ISSN: 2147 - 9517 ARGE DERGİSİDeğiştiricisi’nin analiz ve tasarımı sorumluluğunu yüklenmiştir. Projenin lokomotifi, Fransa’nın TÜBİTAK karşılığı olan CNRS kuruluşudur

ARGE DERGİSİISSN: 2147 - 9517

NÜKLEER GÜÇ REAKTÖRÜ

BİR HAYAL DEĞİL!

YENİ NESİL ve MİLLİ

www.figes.com.tr 2 ARGE Dergisi 3

BAKIŞ AÇISIPoint of View

Dr. Tarık ÖĞÜTYönetim Kurulu BaşkanıFİGES A.Ş.

Ülkemizin gelişmesinin önündeki en büyük engel ENERJİ sorunu dersek, sanıyorum abartmış olmayız. Türkiye’nin, bu çok önemli sorununu makul bir zamanda köklü ve kalıcı olarak çözmesi şarttır.

Enerji denilince, aklımıza öncelikli olarak hidrokarbonlar gelmekte ve bu tür yakıtların ülkemize iki türlü yansıması olmaktadır. Birincisi petrol ve petrol türevleri ithalatından dolayı cari açığımızı yükseltmesi; ikincisi ise soluduğumuz havanın kirlenmesi, sera gazı olayı, küresel ısınma vb. O halde sorunların birincisi “ekonomik”, ikincisi ise “yaşamsal” diyebiliriz.Yaşamsal olan, sadece bizim değil, tüm dünyanın meselesi. Bilim insanları, politika yapanlar, sivil toplum kuruluşları bu konuda yıllardan beri çözümler üretmeye çalışmaktadır, ama işlerin olumlu yönde ilerlemekte olduğunu söylemek maalesef mümkün değildir. Dürüst olmak gerekirse, olumlu yönde ilerleyen bir takım çabalar olsa da, alınması gereken önlemlerin hala çok yetersiz olduğu aşikardır. Olumsuz ilerleyen bu sürecin sonuçlarını zaten her gün yaşamaktayız: Buzulların erimesi, sel felaketleri, kar yağmayan kışlar ve yazların kavurucu sıcağı. Siyasetçiler, çoğu kez oy endişesi ve kamuoyu baskısıyla yaşamsal faktörlere değil, maalesef ekonomik faktörlere öncelik vermektedir. Bu konuda Trump yönetimindeki ABD, Küresel Isınma ile Mücadele Düzenlemesi’ nden çıkmasıyla kötü bir sınav vermiştir.

TÜİK verilerine göre, ülkemiz 2017 yılında 234 milyar dolar ithalat ve 157 milyar dolar ihracat yapmıştır. O halde dış ticaret açığımız 77 milyar dolardır. İthal edilen ürünlerin 38 milyar doları petrol ve petrol türevlerinden ve bu tutar da cari açığımızın yaklaşık olarak yarısını oluşturmaktadır. Bu gerçekten çok yüksek bir orandır. Bu ithalat kalemini yok etmenin yollarını aramalı ve bulmalıyız. “Yok etmek” tabirinin çok keskin bir ifade olduğunun farkındayım. Fakat buna; temiz bir hava solumak ve küresel ısınmayı önlemek için, kısaca “Yaşamak” için mecburuz. Tüm dünya mecburdur.

Türkiye, yüzlerce yıllık imparatorluk geleneği ve neredeyse 100 yıllık da cumhuriyet geçmişi olan bir ülkedir. Ekonomik büyüklük açısından dünyada ilk 10’a girmeyi kendine hedef edinmiş, 2023, 2053, 2071 vizyonları olan ve bir sanayi gücü olma yolunda hızla ilerleyen bir ülkedir. Böylesi önemli bir ülke geleceğe; enerji sorununu çözmüş, çevreye duyarlı, ekolojiyi ön plana çıkarmış bir ülke olarak yürüyebilir.

