Nükleer Enerji ve Radyasyon – Koruyucu Boya ve Kaplamalar

Ocak 10, 2018, 4:14 pm
17 dakika

 

 

Tolga Dıraz
Yüzey Koruma Komitesi (TK-4) Başkanı
Türk Yapısal Çelik Derneği (TUCSA)

 

 

Nükleer Enerji Nedir?
Nükleer, Latince “Nucleus” kelimesinin sıfatlaşmış halidir ve kelime anlamıyla “atom çekirdeği ile ilgili olan” demektir. Nükleer
Enerji ise, atom çekirdeği veya çekirdeklerinin içinde olduğu tepkime sonucu oluşan enerjiye denmektedir. İki farklı türde nükleer
tepkimesi vardır: Nükleer Fizyon (ing. Nuclear Fission) ve Nükleer Füzyon (ing.Nuclear Fusion):

Nükleer Fizyon denince, atom çekirdeğinin kendinden daha küçük parçalara ayrılması tepkimelerine denir. Bu tepkimeler sırasında
Nükleer Enerji ile birlikte radyoaktif yan ürünler oluşmaktadır. (Örneğin U235 Uranyum izotoplarının bölünerek, ortaya nötronlar ile
birlikte Baryum ve Kripton izotopları oluşturması gibi)

Nükleer Enerji

1Bu makalede, ABD teknolojisine sahip nükleer tesisler ve buna bağlı boyalar/kaplamalar incelenmektedir. Diğer ülkelerin nükleer
tesislerinde kullandıkları teknoloji ve buna bağlı dizayn/tasarımları farklı olabilir. Bu da seçilecek boya veya kaplamanın tipi ve diğer
fiziksel özelliklerinde (film kalınlığı gibi) farklılıklara neden olabilir.2İzotop, bir element içindeki proton sayısının aynı olmasına karşın,
NÖTRON sayısı farklı olması nedeniyle oluşmuş yeni atomik düzenine denir. Örneğin, doğada kendiliğinde oluşmuş olan 3 adet
Uranyum izotopu vardır: U234, U235 ve U238.

Nükleer Füzyon tepkimelerinde ise, iki hafif atom birleşerek (ing.Fusing) kendilerinden daha büyük atomlar oluştururlar. (İki Hidrojen
izotopunun –Deutruim ve Tritium- birleşerek Helium atomunu oluşturması gibi) Bu aslında, Güneşimiz ve diğer yıldızların enerji
kaynağı olan ancak çok yüksek sıcaklık ve basınç gerektirdiği için daha yüksek yatırım maliyetine sahip bir nükleer teknolojidir.
Nükleer Füzyon Tepkimeleri ve Reaktörleri ile daha ayrıntılı bilgiye, Dünya Nükleer Birliği web sitesindeki kaynaklardan
ulaşabilirsiniz.

Nükleer Enerji

 

1Güneş devasa bir Hidrojen kaynağıdır 2 Güneş içinde, hidrojen atomları o kadar ısıtılır ki artık elektronların atom çekirdeği içindeki
protonların etrafında dönmediği plazma haline dönüşürler. Boşa çıkan atom çekirdeği daha sonra birbirleri ile birleşerek Helyum
atom ve netronlarını oluştururlar. Bu füzyon prosesi enerji açığa çıkarır.

Günümüzde Nükleer Enerji denince aslında, atom çekirdeğinin parçalanması ve daha hafif atomları ile sonuçlanan Nükleer Fizyon
tepkimeleri sonucu oluşan Nükleer “Fizyon” Enerjisi konuşulmaktadır.

3Nükleer Fizyon Enerjisi, bundan sonra sadece Nükleer Enerji olarak anılacaktır.

Nükleer Teknoloji Tarihçesi
Bu teknolojinin tarihçesi 1900 yılların başlarında Avrupa’da başlamış olup (Antoine Becquerel’in 1896’da Uranyum elementinin
radyoaktif özelliklerini keşfi, daha sonra Ernest Rutherford, Marie Curie ve Enrico Fermi) 2. Dünya savaşı öncesi ve sonrasında,
nükleer silahlanma ihtiyacı nedeniyle, Amerika Birleşik Devletleri’nde nükleer endüstride ciddi teknolojik gelişmeler ortaya
çıkabilmiştir.

Dünyadaki bilinen ilk nükleer reaktör, 1942’lerin sonunda Enrico Fermi tarafından liderlik edilen bir ekip tarafından Chicago
Üniversitesi’nde kurulmuş Chicago Pile-1 isimli deneysel nükleer reaktördür.

