نانو سیالات انتخاب‌شده که در بخش قبل مورد بحث قرار گرفته‌اند شامل نانوسیالات زیر هستند.
اکسید مس
اکسید آلومینیوم
دی‌اکسید تیتانیوم
مس
اکسید هافنیوم
اکسید نقره
اثر تک‌تک این نانو سیالات و میزان اثر آن‌ها از نظر نوترونی مورد مطالعه قرار گرفت که در فصل‌های بعد به بیان نتایج این مطالعه می‌پردازیم.
۳-۴- بررسی خوردگی نانو سیالات
خوردگی^[۲]، اثر تخریبی محیط بر فلزات و آلیاژها می‌باشد. خوردگی، پدیده‌ای خودبه‌خودی است و همه مردم در زندگی روزمره خود، از بدو پیدایش فلزات با آن روبرو هستند. در اثر پدیده خودبه‌خودی، فلز از درجه ‌اُکسایش صفر تبدیل به گونه‌ای با درجه ‌اُکسایش بالا می‌شود.
M ——> M+n + ne (29-3)
در واقع واکنش اصلی در انهدام فلزات، عبارت از اُکسایش فلز است.
– تخریب سیستمها حاوی نانوسیال
فلزات در اثر اصطکاک، سایش و نیروهای وارده دچار تخریب می‌‌شوند که در مورد نانوسیالات بیشتر این مورد عامل اصلی تخریب سیستم‌های لوله­کشی می‌باشد. سیال حاوی نانوسیال با ایجاد اصطکاک بیشتر نسبت به سیال پایه به تنهایی، موجب فرسایش محیطی می‌شود که در آن جریان دارد. هرچند به دلیل آنکه سیال انتقال حرارت خوبی پیدا کند از فلزات و اکسید فلزات به عنوان نانوسیال استفاده می‌شود که خود موجب افزایش میزان و سرعت خوردگی شیمیایی می‌شود.
خوردگی یک فرایند خودبه‌خودی است، یعنی به زبان ترمودینامیکی در جهتی پیش می‌‌رود که به حالت پایدار برسد. البته M+n می‌تواند به حالت‌های مختلف گونه‌های فلزی با اجزای مختلف ظاهر شود. اگر آهن را در اتمسفر هوا قرار دهیم، زنگ می‌‌زند که یک نوع خوردگی و پدیده‌ای خودبه‌خودی است. انواع مواد هیدروکسیدی و اکسیدی نیز می‌توانند محصولات جامد خوردگی باشند که همگی گونه فلزی هستند. پس در اثر خوردگی فلزات در یک محیط که پدیده‌ای خودبه‌خودی است، اشکال مختلف آن ظاهر می‌شود.
به‌ندرت می‌توان فلز را به صورت فلزی و عنصری در محیط پیدا کرد و اغلب به صورت ترکیب در کانی‌ها و به‌صورت کلریدها و سولفیدها و غیره یافت می‌‌شوند و ما آن‌ها را بازیابی می‌کنیم؛ به‌عبارت‌دیگر، با استفاده ‌از روش‌های مختلف، فلزات را از آن ترکیبات خارج می‌کنند. یکی ازاین‌روش‌ها، روش احیای فلزات است. به‌عنوان مثال، برای بازیابی مس از ترکیبات آن، فلز را به‌صورت سولفات مس از ترکیبات آن خارج می‌کنیم یا اینکه آلومینیوم موجود در طبیعت را با روش‌های شیمیایی تبدیل به ‌اکسید آلومینیوم می‌کنند و سپس با روش‌های الکترولیز می‌توانند آن را احیا کنند.

(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))

برای تمام این روش‌ها، نیاز به صرف انرژی است که یک روش و فرایند غیر خودبه‌خودی است و یک فرایند غیر خودبه‌خودی هزینه و مواد ویژه‌ای نیاز دارد. از طرف دیگر، هر فرایند غیر خودبه‌خودی درصدد است که به حالت اولیه خود بازگردد، چراکه بازگشت به حالت اولیه یک مسیر خودبه‌خودی است. پس فلزات استخراج‌شده میل دارند به ذات اصلی خود بازگردند.
