An investigation of radiation shielding performance of glass-ceramics for different applications
Farklı uygulamalar için cam seramiklerin radyasyon zırhlama performanslarının incelenmesi
- Tez No: 940503
- Danışmanlar: PROF. DR. SEMA ERENTÜRK
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Enerji, Energy
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Nanobilim ve Nanomühendislik Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 105
Özet
Radyasyon veya ışınım, keşfinden itibaren araştırmaların önemli bir konusu olmuştur. Teknolojinin gelişmesi ile de radyasyon üzerine yapılan araştırmalar ve çalışmalar da gelişip fazlalaşmakta ve gelişmeye devam etmektedir. Yapılan araştırmaların çoğu ise radyasyonun etkilerini ve radyasyonu engellemek için kalkan görevi gören malzemelerin üretimi üzerinedir. Canlılar için radyasyon, yoğunluğuna ve maruz kalınma süresine bağlı olarak hem yararlı hem de zararlı olabilir. Buna örnek olarak radyasyonun tıp alanında kanser tedavisi için yaygın olarak kullanılması verilebilir. Ancak, yüksek düzeyde radyasyona uzun süre maruz kalmak radyasyon hastalığı, genetik mutasyonlar ve kanser gibi çok ciddi sağlık etkilerine yol açabilir. Buna örnek olarak 26 Nisan 1986'da yaşanan Chernobil nükleer reaktör patlaması felaketinin çevredeki canlı popülasyonuna etkisinden bahsedilebilir. Patlamanın ilk etkileri çok yüksek radyasyon seviyeleri nedeniyle birçok canlı türünün hayatını yitirmesi ve çoğunun geri dönülmez hasarlar alması oldu. Ancak 30 yıl içerisinde radyasyon seviyelerinin düşmesiyle etraftaki canlı popülasyonunda genetik mutasyonlar görüldü. İyonize radyasyon, serbest radikaller adı verilen bileşiklerin oluşumunu sağlayarak hücrelere zarar verir. Vücuttaki antioksidan seviyesi düşük olduğu durumlarda radyasyon oksidatif stresi arttırır ve genetik hasarlar vermeye başlar. Bu durumda serbest radikaller vücudun savunma sistemini yenerek yaşlanma ve ölüme sebep olurlar. Çernobil çevresindeki radyasyona uzun süre maruz kalan canlılar üzerinde yapılan araştırmalarda canlılardaki antioksidanların tükenerek oksidatif hasarların arttığı gözlemlenmiştir. 30 kilometrelik yarıçaplı alanda yapılan ölçümlerde radyasyon doz değerlerinin saat başına 0.02 ile 92.90 mSv arasında değiştiği tespit edilmiştir. Bu da ortalama saatte 10.23 mSv ve yıllık ortalama 90 bin mSv doz değerine eş olmaktadır. Bu değerler insanların yıllık aldıkları ortalama ve güvenilir radyasyon değerinin 45 katıdır. Ancak bölgeye adapte olup yaşamayı başaran kuş türlerine rastlandımıştır. Fakat bu kuş türlerinde daha zayıf vücut yapısı ve yüksek DNA hasarı gibi etkiler gözlemlenmiştir. Radyasyonun etkileri sadece yüksek dozlara maruz kalındığında değil, düşük dozlarda da zararlı olabilir ve radyonüklitlerin varlığıyla yakından ilişkilidir. Radyoaktif maddelerin atom çekirdeklerindeki dengesizlik sebebiyle yaydıkları radyasyonu ifade etmek için radyonüklitler kullanılır ve bu radyasyon çevreye yayılarak canlılar üzerinde çeşitli etkiler gösterebilir. Buna örnek olarak Fukuşima-Daiçi nükleer felaketi sonrası yapılan araştırmalar verilebilir. Yapılan bir çalışmada Fukuşima reaktörü çevresinde yaşayan kelebek larvaları incelenmiştir. Çevrede yetişen ve radyasyondan az miktarda da olsa etkilenmiş yapraklar ile beslenen kelebeklerde temiz yapraklar ile beslenen kelebeklere göre daha çok fiziksel anormallikler ve daha düşük hayatta kalma oranları gözlemlenmiştir. Bu durum radyonüklitlerin düşük dozlarda bile zararlı etkilere neden olabileceğini göstermektedir. Canlı doku ile etkileşime geçen radyonüklitler hücrelerde DNA hasarı, genetik mutasyonlar gibi biyolojik etkilere yol açabilir. Bu nedenle radyasyonun zararlı etkileriyle ilgili