Dünyadaki ilk ticari nükleer tesisler ise, 2. Dünya Savaşından sonra 26 Haziran 1954 tarihinde Obninsk, Rusya’da APS-1 isminde
ve 5 MW elektrik gücüne sahip bir nükleer tesisti.

Nükleer Enerji

Boyalar/Kaplamalar – Neden Özel ve Önemli?
Nükleer sektöründe Boya ve Kaplama malzemeleri (ing. Coating), estetikten çok daha fazla şey ifade etmektedir. Zira birincil
görevleri, nükleer tesiste oluşabileceği henüz tasarım aşamasında varsayılan en kötü durumdaki kazalar (design-basis accidents:
DBA) sırasında tesisin, sistemlerinin, yapılarının ve yardımcı bileşenlerinin kaza sırasında herhangi bir zararlı kimyasal (özellikle
radyoaktif madde) salınımına engel olması beklenir. Bu nedenle özellikle nükleer tesisin bazı bölgelerinde (aşağıda belirtilecektir)
DBA’ya uygunluk testleri yapılması istenmektedir.

Nükleer enerji elde edilirken ise, yukarıdaki radyasyon tiplerinden etrafa (Alfa-beta-gama ışımaları, X-ray gibi) yüksek enerjili
radyasyon yayılmaktadır. Bu radyasyon türlerinin en büyük özelliği, sahip oldukları yüksek enerjileri nedeniyle boya filmini oluşturan
polimerlerindeki kimyasal bağları kırabilmesi ve bu nedenle boya/kaplama filmini bozabilmesi ve hatta altındaki yüzeye kadar nüfuz
edebilmesidir!

 

 

Görülebileceği gibi, Nükleer Tesislerde kullanılacak boyalar ve kaplamaların seçimi kritiktir. Bu nedenle, bu konuda 1950’lerden
beri sayısız test ve saha çalışması yapılmış ve çok sayıda endüstriyel standart yayınlanmıştır. Bu standartlardan en önemlileri
şunlardır:
•ANSI N5.12 – Nükleer Endüstri için Koruyucu Kaplamalar (Boyalar).
•ASTM D5144 – Nükleer Enerji Santrallerinde Koruyucu Boya/Kaplamaların Kullanımı ile ilgili Standart.
•ASTM D4537 – Nükleer Tesislerde Boya/Kaplama ve Astarlama Enspeksiyon İşlerini Gerçekleştirecek Personeli Kalifiye Etmek
ve Sertifikalandırmak için Kullanılacak Prosedürleri Oluşturmak için Standart Rehber.
•ASTM D4538 – Nükleer Enerji Santrallerinde Kullanılacak Koruyucu Boya ve Kaplama Malzemeleri ile İlgili Standart Terminoloji.

Yukarıdaki standartlarda detaylı olarak hem hangi boyaların hangi kriterlere göre seçilmesi gerektiği, hem de hangi boya/kaplama
malzemesinin nerelerde kullanılabileceği açıkça belirtilmektedir. Ayrıca, konudaki ASTM standartları seti belirli aralıklarla
güncellenerek, endüstride kazanılan tecrübeler ve bilgiler bu standartlara aktarılmaktadır.

Özellikle ASTM D4538 standardında, nükleer tesislerde kullanılacak boyalar/kaplamalar, tesiste kullanılacakları yere göre
sınıflandırılmıştır:
Boya/Kaplama Hizmet Seviyesi I (Coating Service Level I) – Muhafaza içindeki (ing. inside containment) Reaktör muhafazası
içindeki alanları kapsar. Boya/kaplama başarısızlığı kaza-sonrası akışkan sistemlerinin operasyonunu etkileyebilir ve bu nedenle
güvenli bir biçimde nükleer tesis kapatılamayabilir (Radyoaktif sızıntıya engel olamayabilir).

Boya/Kaplama Hizmet Seviyesi II (Coating Service Level II) – Reaktör muhafazası dışındaki alanları tanımlayan terimdir. Boya/
kaplama başarısızlığı, nükleer tesisin normal çalışma performansına zarar verebilebir ancak çalışmasını engellemez. Level 2 boya/
kaplama malzemelerinin temel işlevi, radyasyona ve radyoaktif çekirdeklere maruz kalan reaktör muhafazası dışındaki alanlar için
korozyon koruması ve dekontaminasyon sağlamaktır.

