Design of a prototype apparatus for on-line elemental analysis using nuclear techniques

Abstract

Dünya genelinde, enerji üretiminin yaklaşık %25 i kömürden sağlanmaktadır. Türkiye de ise bu oran %31 i bulmaktadır. Enerji üretiminde bu kadar büyük pay sahibi olan kömürün içeri˘ginin tespiti önem arz etmektedir. Kömür, organik ve inorganik içeriğe sahip, serbest karbon, mineraller (kül yapıcı maddeler), uçucular, kükürt ve içerisinde nem barındıran enerji üretiminde kullanılan bir hammaddedir. Yanma aşamasında kömür bir dizi dönüşüme uğrayarak çeşitli ürünlere dönüşür. Kükürt yanarak kömürden ilk ayrılan bile¸sendir. Nem yüksek sıcaklıkta ısı alarak kömür bünyesinden ayrılır. Kükürt yanarak baca gazı salınımına katkı yapar ve atmosferik kirlenmeye yol açabilir. Gerek maden ocaklarında gerekse termik santrallarda kömürün işlenmesi sürecinde kömürün daha verimli yanması ondan elde edilecek enerjiyi etkileyen en önemli faktördür. Bu sebeple, kömürün kalitesini belirleyen ana kriterlerden olan kalorifik değer, kül, nem ve kükürt değerlerinin önceden bilinmesi gerekmektedir. Türkiye'deki maden sahalarından çıkarılan kömür çeşidi linyit olup, yanma kalitesi açısından düşük aynı zamanda içerisinde bulunan yüksek miktardaki kükürt sebebiyle çevreyi olumsuz etkilemektedir. Buna ilaveten kömür işletmesinin kurulu olduğu maden sahasından çıkarılan kömür de nem, kül ve kalori değerleri açısından farklı değerlere sahip olabilir. Bu değerler önceden tespit edilerek; düşük karbon ve yüksek kül değerlerine sahip olan yığının, yüksek karbon ve düşük kül değerlerine sahip olan yığınla karıştırılmasıyla yanma verimi artırılabilir. Kömürün içeriğinin tespitinde çeşitli yöntemler kullanılmaktadır. Bunlar kimyasal ve nükleer analiz teknikleri olarak sınıflandırılabilir. Laboratuvar ölçeğinde yapılan kimyasal analizlerin gerçekleştirilmesi, hem zaman alması hem de analizi yapılan numuneye zarar verdiğinden günümüzde işlevselliğini yitirmiştir. Ticari olarak en çok kullanılan teknik, 252Cf gibi izotropik nötron kaynağının konveyör bant veya oluk üzerindeki numunenin nötronla ışınlanmasına dayanmaktadır. Bu methodla, gamma (g) ışınlarıyla sonuçlanan elastik olmayan nötron saçılması içeren (n,´ng) ve (n, pg) yöntemi ile radyoaktif nötron yakalama (n, g) yöntemi, içeren nükleer-nötron etkile¸simlerinden faydalanılır. 252Cf gibi radyoaktif kaynak yöntemleri ortalama 2.5 MeV civarında nötron üretirler. Bu sebeple, bu sistemler çoğunlukla yavaş nötronlar üzerinden gerçekleşen, nötron yakalama (n,g) işlemlerine dayanır. Özellikle kömür analiz cihazlarında, element analizinde önemli rol oynayan elementlerden birisi karbondur. 252Cf kaynak kullanırak karbon elementinin tespiti, C (n,g) reaksiyonundaki gama ısınının (4935.301 keV) ölçülmesiyle gerçekleştirilir. Bu reaksiyon kanalı oldukça zayıf olup dahası Si (4933.889 keV) gibi başka elementlerle gamma enerjileri üstüste binmiştir. Öte yandan izotropik nötron kaynakları daha dü¸sük enerjide ve yoğunlukta nötron yayımlar. Karbon elementinin en ideal tespiti, tesir kesit değerinin en yüksek olduğu 4.439 MeV ile mümkündür. Ancak karbonun bu gamma enerjisindeki tespiti hızlı nötronların malzemeyle etkileşimi sonucu açığa çıkmaktadır. Bu yüzden reaksiyon eşik enerjileri yüksek olan C, N ve O elementlerinin anında belirlenebilmesi, bu tür kaynaklarla pek olanaklı değildir. Bu sorunu aşmak için, 14 MeV (hızlı) nötronların üretildiği döteryum – trityum (D-T) füzyon nötron üreteçleri kullanılır. Bu cihazlar izotropik nötron kaynaklarına göre çok pahallı olmasına ramen, istenildiğinde daha yüksek enerjide nötron