Oksit ve Nitrür Katkılı Yeni Yüksek Entropili Kompozit Malzemelerin Nükleer Radyasyon Zırhlama Özelliklerinin Araştırılması

Abstract

İyonize radyasyonun zararlı etkilerinden korunma yöntemlerinden biri olan radyasyon zırhlama, son yıllarda araştırmacıların dikkatini çeken bir alan haline gelmiştir. Etkili bir zırh malzemesi üretiminde, radyasyonun türü ve enerjisi dikkate alınmalıdır. X-ışınları ve gama ışınları yüksek yoğunluklu malzemelerle, nötronlar ise hidrojen içeriği yüksek hafif malzemelerle etkin biçimde zayıflatılabilmektedir. Bu tez kapsamında, Hf–Ti–Al–Cu–Ni ve Mo–Ti–Al–Cu–Ni esaslı iki farklı yüksek entropili alaşım üretilmiş; ayrıca bu alaşımlar farklı katkı oranlarında WO₃, Er₂O₃, Ta₂O₅, Bi₂O₃, TiN, ZrN, CrN ve BN bileşikleriyle takviye edilerek kompozit numuneler hazırlanmıştır. Üretilen numunelerin radyasyon zırhlama özellikleri, Baryum-133 radyoaktif kaynağından yayılan 81, 160, 276, 302, 356 ve 383 keV enerjili gama ışınları kullanılarak Ultra-Ge dedektörü ile deneysel olarak belirlenmiştir. Bu parametreler arasında kütle azaltma katsayısı (µ/ρ,(cm^2)/g), lineer azaltma katsayısı, yarı değer kalınlığı (Δ_0.5), etkin atom numarası (Z_eff ), elektron yoğunluğu (Nel) yer almaktadır. Aynı parametreler teorik olarak EpiXS programı kullanılarak hesaplandı. Elde edilen deneysel ve teorik sonuçlar karşılaştırıldı, ayrıca incelenen kompozit malzemelerin deneysel nötron zırhlama özellikleri ile teorik hızlı nötron azaltma tesir kesiti (ΣR) parametreleri hesaplanarak değerlendirildi. Ek olarak bu çalışmada üretilen malzemeler için buildup faktörleri (EBF ve EABF) EpiXS programı kullanılarak teorik olarak hesaplandı. Sonuç olarak, bu çalışma ile üretilen oksit ve nitrür katkılı yüksek entropili kompozit malzemeler, özellikle Bi₂O₃, WO₃ ve ZrN/BN takviyeli kompozitlerin hem gama ışınlarına hem de hızlı nötronlara karşı üstün zırhlama performansı sergilediği deneysel ve teorik olarak gösterilmiştir.

Radiation shielding, one of the methods for protecting against the harmful effects of ionizing radiation, has become a field that has attracted the attention of researchers in recent years. The type and energy of radiation must be taken into account when producing an effective shielding material. X-rays and gamma rays can be effectively attenuated by high-density materials, while neutrons can be effectively attenuated by lightweight materials with high hydrogen content. Within the scope of this thesis, two different high-entropy alloys based on Hf–Ti–Al–Cu–Ni and Mo–Ti–Al–Cu–Ni were produced. Furthermore, composite samples were prepared by reinforcing these alloys with WO₃, Er₂O₃, Ta₂O₅, Bi₂O₃, TiN, ZrN, CrN, and BN compounds at different additive ratios. Radiation shielding properties of the produced samples were determined experimentally with Ultra-Ge detector using gamma rays with energies of 81, 160, 276, 302, 356 and 383 keV emitted from Barium-133 radioactive source. These parameters include mass reduction coefficient (µ/ρ,(cm^2)/g), linear reduction coefficient, half-value thickness (Δ_0.5), effective atomic number (Zeff), electron density (Nel). The same parameters were calculated theoretically using the EpiXS program. The experimental and theoretical results were compared, and the experimental neutron shielding properties of the investigated composite materials were evaluated by calculating the theoretical fast neutron reduction cross section (ΣR) parameters. In addition, the buildup factors (EBF and EABF) for the materials produced in this study were calculated theoretically using the EpiXS program. In conclusion, it has been shown experimentally and theoretically that the oxide and nitride doped high entropy alloys produced in this study, especially the Bi₂O₃, WO₃ and ZrN/BN reinforced composites, exhibit superior shielding performance against both gamma rays and fast neutrons.