Boya/Kaplama Hizmet Seviyesi III (Coating Service Level III) – Reaktör muhafazası dışındaki boya/kaplama başarısızlığında
nükleer tesisinin güvenlik ile ilgili bir yapısının/sisteminin/bileşeninin güvenlik işlevini etkileyebilecek alanları tanımlamaktadır
(Güvenlik ile boya/kaplama malzemeleri).

 

Water vapor: Su buharı , Cooling Tower: Soğutma Suyu , Warm Water Inlet:
Ilık su girişi , Transformer: Trafo , Generator: Jeneratör , Pump: Pompa ,
Cold water basin: Soğuk su havuzu , Cold water source: Soğuk su kaynağı ,
Cooling water: Soğutma suyu , Condenser: Yoğuşturucu , Turbine: Türbin ,
Steam lines: Buhat hatları , Containment buiding: Muhafaza Binası, Steam
generator: Buhar üreteçleri , Uranium fuel: Uranyum yakıtı, Reaktör vessel:
Reaktör tankı , Control rods : Kontrol çubukları

 

Bu sınıflandırmaya ve ASTM standartlarına uygun olarak boya seçimi yapılır. Detaylara girmeden, bu sınıflara uygun boyalar şöyle
özetlenebilir:

Boya/Kaplama Hizmet Seviyesi I Boyalar/Kaplamalar
Bu sınıflandırmada yer alan boya/kaplamalar ikiye ayrılmaktadır:
1. Gömülü Olmayan Çelik/Beton Yüzey Yüzeyleri: Bu yüzeyler için radyasyon dayanımları diğer boyalara göre daha yüksek
olduğu bilinen İnorganik Çinko Silikat, Epoksi ve Epoksi Fenolik boya/kaplama sistemleri önerilmektedir. Zira bu tipteki boya/
kaplama malzemeleri, hem yüksek çapraz-bağ kimyasal bağ yapıları nedeniyle korozyon dayanımları ve nükleer tesiste
bulanabilecek kimyasallara (asitler, bazlar ve deionize su gibi) karşı daha dayanıklıdırlar (Geçirgenlik/Permeability katsayıları daha
düşüktür). Bu boya/kaplama sistemleri öncesinde, SSPC SP 10/ISO 8501 Sa 2½ yüzey hazırlığı mutlaka yapılmalıdır.

2. Gömülü Çelik/Beton Yüzeyler (Basınç-düşürme Odacıkları/Havuzları)
Bu odacıklar/havuzlar, bir “soğutma sıvısı-kaybı-kazası” (loss-of-coolant-accident- LOCA) esnasında reaktörü soğutma görevi
üstlenmiştir. Bu nedenle içinde sürekli çevre su kaynaklarından aldığı su ile doludur. Dolayısıyla, bu yüzeylere seçilecek boya/
kaplama malzemeleri, sürekli su maruziyetine dayanıklı olmalıdır. Bu nedenle İnorganik Çinko/Epoksi boya sistemleri bu
yüzeylerde kullanılabilir.

Boya/Kaplama Hizmet Seviyesi II Boyalar/Kaplamalar
Bu bölgedeki boya/kaplama sistemleri güvenlik ile ilgili değildir ancak radyasyona maruz kalabilirler ve dekontaminasyon
gerekebilir. Bu bölgede şu tipte/boya kaplama malzemeleri kullanılabilir:

•Solvent-bazlı Epoksiler
•Su-bazlı Epoksiler
•Fenolik Epoksiler
•Siloksanlar
•Poliüretanlar
•Fenolik Alkidler
•Akrilikler

Boya/Kaplama Hizmet Seviyesi III Boyalar/Kaplamalar
Bu sınıftaki boyalar/kaplamalar reaktör muhafazası dışında kullanılacağı için, radyasyon veya radyoaktif atom çekirdeklerine maruz
kalmayacaktır. Bu nedenle, yukarıda bahsedilen DBA testleri gerekmez. Ancak gömülü hizmet alanlarında kullanıldığında,
güvenlikle-ilgili sistemlerin ve bileşenlerin performansını etkileyebileceği için güvenlikle-ilgili olarak sınıflandırılmaktadır. Aşağıdaki
kısımlar Level III boya/kaplama malzemelerinin nerelerde ve hangi türde kullanılabileceği hakkında genel bilgi vermektedir:

Servis Su Sistemleri
Bu sistemlerde reaktörü soğutan su bulunmaktadır ve sürekli su maruziyeti nedeniyle bu bölgeler korozyona karşı astarlanması
gerekmektedir. Astar malzemeleri Çimento, Vulkanize Kauçuk, Epoksi ve Fenolik Epoksi olabilir.
Su Hazneleri
Burada da süreki su teması olacağı için %100 katılı Epoksi veya Vulkanize Kauçuk olabilir. Pompa içlerini ve pervaneleri ise,
Seramik-dolgulu Epoksi ile başarılı olarak astarlanabilir.
Depolama Tankları
Proses suyu, su-arıtma kimyasallar ve ion-değişim ortamının rejenerasyonu için kullanılan bu depolama tankları da kimyasal saldırı
ve sıvı nüfuz etmesine karşın astarlanmalıdır. Kullanılacak astarlar; Epoxy, Novalak Epoksi, Vinil, Vinil Ester ve Cam-pulcuklu
Poliester olabilir.

Bu sınıftaki boya/kaplama uygulamalarından önce en iyi yüzey hazırlığı seviyesi olan ISO 8501-1 Sa 2½ / SSPC SP5 seviyesinde
bir aşındırıcı kumlama temizliği, nükleer endüstride zorunlu tutulmaktadır!

Nükleer Tesisin Geri-kalanındaki Boyalar/Kaplamalar (Balance-of-Plant Coatings-BOP)
Hizmet Seviyesi I,II ve III dışındaki boyalar/kaplamalar dışında kalan “Nükleer Tesisin Geri-kalanındaki Boyalar/Kaplamalar“ veya
İngilizce kısaltması ile BOP olarak adlandırılmaktadır. Bu alanlarda, diğer fosil-yakıtlı enerji santrallerinde/rafinerilerde ve
endüstriyel üretim tesislerinde kullanılan boyalar/kaplamalar kullanılabilir.

Özet
Ticari Nükleer Enerji Tesisleri oldukça ağır şartname ve yönetmeliklere sahiplerdir ve boya/kaplama seçimi de ulusal/uluslararası
standartlara ve istenilen test sonuçlarına göre dikkatlice yapılmalıdır. Ayrıca bu boyalar/kaplamaların da uygulaması için kalifiye/
sertifikalı personel gerekebilir. Tüm bu boya/kaplama seçimi ve uygulanması diğer endüstriyel boya/kaplama projelerinden çok
daha farklı olacaktır. Zira, bu süreçler sırasında yapılacak küçük bir hata hem ciddi ekonomik kayıplara hem de insan/çevre
sağlığına mal olabilir.

Bu nedenle yukarıda bahsedilen hususlar sadece özet bilgiler içermektedir. Daha ayrıntılı bilgiler paylaştığım “Referanslar”
kısmından edinilebilir.

Yeni bir yazıda görüşünceye kadar, güzel günler ve iyi çalışmalar dilerim. Hoşçakalın…

Referanslar
1. Nuclear power plants, world-wide: https://www.euronuclear.org/info/encyclopedia/n/nuclear-power-plant-world-wide.htm
2. Nuclear Fission and Fusion: https://www.diffen.com/difference/Nuclear_Fission_vs_Nuclear_Fusion
3. The ABC’s of Nuclear Coatings – What’s So Special? – John R. Cavallo, PE, FASTM, Enercon Services Inc.
4. ASTM D5144 – Standard Guide for Use of Protective Coating Standards in Nuclear Power Plants
5. Corrosion in Power Plants: Operating Conditions and Maintanance Planning – E. Bud Senkowski, KTA-Tator,Inc. – JPCL Kasım
1997
6. Developing a Maintanance Program for a Nuclear Power Plant – Don A.Hill, PE – JPCL Kasım 1996
7. Radiation-induced Degradation of Coatings – Clive H. Hare – JPCL Ağustos 2000
8. Coating Program Requirements at Nuclear Power Plants – Daniel E. Cox – JPCL Temmuz 2011
9. ASTM D4538 – Standart Terminology Relating to Protective Coating and Lining Work for Power Generation Facilities
10. U.S. Nuclear Regulatory Commision Regulatory Guide 1.54
11. Protective Coatings System For Nuclear Power Plant ad Corrosive Environments – S. Guruviah, M.Sundaram, V.
Chandrasekaran, P. Jahakrishnan, K. Raghupathy, V. Ganesa Sarma, Bulletion of Electrochemistry, Temmuz-Ağustos 1986
12. A New Design for Nuclear Power Plants and Its Effect on Coating Requirements – Micheal C. Durbin, Kristin Ruth – JPCL
Haziran 2014

 

  • (gizli tutulacaktır)