araştırmalar, radyonüklitlerin canlılar üzerindeki etkilerini de anlamamızı sağlar. Radyasyonun bu denli ilginç ve spesifik etkileri olduğu düşünüldüğünde, radyasyondan korunma için yapılan çalışmaların ve araştırmaların değeri anlaşılabilir. İyonlaştırıcı radyasyonun neden olduğu potansiyel zararı en aza indirmek için uygun radyasyon korumasına sahip zırh malzemeleri çok önemlidir. Korunmak için ise geçmişten beri en yaygın kullanılan malzemeler kurşundur. Fakat kurşun radyasyon kadar olmasa da canlılar için zararları olan ve zehirleyici etkisi olan bir malzemedir. Bu nedenle hem doğaya hem de canlılara daha fazla zarar vermemek adına radyasyon zırhlaması için organik malzemelerin kullanılması ve üretilmesi çok önemlidir. Radyasyondan daha bilimsel bir şekilde bahsetmek gerekirse, radyoaktif bir maddenin alfa ve beta gibi parçacıklar veya gama ışınları gibi elektromanyetik ışınlar yayması denilebilir. Bir maddenin atom çekirdeğindeki nötron sayısı proton sayısından az veya çok ise bu maddeler kararsız bir yapı gösterirler ve çekirdeklerindeki nötronlar alfa, beta veya gama gibi farklı ışınlar yayarak parçalanırlar ve bu tür maddelere ise radyoaktif maddeler denir. Alfa parçacıkları, bir atom çekirdeğinin parçalanmasıyla ortaya çıkan ve 2 proton ve 2 nötrondan oluşan helyum çekirdeklerine denir ve alfa ışınları da bu parçacıkların yayılmasıyla oluşur. Alfa ışıması yüksek atomik numaralara sahip, uranyum ve radyum gibi elementlerde gerçekleşir. Bu elementlerin çekirdeklerindeki nötron sayısı bakımından zengindir ve bu durum alfa parçacıklarının yayılımını mümkün kılar. Alfa parçacıkları nispeten ağır ve yavaştır. Bu nedenle nüfuz etme güçleri düşüktür ve sadece bir kâğıt parçası ile engellenebilir. Beta radyasyonu ise alfa parçacıklarına kıyasla daha küçük ve daha fazla nüfuz edebilen, havada birkaç metre ilerleyebilen hafif parçacıklardır. Çekirdekten bir elektron veya bir positron ayrılmasıyla oluşur ve alüminyum plaka ile engellenebilir. Gama ışını ise gama radyasyonu olarak da bilinen, ışık gibi fotonlardan oluşan ve atom çekirdeğinin radyoaktif bozunmasından kaynaklanan bir elektromanyetik radyasyon şeklidir. X-ışınlarından daha kısa olan en kısa dalga boylu elektromanyetik dalgalardan oluşur. Kâğıt veya alüminyum plaka ile engellemek mümkün değildir, fakat beton veya kurşun ile engellenebilir. Önceden de bahsedildiği gibi radyasyonu engellemek için kalkan görevi görecek malzemelerin üretiminde beton ve kurşun, etkili koruma özellikleri, ucuz maliyetleri, yüksek yoğunlukları, yüksek kütle zayıflamaları ve düşük bakım maliyetleri sebebiyle yaygın biçimde kullanılmaktadır. Fakat teknolojinin gelişmesiyle de birlikte son zamanlarda zayıf mekanik özellikler, düşük kimyasal direnç, toksisite ve sağlık açısından tehlikeli olmaları gibi dezavantajları nedeniyle bazı nükleer teknoloji uygulamaları ve çalışmaları için beklentileri karşılayamamaktadırlar. Bunun doğrultusunda radyasyon kalkanı malzemeleri için düşük maliyetleri ve dünya üzerinde bolca bulunmaları nedeniyle doğal kayalar ve mineraller kullanma olasılığı araştırılmaktadır. Bu malzemeler arasında metaller ve alaşımlar, kompozitler, camlar, polimerler, seramikler ve cam-seramikler bulunmaktadır ve iyonlaştırıcı radyasyona karşı performansları araştırılıp test edilmiştir. Cam seramik malzemeler yüksek ısıl dayanıklıkları, mekanik dayanımları, korozyon dayanımları ve düşük yoğunlukları sebebiyle iyonlaştırıcı radyasyona karşı kalkanlama uygulamalarında tercih edilmektedirler. Bu çalışmada ülkemizde ve dünyada bol miktarlarda bulunan feldspar ve bazı metal oksitler kullanılarak gerekli gama ışını koruma performanslarını sağlayan, kurşunsuz, düşük yoğunluklu, çok işlevli bir cam-seramik