Yerli ve milli olacak elektrikli araçları konuştuğumuz şu günlerde “temiz elektriği” nasıl üreteceğimiz hakkında politikalarımız var mıdır? Haksızlık etmeyelim, yenilenebilir enerjiler konusunda Enerji Bakanlığımızın önemli çabaları var elbette. Ancak bu kaynaklardan elde edeceğimiz elektrik enerjisi, sanayisi hızla gelişmekte olan Türkiye gibi bir ülkenin ihtiyacını karşılamaktan çok uzaktır.

Peki ne yapmak lazım? Çözümün adı: Toryum ile çalışan “Ergimiş Tuz Reaktörleri”.

Buna, “4. Nesil Nükleer Reaktörler” de diyebiliriz. Yakıtı Toryum

olan, çevre dostu, konvansiyonel reaktörlerin nükleer atığını yakıt olarak kullanabilen, patlama riski olmayan “Yeşil Nükleer Enerji”. ABD, AB, Çin, Rusya, Hindistan, İngiltere, Endonezya bu teknolojiyi geliştirmek ve bir an önce kullanmaya başlamak için yoğun bir şekilde çalışmaktadır.

Petrolümüz yok ama, dünyada ilk 5’e giren toryum yataklarımız var. MTA ve Eti Maden’in çalışmaları ile bu önemli enerji kaynağımız her geçen gün daha da artmaktadır. Eksiğimiz ise, bu yakıtı kullanacak nükleer reaktörlerin tasarım ve imalatı ile ilgili teknolojik bilgi ve tecrübe.

FİGES ve TÜBİTAK iki yıl önce SAMOFAR adında bir AB-Euratom projesine dahil olmuş, AB’de geliştirilmekte olan 3000 MW termal gücündeki bir Ergimiş Tuz Reaktörünün Isı Değiştiricisi’nin analiz ve tasarımı sorumluluğunu yüklenmiştir. Projenin lokomotifi, Fransa’nın TÜBİTAK karşılığı olan CNRS kuruluşudur. Proje konsorsiyumunda Fransa, Hollanda, Almanya, İsviçre, İtalya vardır. Türkiye, Rusya ve Çin “Gözlemci” statüsünde yer almaktadır.

Ayrıca şu husus çok önemli: Türkiye’nin dahil olmayı arzuladığı ve planladığı BRICS

ülkelerinin hepsi nükleer yakıt ve nükleer reaktör teknolojisi konusunda onlarca yıl öncesinden başlayan bir geçmişe ve altyapıya sahip ülkelerdir. Rusya ve Çin’in gücü malumdur. Hindistan kendi reaktörlerini yapabilmekle kalmamakta, ayrıca bol miktarda sahip olduğu toryumu kullanan yakıt çevrimini dünyada ilk gerçekleştiren ülke olmaktadır. Brezilya sahip olduğu zengin uranyum ve toryum kaynaklarından izotop zenginleştirme dahil yakıt teknolojisini geliştirmiş, nükleer denizaltısında kullanacağı nükleer reaktörü tamamen kendi imkanlarıyla yapabilmiş bir ülkedir. Güney Afrika ise son derece zengin uranyum ve toryum cevherleriyle nükleer yakıt teknolojisinde atılımlar yapmış ve yıllar öncesinden Yüksek Sıcaklık Gaz soğutmalı Reaktörü (Çakıltaşı Yataklı -Pebble Bed Reaktör) geliştirmiştir. Dolayısıyla Türkiye’nin bu topluluğa uyum sağlayabilmesi için nükleer reaktör satın alan bir ülkeden ziyade “nükleer yakıt ve nükleer reaktör teknolojisi geliştiren” bir ülke olarak kendisini göstermesinde büyük yarar olduğuna inanıyoruz.

Sonuç olarak Türkiye, FİGES ve TÜBİTAK önderliğinde Ergimiş Tuz Reaktörleri alanında ilk adımı atmıştır; TAEK, TÜBİTAK ve Hacettepe Üniversitesi Nükleer Enerji Mühendisliği Bölümü ile yakın temas ve iş birliği içindedir. Bu teknolojiye dayanan bir güç reaktörünün milli imkanlarla geliştirilmesi, üretilmesi ve kurulması için kamunun acil maddi ve manevi desteğine ihtiyaç vardır.