در جامعه منابع فلزات محدود است و مسیر برگشت طوری نیست که دوباره آن‌ها را بازگرداند. وقتی فلزی را در اسید حل می‌کنیم و یا در و پنجره دچار خوردگی می‌‌شوند، دیگر قابل بازیابی نیستند. پس خوردگی یک پدیده مضر و ضربه زننده به ‌اقتصاد است.
۳-۴-۱- اهمیت خوردگی در صنعت
خوردگی یکی از موارد معدودی است که اثر خود را نه‌تنها در مراحل طراحی، ساخت و تولید و بهره‌برداری نمایان می‌سازد، بلکه مبالغ عظیمی را نیز در مرحله حفاظت و نگهداری به خود اختصاص می‌دهد. ابعاد فاجعه انگیز خوردگی از نظر اتلاف ماده و انرژی و ضرر و زیان‌های زیست‌محیطی روشن نیست. لذا اکثراً با تصور اینکه مسائل مالی مربوط به خوردگی در بررسی‌های مالی- اقتصادی در سرفصل استهلاک دیده می‌شوند، از ابعاد واقعی قضیه بی‌خبر می‌مانند و درنتیجه اهمیت مسئله همواره در هاله‌ای از ابهام باقی می‌ماند. خوردگی را پدیدۀ میل ترمودینامیکی برای بازگشت به اصل خود فلز دانست و آن را چنین توضیح داد:
فلزات اکثراً به شکل ترکیبات شیمیایی در سنگ‌های معدنی موجود هستند. فلز در این حالت به خاطر وضعیت ترمودینامیکی خود، حالت پایدار دارد، یعنی از نظر ترمودینامیکی اگر نیرویی از خارج بر سنگ معدن وارد نشود، فلز میل دارد که در سنگ بماند و حالت ترکیبی خود را حفظ نماید. وقتی سنگ معدن از معدن جدا می‌شود، طی فرآیندهای خاصی، فلز از سنگ استخراج می‌شود و به حالت فلز خالص درمی‌آید.
عمل استخراج فلز، از نظر شیمیایی یک فرایند الکترون گیری یا احیا به‌حساب می‌آید. به‌این‌ترتیب فلز موجود در سنگ معدن، الکترون می‌گیرد و به حالت فلز خالص درمی‌آید؛ اما در اینجا وضعیتی ناگوار وجود دارد: الکترون‌هایی که طی فرایند استخراج گرفته‌شده‌اند، برای فلز به شکل مهمان ناخوانده درمی‌آیند. فلز علاوه بر الکترون‌هایی که خود دارد، الکترون‌های زیادتری را نیز طی استخراج به سوی خود جذب کرده، با جذب کردن الکترون‌های اضافی از ترکیب سنگ معدنی خارج شده است؛ اما این مهمانان تبدیل به ناخواستگانی شده‌اند که فلز دائماً در جستجوی راهی برای بیرون راندن آن‌هاست. به زبان ترمودینامیکی، بی‌قراری فلز را ناپایداری ترمودینامیکی می‌نامند.
هنگامی که فلز موفق به از دست دادن الکترون می‌شود، واکنش اُکسایش رخ می‌دهد و می‌گویند خوردگی اتفاق افتاده است. وقتی فلز خورده شد، آنچه از واکنش باقی می‌ماند (اصطلاحاً محصولات خوردگی) به لحاظ ترمودینامیکی پایدار خواهد بود و از این نظر مانند فلز در حالت معدنی (در حالتی که به شکل ترکیب در سنگ معدن وجود داشت) رفتار می‌کند. جالب آنکه از نظر شیمیایی نیز محصولات خوردگی مثل سولفات آهن، اکسید روی و غیره، همان ترکیباتی هستند که در سنگ معدن فلز یافت می‌شود.