koruyucu malzeme üretilmesi amaçlanmıştır. Özellikle Türkiye, feldspar kaynağı açısından dünyada birinci sırada gelmektedir. Cam-seramik malzemeler camsı bir matris içerisinde dağılmış nano ölçekli kristal parçacıklardan oluşan, hem cam hem de seramiklerin özelliklerinin bir araya geldiği ve çeşitli uygulamalarda kullanılan ilginç malzemeler olarak tanımlanabilirler ve yüksek sıcaklıkta sinterleme veya kristalleşme işlemleriyle üretilirler. Nanokristal parçacıkların boyutu, şekli ve parçacıklar ile camsı matris arasındaki etkileşimler cam-seramik malzemelerin özelliklerini önemli derecede etkileyen faktörlerdir. Bu malzemeler radyasyon koruma özellikleri sebebiyle özellikle nükleer endüstri gibi yüksek radyasyonlu alanlarda kullanılmaktadır. Radyasyon kalkanlama özellikleri, kristallerin türü ve oranına, sıcaklığa, kalınlığa ve cam matrisindeki kimyasal bileşimine bağlıdır. Ek olarak, cam-seramik malzemelerin kristal yapıları malzemelerin radyasyon emilimini artırabilir veya azaltabilir. Örneğin, bazı cam-seramik malzemeler, radyasyon emilimini artırmak için özel olarak tasarlanmış kristal yapılar içerebilirler. Bu çalışma öncelikle radyasyon kavramı, radyasyonun türleri, canlılar için ne kadar zararlı olabileceği anlatılarak başlamaktadır ve bunu takiben radyasyondan korunma yöntemleri, bunun için kullanılan geleneksel malzemeler ve radyasyondan korunmanın farklı alanlardaki önemi anlatılmaktadır. Son olarak, cam-seramik malzemelerin radyasyon zırhlama performanslarına ve potansiyel faydalarına yer verilmiştir. Çalışmanın deneysel kısmı için öncelikle Kütahya'dan potasyum feldspar temin edildi. Öncelikle potasyum feldparın içine farklı miktarlarda oksit metaller ilave edilerek homojen bir karışım elde etmek için agat havanda karıştırılmıştır. Potasyum feldspara Sn2O3, Bi2O3, BaO, Li2O, TiO2 ve Cu2O gibi farklı oksitler eklenmiştir. Toplamda 10 g olacak şekilde %20, %30, %40 ve %50 metal oksit içerecek şekilde malzemeler üretilmiştir. Daha sonra karışım 33 mm çapında pres kalıbına konularak 50 MPa basınç altında preslenerek peletler hazırlanmıştır. Hazırlanan peletler grafit bloklar üzerinde ve yüksek sıcaklıkta yüksek sıcaklık fırınında sinterlenmiştir. Sinterlenen zırh malzemeleri daha sonra kimyasal dayanım testlerini uygulamak için saf su içerisine sarkıtılarak 90°C'de 7 gün süre ile etüv içerisinde yaşlandırma işlemine tabi tutulmuştur. Bu aşamada zırh malzemeleri belirli zaman aralıklarında teker teker saf sudan çıkartılıp kütle kayıpları olup olmadığını belirlemek amacıyla hassas terazide tartılmıştır. Kimyasal dayanım testleri biten malzemeler bir süre kurumaya bırakılmış ve kuru kütle tartımları yapılmış ve etkin poroziteleri tayin edilmiştir. Çalışmanın deneysel kısmı temel olarak, üretilen cam-seramik zırh malzemelerinin radyasyon zırhlama özelliklerinin ölçülmesine odaklanmaktadır. Bu özelliklerin değerlendirilebilmesi için üretilen numunelerin iki farklı gama ışını kaynağı kullanılarak radyasyon geçirgenlikleri gama spektrometresi kullanılarak ölçülmüştür. Elde edilen sonuçlar, cam-seramik malzemelerin radyasyon zırhlama özelliklerinin zırh malzemesine ilave edilen metal oksitin türüne ve yüzde miktarına göre değiştiğini göstermektedir. Malzemelerin üretimleri ve yapılan analizlerin sonuçlarına tezin ilerleyen kısımlarında değinilmiştir. Son olarak, yapılan deneylerin ve çalışmaların bulguları özetlenmiş ve farklı uygulamalarda kullanılmak üzere, cam seramik malzemelerin radyasyonu zırhlama potansiyelleri vurgulanmıştır. Sonuçlar cam seramik malzemelerin farklı uygulamalarda verimli radyasyon koruması sağlayabileceğini ve verimlerinin artırılması için daha fazla araştırma ve deney yapılması gerektiğini göstermektedir.
