at gamma-ray energies of 59,54 keV, 661,66 keV, and 1115,54 keV. Since the thicknesses of the pellets and cement-based samples were different, the measurement geometries were applied following the thicknesses of the samples to provide a good counting statistic in the spectrum at the gamma-ray energy of interest. A gamma spectrometer with NaI(Tl) scintillation detector at ITU Energy Institute Radiation Detection and Measurement Laboratory was used to experimentally determine the shielding parameters of both pellets and cement-based samples. From the spectra analyzed by InterSpec spectral radiation analysis software, I/I0 ratios were calculated for each sample at gamma-ray energies of 59,54 keV, 661,66 keV, and 1115,54 keV at four thicknesses for each sample. The ln(I/I0) value was plotted against the sample thickness, and the experimental linear attenuation coefficient was determined using the slope of the curve. The mass attenuation coefficient, half-value layer thickness, tenth-value layer thickness, and average free path values were calculated from the linear attenuation coefficient. According to the experimental results obtained from the pellet samples, the linear attenuation coefficient of cement was high at 59,54 keV. In comparison, the linear attenuation coefficient of mine waste mud was high at 661,66 keV and 1115,54 keV. The linear attenuation coefficient of bentonite is the lowest at all three energies. The linear attenuation coefficients were observed to decrease with increasing gamma-ray energy. According to the experimental results obtained from cement-based samples, the best shielding performance at all energies was observed in the cement-water-mud mixture sample. The lowest was obtained in the cement-water-bentonite mixture sample. It was observed that the linear attenuation coefficients decreased with increasing gamma-ray energy. Theoretical calculations were made with the EpiXS program. The chemical compositions of cement, bentonite, and mine waste mud obtained from XRF analysis were entered into the program, and mass attenuation coefficients were calculated at gamma energies of 59,54 keV, 661,66 keV, and 1115,54 keV. From the mass attenuation coefficient, the linear attenuation coefficient was calculated using the experimentally obtained densities. It was observed that the results obtained from the EpiXS program agreed with the experimental results. The differences between the linear attenuation coefficients are less than 5% for pellet samples and less than 10% for cement-based samples. The Geant4 software package was used for the Monte Carlo simulation studies carried out in this thesis. The chemical compositions and dimensions of the pellets and cement-based samples obtained from XRF analysis were used to define the measurement geometries. The measurement geometries were adjusted separately for both pellets and cementitious samples in accordance with the experimental setup. Radiation sources were modeled using spherical geometry, and source energies were entered as data. Linear attenuation coefficients at gamma energies of 59,54 keV, 661,66 keV, and 1115,54 keV were calculated from the simulation results. It was observed that the results obtained from the simulation agreed with the experimental results. The differences are less than 3% for pellet samples and less than 15% for cement-based samples. Evaluating waste as an alternative and economical material for radiation shielding can significantly contribute to sustainability efforts in radiation protection applications and the construction sector. In cement production, an energy-intensive industry with a critical share in environmental and climate change, carbon footprint reduction efforts and environmentally friendly policies are gaining importance daily. Using an alternative material to cement encourages recycling while reducing the environmental impacts associated with conventional cement production. In addition, ensuring the reuse of mining wastes generated due to the process can support sustainability policies. This thesis investigated mine waste mud by incorporating it into cement mixtures as a shielding material. One of the most important outcomes of this thesis was the approach that mine waste can be used in radiation shielding. In this context, in today's world where sustainability, environmentally friendly practices, and recycling are very important, it is seen that the by-product of the mining process, which is considered“waste,”allows cement to increase its radiation shielding performance. This thesis investigated only the materials' gamma ray shielding properties. Mechanical behavior tests are not included in the scope of this thesis; however, in the case of industrial applications of the materials, the necessary mechanical tests are important and necessary.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    310685

    Sulardan arseniğin giderilmesi

    Removal of arsenic from waters

    ÜNZİLE YENİAL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2012

    Maden Mühendisliği ve Madencilikİstanbul Teknik Üniversitesi

    Cevher-Kömür Hazırlama ve Değerlendirme Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AYHAN ALİ SİRKECİ

  2. Tez No

    774438

    Immobilization of metals in mine tailings and the effecting factors

    Maden atığı sahalarında metallerin hareketsizleştirilmesi ve etkileyen faktörler

    DERYA AKTAŞ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Çevre MühendisliğiDokuz Eylül Üniversitesi

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. GÖRKEM AKINCI

  3. Tez No

    322632

    Farklı bölgelerden alınan uçucu küllerin ağır metal iyonlarının adsorbansında kullanımının geliştirilmesi

    Improvement method for usage of fly ashes from different areas at adsorption of heavy metal ions

    ŞEYMA KÖLEMEN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2012

    Kimya MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. NURCAN TUĞRUL

  4. Tez No

    414275

    Bor atıklarının çöp deponi tabakalarında kullanılabilirliğinin geoteknik açıdan değerlendirilmesi

    The geotechnical aspects evaluation of usability in landfill layers of boron wastes

    EREN BAYRAKCI

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2015

    İnşaat MühendisliğiAnadolu Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. YÜCEL GÜNEY

  5. Tez No

    352280

    Synthesis and characterization of cross-linked poly(Dimethyl Siloxane)nanocomposites

    Çapraz bağlı poli(Dimetil Siloksan) nanokompozitlerin sentezi ve karakterizasyonu

    YAĞMUR ÇAVUŞOĞLU

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2013

    Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. NURSELİ UYANIK

    DOÇ. DR. GÜRALP ÖZKOÇ

Geri Dön