استفاده از نانوسیالات در خنک‌کننده رآکتور هسته‌ای مبحثی است که به تازگی مورد توجه قرار گرفته است. دلیل عمده توجه به نانوسیالات در رآکتور هسته‌ای افزایش میزان انتقال حرارت سیال خنک‌کننده قلب رآکتور است. در رآکتور هسته‌ای میزان زیادی انرژی گرمایی تولید می‌شود (۳۰۰۰ مگاوات حرارتی بر سال) انتقال این حرارت از قلب رآکتور به سیال خنک‌کننده و سپس انتقال از سیال خنک‌کننده به سیال ثانویه در مولد بخار امری مهم و حیاتی است. استفاده از نانو سیالات باعث افزایش ضریب انتقال حرارت می‌شود. این افزایش بسته به شرایط همچون نوع نانو سیال و نوع سیال پایه می‌تواند مهم باشد. استفاده از نانو سیالات در نیروگاه‌های هسته‌ای محدودیت‌هایی بیشتر از دیگر صنایع دارد و آن به این علت است که در رآکتور هسته‌ای عوامل تاثیرگذار دیگری همچون خاصیت هسته‌ای و نوترونیکی نانو سیال وجود دارند. از دیگر عوامل نگران کننده، خوردگی تجهیزات گرانقیمت موجود در رآکتور هسته‌ای است که باعث شده است استفاده از نانو سیالات در خنک‌کننده رآکتور هسته‌ای با حساسیت بیشتری مورد بررسی قرار گیرد. در این مطالعه امکان استفاده از نانو سیالات در خنک‌کننده رآکتور هسته‌ای از سه دیدگاه نوترونی، خوردگی و اقتصادی مورد بررسی قرار میگیرد. در قسمت قبل امکان استفاده از نانوسیالات در خنک‌کننده رآکتور هسته‌ای از دید نوترونی مورد بررسی قرار گرفت.
۳-۵- بررسی اقتصادی
در مبحث استفاده از نانوسیالات باید در دو دسته بررسی اقتصادی انجام پذیرد.
هزینه اولیه نانوسیال و تامین آن
هزینه های خوردگی و هزینه های پمپاژ اضافی ناشی از وجود نانوسیالات
در نیروگاه‌های هسته‌ای علاوه بر شرایط عمومی صنعتی نظیر فشار و دمای بالا، شرایطی خاص که تنها مختص یک نیروگاه هسته‌ای است وجود دارد. مهمترین این شرایط هسته‌ای بودن و وجود مواد پرتوزا وهسته­ای در تمام سیستم لوله کشی مدار اول است. هرچند که فشار و دمای حاکم در نیروگاه هسته‌ای در هیچ صنعت دیگری مشاهده نمی‌شود و به دلیل مسائل و ملاحظات ایمنی بسیاری که ملزم به رعایت آن‌ها است، باعث شده است که جنبه های اقتصادی در نیروگاه هسته‌ای با حساسیت بیشتری مورد مطالعه قرار بگیرد. در اینجا به توضیح مختصری درباره دو دسته­ گفته‌شده در بالا می‌پردازیم.
۳-۵-۱- هزینه اولیه نانوسیال وتامین آن
با توجه به عوامل مختلف همانند مبحث انتقال حرارت و نوترونیک غلظت نانو سیال می‌توان از ۰٫۰۰۰۱ تا ۱ و حتی بیشتر و تا ۱۰ درصد حجمی باشد. به همین دلیل می‌توان با داشتن حجم کل مدار اول و چگالی نانوسیال به مقدار موردنیاز دست یابیم. البته با اعمال کردن میزان غلظت نانوسیال که عوامل دیگر تعیین کننده آن هستند. بطور نمونه حجم مدار اول یک نیروگاه هسته‌ای می‌تواند در حدود ۴۰۰ متر مکعب باشد و با درنظر گرفتن غلظت ۱ درصد حجمی برای نانوسیال در سیال پایه، میزان نانوسیال ۴ مترمکعب خواهد بود که با درنظر گرفتن دانسیته ۱۰۰۰۰ کیلوگرم بر ­متر مکعب (۱۰ گرم بر سانتیمتر مکعب) وزن نانوسیال موردنیاز ۴۰۰۰۰ کیلوگرم یا ۴۰ تن خواهد بود. قیمت اولیه نانوسیال برای هر کیلوگرم مشخص می‌باشد و شرکتهای زیادی عامل فروش آن هستند. پس با داشتن قیمت هر کیلوگرم نانوسیال می‌توان هزینه اولیه برای نانوسیال را حساب کرد؛ مثلا اگر قیمت نانوسیال ۱۰ دلار بر کیلوگرم باشد هزینه اولیه خرید نانوسیال ۴۰۰،۰۰۰ دلار خواهد بود که هزینه­ های انتقال به نیروگاه نیز به هزینه اولیه اضافه میشوند.