akısı sağlar. Dahası, aynı nötron kaynak gücü için, izotropik kaynağın maliyeti, darbeli nötron üreteciyle kıyaslanabilir. Üstelik, izotropik nötron kaynağın sürekli radyasyon yayması sebebiyle, radyasyon güvenlik mevzusu da oldukça kritiktir. Bu çalışmada, kömür işletme sahasındaki konveyör üzerinde hareket kömürün içindeki kalori (kcal/kg), nem (%), kül (%) ve kükürt (%) miktarının nükleer teknikler kullanılarak belirleyecek bir prototip cihazın tasarlanıp, modellenmesi amaçlanmıştır. Bu amaçla yığınsal malzeme analizinde kullanılan "Nötron nelastik Saçılma" ve "Termal Nötron Kapma" tekniklerinin beraberce kulllanıldıgı "Nötron nelastik Saçılma - Termal Nötron Kapma" (NISTA) nükleer tekniğinden kullanılmıştır. Prototip cihaz, darbeli modda çalışabilen nötron üreteci, gama ışını detektörü, dedektörü yüksek enerjili nötronlardan koruyacak gölge zırhlaması olarak kullanılan demir blok ve radyasyon zıhlaması özelliğine sahip kurşun bloklardan oluşmaktadır. Darbeli olarak çalı¸sabilen nötron üreteci, elektronik olup döteron-trityum reaksiyonu sonucunda ortaya çıkan 14 MeV enerjili nötronlar üretmektedir. Bu çalışmada nötronların indüklemesi sonucunda kömür içindeki elementlerin kendine has karakteristik gamma ışınları bir sintilasyon tipi gama ışını detektörü ile sayılmaktadır. Sintilasyon dedektörleri arasında nispeten daha düşük çözünürlüğe sahip olsa da, yüksek verimliliği sebebiyle BGO sintilasyon dedektörü tercih edilmiştir. Prototip cihazın imalatından önce çeşitli performans ve test çalışmaları yapılmıştır. BGO dedektörü üzerinde enerji, şekil, lineerlik, çözünürlük ve verim kalibrasyonu çalışmaları yapılmıştır. Türkiye'nin Ege Bölgesindeki linyit kömürünün içerdiği nem, karbon, kükürt ve küle sebep olan mineraller üzerinde yapılmış çalışmalardan yola çıkarak sentetik kömür numune setleri hazırlanmıştır. Bu numune setleri kullanarak, nötron üretecinin darbeli modda çalışması test edilmiştir. Nötron üreteci açık konumdayken, hızlı nötronların malzemeyle etkileşmesi sonucu elde edilen gama spektrumları; nötron üreteci kapalı konumdayken yavaş nötronların malzemeyle etkileşmesi sonucu elde edilen gama spektrumları elde edilmiştir. Hazırlanan 2 kglık kömür numunelerine ait toplam gama spektrumları arasında dikkate değer bir fark elde edilememiştir. Bu spektrum sonuçlarına, deney düzeneğini çevreleyen beton duvarların sebep olduğu yüksek miktarda çevresel radyasyonun sebep olduğu düşünülmüş ve ilerleyen aşamalarda daha yüksek miktarlarda kömür numunesiyle çalışma yoluna gidilmiştir. Prototip cihazın modellenmesinde MCNP5 ve GEANT4 olmak üzere iki ayrı simülasyon programı kullanılmıştır. Simülasyon kapsamında prototip cihazı oluşturan sentetik kömür örnek setleri oluşturulmuştur. Elde edilen simulasyon kömürlerin gama spektrumları, imalatı tamamlanan prototip cihazın kullanılması sonucu elde edilen gerçek kömür numunesine ait gama spektrumlarıyla karşılaştırılmıştır. Prototip cihazın lineer olmayan yapısından dolayı, deneysel olarak elde edilmiş darbeli modda Hızlı ve Yavaş Nötron Aktivasyon Analizi (PFTNAA) spektrumun analizi oldukça zordur. PFTNAA gibi deneysel analiz yöntemlerinin kullanıldığı durumlarda, spektrumlarda gözlemlenen lineer olmayan radyasyon etkileri düzelten en yaygın matematiksel yaklaşım "En Küçük Kareler Kütüphane" (LLS) metodudur. Bu teknik hem deneysel olarak elde edilen element içerikleri bilinen kömür örneklerini kullanarak yapılabileceği gibi hem de modellemede kullanılan MNCP5 ve GEANT4 kodlarının kullanılmasıyla da yapılabilmektedir. Böylece, cihazın sebep olduğu lineer olmayan deneysel