Enerji sektöründe verimlilik arayışı, bilim insanlarını doğanın milyonlarca yıllık mühendislik harikalarına yöneltti. ABD'deki Idaho Ulusal Laboratuvarı (INL) araştırmacıları, nükleer yakıt teknolojisinde çığır açabilecek yeni bir tasarım geliştirdi. Geleneksel silindirik yakıt çubuklarının yerini alması hedeflenen bu tasarım, doğada kelebek kanatlarında, deniz kestanesi kabuklarında ve kemik iliğinde rastlanan ‘üçlü periyodik minimal yüzeyler’ (TPMS) adı verilen karmaşık geometrik yapılara dayanıyor.
SİLİNDİRİK ÇUBUKLARDAN MATEMATİKSEL KAFESLERE
INL tarafından geliştirilen ve ‘Güçlendirilmiş Isı Değişimi için İç İçe Geçmiş Nükleer Yakıt Kafesi’ (INFLUX) olarak adlandırılan proje, 20. yüzyılın ortalarından kalma basit boru tabanlı ısı eşanjörlerini geride bırakmayı hedefliyor. TPMS yapıları, belirli bir hacim içinde mümkün olan en geniş yüzey alanını oluşturarak, sabun köpüğü zarına benzeyen matematiksel bir verimlilik sunuyor.
INL araştırmacısı Nicolas Woolstenhulme, geliştirdikleri teknolojiyi şu sözlerle özetledi: "Üçlü periyodik minimal yüzeyleri incelediğimizde, bunun nükleer yakıt için en uygun geometriye doğanın verdiği bir cevap olduğunu gördük."
ISI TRANSFERİNDE 3 KAT ARTIŞ
Wisconsin Üniversitesi iş birliğiyle yürütülen laboratuvar testlerinde, INFLUX yakıt kafesinin 3 boyutlu yazıcıyla üretilen prototipleri zorlu ısı testlerine tabi tutuldu. Hem gaz hem de sıvı soğutucularla yapılan deneyler, TPMS tabanlı tasarımın, standart yakıt çubuklarına kıyasla ısıyı yaklaşık üç kat daha verimli transfer ettiğini ortaya koydu.
Bu verimlilik artışı, reaktörlerin daha düşük sıcaklıklarda çalışarak termal stresi azaltmasına, buna karşın güç çıkışını önemli ölçüde artırmasına olanak tanıyor. Modelleme çalışmaları, bu geometrinin daha ince yakıt kullanımıyla reaktör ekonomisinde ciddi iyileşmeler sağlayabileceğini gösteriyor.
KATMANLI İMALAT TEKNOLOJİSİYLE ÜRETİM
Nükleer sınıf malzemelerle bu karmaşık yapıların üretilmesi endüstriyel bir zorluk teşkil etse de ekip, ileri düzey katkı üretimi (3D baskı) ve sıcak izostatik preslemeyi birleştiren hibrit bir yöntem geliştirdi. Bu sayede hem seramik-metal hem de metal-metal prototipler başarıyla üretildi.
Yeni tasarımın güvenlik avantajları da dikkat çekiyor. INFLUX kafes yapısı, soğutma sıvısını daha geniş bir yüzeyde dolaştırarak kaza senaryolarında ısı giderimini hızlandırıyor. Ayrıca nötronların kaçış yollarını azaltarak nükleer tepkime verimliliğini artırıyor. Teknolojinin özellikle mikro reaktörler ve gaz soğutmalı yeni nesil sistemlerde kullanılması hedefleniyor.