البته عوامل هزینه بر دیگری وجود دارد که باید مدنظر قرار بگیرند و در برآورد اقتصادی وارد محاسبات بشوند. ازجمله این عوامل فاصله محل خریداری نانوسیال و هزینه حمل نانوسیال به محل نیروگاه است. به دلیل تقاضای محدود خاص نانوسیالات بعضا مجبور به تهیه نانوسیال از کشور دیگری میباشیم که خود علاوه بر هزینه حمل و نقل هزینه های گمرگ نیز به آن اضافه میشوند.
چون در این مطالعه هدف امکان­سنجی استفاده از نانوسیالات در رآکتور هسته‌ای و جایگزینی برای بوریک اسید می‌باشد لذا می‌بایست تمام هزینه­ های مربوط به بوریک اسید نیز مورد مطالعه قرار گیرد تا با مقایسه دو مورد به نتایجی با دقت بالا برسیم.
۳-۵-۲-هزینه­ های خوردگی و پمپاژ ناشی از وجود نانوسیالات
برآوردی که درموردضررهای خوردگی انجام‌گرفته، نشان می‌دهد که سالانه هزینه تحمیل‌شده ازسوی خوردگی، بالغ بر ۵ میلیارددلاراست. بیش‌ترین ضررهای خوردگی، هزینه‌هایی است که برای جلوگیری ازخوردگی تحمیل می‌شود.
همانطور که گفته شدخوردگی یک واکنش طبیعی است ودائما انجام می‌شود و ما فقط می‌توانیم مقدار و سرعت آن را کم کنیم. خوردگی دارای زیان‌های بسیاری است که ماراوادارمی‌کندتا ترجیح دهیم این واکنش انجام نشود. انجام نشدن خوردگی مثل آن است که بخواهیم آبشاری به جای آنکه از بالای صخره به پایین بریزد، ازپایین به بالابریزد. اگرچه امکان نداردکه ریزش آبشارراوارونه کنیم، اما خواهیم دید که روش‌هایی وجود دارند که با بهره گرفتن از آن‌ها پدیدۀ نه‌تنها خوردگی را مهارکرد، بلکه آنرا برعکس نمود!
در نیروگاه هسته‌ای به دلیل شرایط طراحی و ساخت آن و همچنین استفاده از تجهیزات گرانقیمت، تعویض قسمتی از مدار بسیار هزینه آور است. پس باید خوردگی را به حداقل ممکن رساند. همچنین استفاده از نانوسیال در سیال پایه باعث افزایش توان موردنیاز برای پمپاژ سیال می‌شود که خود هزینه­ای بیشتر از حالت معمولی می طلبد و بایستی در برآوردهای اقتصادی این مورد در نظر گرفته شود. در این مطالعه سعی کرده­ایم تا هزینه­ های مربوط به استفاده از نانوسیال و خوردگی ناشی از آن را مورد مطالعه قرار دهیم.
۳-۶- معرفی کدهای مورداستفاده
۳-۶-۱- کد هسته‌ای MCNPX
کد MCNP(Monte-Carlo Method for Neutral Particles) یک کد هسته‌ای برای شبیه‌سازی فرآیندهای هسته‌ای است که توسط آزمایشگاه ملی Los Alamos ایالات‌متحده در سال ۱۹۵۷ ساخته‌شده است که تا امروز نسخه‌های متعددی از آن ارائه‌شده است. اصولاً MCNP برای شبیه‌سازی فرآیندهای هسته‌ای همچون شکافت اتمی ساخته‌شده است اما توانایی شبیه‌سازی برخورد ۳۴ نوع مختلف ذره (هسته و یون) و بیش از ۲۰۰۰ یون سنگین در تمامی انرژی‌ها را دارد. به‌طورکلی زمینه‌های کاربرد MCNP را می‌توان به شکل زیر دانست]۲۱[.
انجام محاسبات حفاظت اشعه و دزیمتری^[۳].
حفاظ سازی اشعه^[۴].
پرتونگاری^[۵].
فیزیک پزشکی.
ایمنی بحرانیت هسته‌ای.^[۶]
طراحی و آنالیز آشکارسازها.
طراحی شتاب‌دهنده‌ها.^[۷]
طراحی رآکتورهای گداخت و شکافت.
آلودگی و رفع آلودگی هسته‌ای^[۸].
– تئوری حاکم بر کد MCNP