İyi okumalar.Dr. Tarık ÖĞÜT

Sayın ARGE DERGİSİ Okuyucuları,


İÇİNDEKİLERİÇİNDEKİLER

İÇİNDEKİLER İÇİNDEKİLER2018 - 2 / Sayı: 18(Nisan - Mayıs - Haziran) ISSN: 2147-9550

TEKNİK HİZMETLERYayına Hazırlama ve TasarımFİGES A.Ş. Burak ÜNLÜKARA

Basım Yeri:Everest Basım Matbaa Hiz. San.Tic.Ltd.Şti.Sancaktepe Mah. 914. Sk.No:2/1 34200 Bağcılar / İSTANBULTel :+90 212 434 51 34

Yayın Türü:Yerel süreli Türkçe ve İngilizce Bilimsel Yayın

3 ayda bir yayımlanır

FİGES A.Ş. Adına SahibiYönetim Kurulu BaşkanıDr. Tarık ÖĞÜT

Sorumlu Yazı İşleri MüdürüBerrin Kayacan Ö[email protected]

Yayına HazırlayanlarBurak ÜNLÜKARA

Yönetim Yeri:Ulutek Teknoloji Geliştirme Bölgesi, Uludağ Üniversitesi Görükle Kampüsü, 16059 Nilüfer-BursaTelefon : 224 4428585Faks : 224 4428586

www.figes.com.tr

Dergide yayımlanan Yazı, Fotoğraf, Harita, İllüstrasyon ve Konuların Her Hakkı Saklıdır.Kaynak Gösterilmek Şartıyla Alıntı Yapılabilir.Yayınlanan Eserlerin Sorumluluğu Eser Sahiplerine Aittir.

Aksi Gösterilmedikçe Tüm Görseller:ANSYS, MATHWORKS ve FİGES

Para ile satılmaz

FİGES İLERİ MÜHENDİSLİK VE ARGE TEKNOJİLERİ DERGİSİ

06NÜKLEER ENERJİNİN YENİDEN DOĞuŞu – ERGİMİŞ TuZ REAKTÖRLERİ - ETR

SOuTHERN COMPANY AND TERRAPOwER PREP FOR TESTING ON MOLTEN SALT REACTOR

18

34

40

HAREKETLİ ARAÇ ÜZERİNDE YAPAY SİNİR AĞI DESTEKLİ NAMLu ATIŞ KONTROLÜ

FOCuSING SHORT-wAVELENGTH SuRFACE PLASMONS BY A PLASMONIC MIRROR

20ERGİMİŞ TuZ REAKTÖRÜ İÇİN BİRİNCİL DEVRE ISI DEĞİŞTİRİCİ TASARIMI

29KARBON FİBER HIZ TEKNESİ YAPISAL BÜTÜNLÜK ANALİZLERİ


MAKALE / NÜKLEER

NÜKLEER ENERJİNİN YENİDEN DOĞuŞu – ERGİMİŞ TuZ REAKTÖRLERİ - ETR

ERGİMİŞ TuZ REAKTÖRLERİNDEKİ SON GELİŞMELER ÖNCE ETR’LER HAKKINDA KISA HATIRLATMALAR YAPALIM

Özellikle 2000’li yılların başından itibaren dünyanın pek çok ülkesinin politik davranışlarını ve ekono-misini derinden etkileyen iki temel mesele göze çarpmaktadır: bunlardan birincisi iklim değişikliğinin sonuçlarının doğuracağı toplumsal ve ekonomik zararlar; ikincisi de özellikle kalkınmakta olan ülke-lerin (Çin, Hindistan, Türkiye, Endonezya, Malezya, Mısır…) enerji açığının hangi üretim sistemleriyle karşılanacağı. Aslında her iki konu birbirine oldukça girift bir şekilde bağlıdır. Çünkü iklim değişikliğine yol açtığı kesinleşmiş olan sera etkili gazların (CO2, metan, …) büyük çoğunlukla enerji üretimi sırasında ortaya çıktığı anlaşılmıştır.