Özet (Çeviri)
Since its discovery, radiation has been an important subject of extensive research. With the advancement of technology, research and studies on radiation have also developed and expanded significantly. A significant area of this research has focused on the production of materials that act as a shield to prevent radiation. Nowadays, the use of glass-ceramic materials has gained significant attention in various industries and applications, including nuclear medicine and space exploration. This study, it is aimed to investigate the radiation shielding performance of glass-ceramic materials for various applications, including gamma rays. To describe radiation more scientifically, it can be described as the emission of alpha, beta, or gamma rays from a radioactive substance. It can also be called all of the elements that create any electromagnetic radiation emitted in space. If the number of neutrons in the atomic nucleus of a substance is more or less than the number of protons, these substances show an unstable structure, and the neutrons in their nuclei are disintegrated by emitting different rays, such as alpha, beta, or gamma. Such substances are called radioactive substances. For humans, radiation can be both beneficial and harmful, depending on its intensity and exposure time. Prolonged exposure to radiation can lead to serious health effects such as radiation sickness, genetic mutations, and cancer. Considering that radiation has such interesting and specific effects, the value of studies and research about radiation protection can be clearly understood. It is also very important to have appropriate radiation shielding to minimize the potential harm caused by ionizing radiation. Concrete and lead are widely used in the production of materials that will act as shields to prevent radiation due to their effective shielding properties, cheap costs, high densities, high mass attenuation, and low maintenance costs. However, with the development of technology, they cannot meet the expectations for some nuclear technology applications and studies due to their disadvantages, such as poor mechanical properties, low chemical resistance, toxicity, and dangerous to human health. In line with this, the possibility of using natural rocks and minerals for radiation shielding materials is being investigated due to their low cost and abundance worldwide. These materials include metals and alloys, composites, glasses, polymers, ceramics, and glass-ceramics, and their performance against ionizing radiation has been studied and tested. Glass-ceramic materials are preferred in shielding applications against ionizing radiation due to their high thermal resistance, mechanical strength, corrosion resistance, and low density. In this study, it is aimed to produce a lead-free, low-density, multifunctional glass-ceramic protective material that provides the required gamma-ray protection performances by using feldspar and some metal oxides, which are abundant in our country and in the world. In particular, Turkey ranks first in the world in terms of feldspar source. Glass-ceramic materials can be described as interesting materials that combine the properties of both glass and ceramics and are used in various applications and are produced by high-temperature sintering or crystallization processes. These materials are used especially in high radiation areas such as the nuclear industry due to their radiation protection properties. Because of their unique microstructure, which is composed of nanoscale crystalline particles dispersed within a glassy matrix, glass-ceramic materials have a combination of properties that are not found in either pure glass or pure ceramics. These properties are primarily affected by the size, shape, distribution of the nanocrystalline particles, and the interaction between the glassy matrix and the particles. In addition, the radiation shielding properties depend on the type and proportion of crystals, temperature, thickness, and chemical composition in the glass matrix. Furthermore, the crystal structures of glass-ceramic materials can increase or decrease the radiation absorption of the materials. For example, some glass-ceramic materials may contain specially designed crystal structures to increase radiation absorption. In this study, glass ceramics using raw material potassium felspar and its different oxide compositions were produced and examined to determine their radiation shielding properties in both experimental and computational methods such as X-ray Cross Section Database (XCOM). Also, chemical durability and porosity determination were analyzed for the determining structures of