etkiler, iterasyon metodu ve simulasyon kütüphanesine dayalı olarak hesaplanan sonuçların, daha önceden bilinen sonuçlarla karşılaştırılmasıyla en aza indirgenebilir. Bu yaklaşımdan yola çıkarak, Monte-Carlo En Küçük Kareler Kütüphane (MCLLS) metodu kömür numunelerinin element içeriğini analiz etmek için kullanıldı. Bu çalışmada deneysel olarak elde edilen kömür örneklerine ait spektrumların hem MCNP5 hem de GEANT4 kodlarıyla elde edilen element kütüphaneleri kullanılarak spektrum analizleri gerçekleştirilmiştir. Element kütüphanesi oluşturulurken sabit küresel bir hacim, sadelik teşkil etmesi açısından her iki simulasyon programı için de tercih sebebi olmuştur. Deneysel spektrumlar için kullanmadan önce LLS metodu, MCNP5 ten elde edilen kömür spektrumu üzerinde test edilmiştir. Sonuçların tutarlı bulunması üzerine metodun deneysel spektrum üzerinde uygulanmasına geçilmiştir. LLS metodu için, öncelikle tek tek bütün elementlere ait spektrum kütüphanesi bilinmelidir. Bu sebeple H, C, O, Mg, Al, Si, S, Ca, Fe, N elementleri için ayrı ayrı MCNP5 ve GEANT4 simulasyon programı kullanılarak; MCNP5 LLS ve GEANT4 LLS ye ait spektrumlar elde edilmiştir. 10 elemente ait içeriğin bulunabilmesi için en az 11 adet element içeriği önceden bilinen deneysel spektrum gerekmektedir. Farklı kimyasal içeriğe sahip ve analizi önceden yapılmış olan yaklaşık 40 kg lık 11 adet kömür numunesi hazırlanmıştır. Her bir kömür numunesi 1 er dakika prototip cihaz bünyesinde bulunan nötron üreteci ile ışınlanmış, elde edilen gamma ışınları BGO detektörü ile kaydedilmiştir. Elde edilen spektrumlar LLS nin matris hesaplamaları yardımıyla matematiksel bir işleme tabi tutulmuştur. İçeriği bilinen kömür spektrumları ile element kütüphenelerinin matris çarpımlarının tersinden yola çıkarak önce bu element kütüphaneleri için uygun katsayılar elde edilerek kalibrasyon sağlanmıştır. Daha sonra, elde edilen bu katsayılarla ilişkilendirilmiş olan element kütüphaneleri, aynı deneysel kömür numuneleri üzerine içerikleri bilinmiyormuş gibi uygulanarak fit edilmesi sağlanmıştır. Böylece element içeriklerinin yüzdelikleri belirlenmiş olur. Hem MCNP5 hemde GEANT4 LLS metodunun kullanılmasıyla elde edilen element içerik değerlerinin laboratuar analiz sonuçlarıyla karşılaştırılması yapılmıştır. Karbon, kül, nem, sülfür ve azot için; her iki simulasyon programıyla elde edilen sonuçların analiz sonuçlarından sapma miktarı bu cihazlar için belirlenen yüzde 0,5 lik güvenilirlik değerinin altında bulunmuştur. Üretilen bu prototip cihazla, herhangi bir yığınsal malzeme içindeki temel elementlerin yüzdelik olarak oranları belirlenebildiği için oldukça geniş kapsamlı bir özelliğe de sahiptir. Cihaza farklı konumlarda dedektör takviyesi yapılarak, daha farklı endüstriyel ürünlerin de analizleri yapılabilir. Hali hazırda ülkemizde henüz üretilmemiş olan parçalar; gerçek ölçüsüne, geometrisine ve konumlanmasına uygun olacak şekilde oluşturulmuştur. Ege Bölgesindeki linyit kömürünün içerdiği nem, karbon, kükürt ve küle sebep olan minerallerin oranları dikkate alınarak, simülasyon programında kullanılan kömür malzemesi oluşturulmuştur. Bu kapsamda kömür malzemesi olarak, nem miktarı için H2O; kül için SiO2, Al2O3, Fe2O3, CaO, MgO bileşikleri; hava kirliliğine sebep olan kükürt ve enerjinin kalorifik değerinin elde edileceği karbon elementinin kütlece yüzdeliği uygun aralıkta girilerek, simülasyonda kullanılan bu tip bir prototip cihazın, yurt dışında bulunan benzer cihazlarla ölçüm hassasiyeti konusunda kıyaslaması yapıldığında, gayet tatmin edici sonuçlara sahip olduğu bulunmuştur.

Coal has a significant role as an energy source of the future in electricity generation worldwide. In Turkey, coal is essential as an energy source, since coal-fired power plants currently fuel about 31% of global electricity. For our country, the processes of improving the quality and preparation of the coal is important to produce the energy efficiently from the coal power plant. For that purpose, an instrument using some nuclear techniques was developed to be able to determine the content of the ash, moisture and calorific value of the coal moving on the conveyor belt as on-line. Due to the fact that being non-destructive and sensitive for some elements, neutron activation analysis (NAA) is an important technique for identifying the specific elements in materials. The technique of most devices is based on using a radioisotope such as 252Cf. The irradiation of samples depend on neutron interactions which are neutron inelastic scattering (n,n`g), and the neutron radiative capture (n,g). Because of the average neutron energy of 252Cf is about 2.5 MeV, this neutron source is convenient to analyze the samples including only the process of thermal neutron capture (n,g). The carbon content of coal which is important parameter to determine the quality of the coal, can not be detected by using 252Cf source. Therefore, a neutron generator is used to produce fast neutrons of 14 MeV releasing from deuterium – tritium (D-T) fusion reactions for the prototype device. The prototype device is composed of a neutron generator, a scintillation detector, an iron block for shadow shielding and lead shield of BGO detector. The neutron generator is a device which can be operated with pulsed mode. Therefore, the obtained gamma rays can be classified according to their interactions induced with thermal neutrons or fast neutrons. The choice of a detector is pretty significant issue for designing the prototype device. The scintillation type of detector is preferred for the reason that has high efficiency and more endurance to neutron radiation damage. As a scintillation detector, Bismuth Germinate Oxide (BGO) is chosen. The characteristic features of the BGO is studied in detailed. The energy resolution, efficiency, shape calibration are calculated by using radioactive point sources such as 60Co, 137Cs, 152Eu. Additionally, The response functions of BGO detector are experimentally found to apply on the spectrum obtained from simulation programs. A prototype apparatus can be modelled to provide nuclear techniques by using Monte Carlo simulation programs. Monte Carlo N-Particle 5 (MCNP5) and Geometry And Tracking 4 (GEANT4) simulation programs are used to design the geometry and physical interactions of the prototype apparatus. The synthetic coal samples including different element contents are simulated and analyzed.There are plenty of ways to analyze a bulk system including gamma spectrum. Some of them are peak area determination, neural network algorithm and Monte Carlo Library Least Square (MCLLS) fitting. Analyzing the obtained spectra from Pulsed Fast and Thermal Neutron Analysis (PFTNA) experiment is very difficult due to its non-linear nature. Library Least Square is a common mathematical approach for treating non-linear radiation effects in cases such as PFTNA. In this study, MCLLS technique is applied by using MCNP5 and GEANT4 simulation programs. With the aid of fixed spherical geometry, the elements inside of the coal sample are simulated individually. The obtained spectrum from MCNP5 and GEANT4 are used to build up an element library of coal sample. The method is applied on experimental spectrum which have analysis reports including element contents. So the experimental spectrum are provided to calibrate according to element library. Then, the calibrated element library is used to calculate the contents of unknown spectrum obtained experimentally. By using this mathematical approach, the element contents of experimental coal spectrum are aimed to calculate in the range of measurement precision defined commercially before.