glass-ceramics. The thesis begins by explaining the concept of radiation, the types of radiation, and how harmful it is for living things, followed by the concept of radiation protection and its importance in different fields. For the experimental part of the study, firstly, potassium feldspar was obtained from Kütahya. First of all, different amounts of metal oxides were added into potassium feldpar and mixed in agate mortar to obtain a homogeneous mixture. Different oxides such as Sn2O3, Bi2O3, BaO, Li2O, TiO2 and Cu2O were added to potassium feldspar. Materials containing 20%, 30%, 40% and 50% metal oxide were produced in a total of 10 g. Then, the mixture was placed in a 33 mm diameter press mold and pressed under 50 MPa pressure, and pellets were prepared. The prepared pellets were sintered on graphite blocks in a high temperature furnace at high temperature. Sintered shielding materials were then hung in distilled water to perform chemical resistance tests and aged in an oven at 90°C for 7 days. At this stage, the shielding materials were removed one by one from the distilled water at certain time intervals and weighed on a precision scale to determine whether there were any mass losses. The materials, whose chemical resistance tests were completed, were left to dry for a while and dry mass was weighed and their effective porosity was determined. The experimental part of the study mainly focuses on measuring the radiation shielding properties of the produced glass-ceramic shielding materials. In order to evaluate these properties, the radiation transmittance of the samples produced using two different gamma-ray sources (Am-241 and Co-60) was measured using gamma spectrometry. The results show that the radiation shielding properties of glass-ceramic materials vary according to the type and percentage of metal oxide added to the shielding material. The production of the materials and the results of the analyzes are mentioned in the later parts of the thesis. The findings are summarized and possible uses of glass-ceramic materials as radiation shielding materials are mentioned in the conclusion part of the thesis. The thesis concludes by summarizing the findings and highlighting the potential applications of glass-ceramic materials as radiation shields. The results suggest that glass-ceramics can offer efficient radiation shielding in different applications and further research and experiments are required to maximize their effectiveness. The results of the study show that glass-ceramic materials exhibit promising effectiveness in terms of shielding radiation. As a result of the analyzes performed with the materials, it can be concluded as glass-ceramic materials have a wide application area where radiation is in use. In addition, it can be said that additives and ratios have a great influence on the properties of the final material, and therefore the areas of use are also different.
Benzer Tezler
- Polymethyl methacrylate yapının farklı iyonizan radyasyon tipleri karşısındaki davranışlarının partikül takviyesiyle değişiminin incelenmesi
Investigation of the change of the behavior of polymethyl methacrylate structure against different types of ionizing radiation with particle reinforcement
HİLAL MACUN ELMALI
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Nükleer Mühendislikİstanbul Teknik ÜniversitesiNükleer Araştırmalar Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NİLGÜN BAYDOĞAN
- Na2O, BaO VE WO3 içeren borat camların gama radyasyon zırhlama özelliklerinin araştırılması
Investigation of gamma radiation shielding properties borate glasses containing Na2O, BaO VE WO3
LUBABA ALJASSEM
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Fizik ve Fizik MühendisliğiSakarya ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ MOHAMMED SULTAN ABDULGHAFFAR ALBURIAHI
DOÇ. DR. HALİL ARSLAN
- Farklı ağır oksitler ile katkılandırılmış B2O3-Bi2O3 cam malzemelerin radyasyon soğurma özelliklerinin araştırılması
Investigation of radiation absorption properties of B2O3-Bİ2O3 glass materials doped with different heavy oxides
SERPİL EMİKÖNEL
Doktora
Türkçe
2025
Fizik ve Fizik MühendisliğiSüleyman Demirel ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSKENDER AKKURT
- MWCNT ve manyetik nanopartikül takviyeli PMMA'nınradyasyon zayıflatma katsayısının karşılaştırmalı olarak incelenmesi
Comparative investigation of radiation attenuation coefficient of MWCNT and magnetic nanoparticle reinforced PMMA
DENİZ HANDE AYDIN
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Nükleer Mühendislikİstanbul Teknik ÜniversitesiNükleer Araştırmalar Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NİLGÜN BAYDOĞAN