2000’li yıllardan sonra daha sık ve ciddî olarak ele alınan İklim Değişikliğini önleme toplantılarında sera etkili gazların salımının azaltılması yolunda bütün dünya ülkeleri taahhütlerde bulunmuştur (COP 21 Paris İklim Konferansı-2015). Bu durumda ülkeler en-

erji üretimlerini düzenlemek zorunda kalacaklar, fosil (doğal gaz, kömür, petrol) enerji kaynaklarını kullan-maktan kaçınacaklar, olanların yerine sera gazı sal-mayan enerji kaynakları kullanacaklardı. Peki, hangi enerji kaynağı kullanılmalıydı? Yenilenebilir enerji kaynakları (güneş fotovoltaik, rüzgâr, hidroelektrik) iyi bir alternatif olarak gözüküyorlar ama yatırım maliyet-lerinin yüksekliği, çok geniş alanlara ihtiyaç göster-meleri ve en önemlisi rüzgârın esmesine, yağmurların yağmasına ve güneşin parlamasına bağlı kalmaları yoğun ve sürekli enerjiye ihtiyacı olan ülkeleri fosil kaynakları kullanmaktan vazgeçiremiyor. Yoğun ve sürekli bir diğer kaynak nükleer enerji reaktörleridir. Bu durumda nükleer enerjiye yatırım yapmak kaçınılmaz gibi gözüküyor.

Ne var ki bugünkü nükleer enerji reaktörleri oldukça pahalı yatırımlar olarak karşımıza çıkmakta, yapım sürelerinin uzunluğu (4-7 yıl) ve sahip oldukları yüksek

teknolojinin birkaç yapımcı elinde toplanmış olması bunların özellikle doğal gaz ve kömür santralları ile rekabet etme şansını iyice azaltmaktadır. Ayrıca hâlen çalışmakta olan 450 nükleer reaktörün oldukça önemli bir kısmı işletme sürelerinin sonuna yaklaşmış ve yeni nükleer reaktörlerle değiştirilmeyi veya tama-men kapatılmayı beklemektedir.

Görüldüğü gibi Türkiye gibi dünyanın pek çok ülkesi de artan enerji ihtiyacını iklim değişikliği-sera gazı salımı-enerji üretimi-yetersiz yenilebilir enerji kaynakları-pahalı nükleer reaktörler-ucuz doğal gaz ve kömür sarmalı içinde çözüm üretmeye çalışmaktadır. Nükleer enerji reaktörleri neden pahalıdır ve kullanımı çok yaygın değildir?

60 yıl kadar önce sadece elektrik üretimi için tasar-lanan ve ticarileştirilen nükleer reaktör teknolojisi yük-sek basınçta (15,5 MPa veya 153 atm.) ve yüksek sıcaklıkta (275-315oC) su kullanır. Çok ender mey-dana gelmesine rağmen nükleer reaktör kazasının sonuçları hem daha geniş bölgeleri (hattâ denizaşırı), hem de daha uzun süreleri kapsadığından hiçbir ülke en ufak riskleri bile almak istememektedir. Dolaysıyla söz konusu nükleer sistemi yüksek güvenlikte çalıştırabilmek için çok karmaşık güvenlik sistemleri, hassas teknoloji kullanmak gerekir. Bütün bu hususlar reaktör maliyetini çok yüksek değerlere taşımıştır (1000 MWe gücünde bir konvansiyonel reaktör çıplak maliyeti 4-4,5 milyar USD’dır).

Ülkelerin daha düşük maliyetli, ama çok daha güveni-lir, geniş çaplı kaza ihtimali önlenmiş, teknolojisi, özel-likle nükleer yakıt teknolojisi basitleştirilmiş, dolayısıyla gelişmekte olan ülkelerin erişebileceği bir teknolojiye sahip yeni reaktör teknolojileri bulma ihtiyacı 2000’li yılların başında IV. Nesil reaktör teknolojilerini geliştiren uluslararası bir Forumun (Generation Four Internation-al Forum – GEN IV) kurulmasına yol açmıştır. GEN-IV’un (4. Nesil) belirlediği altı nükleer reaktör teknolo-jisi içinde en önde gelen ve bugün artık birçok ülke veya özel kuruluş tarafından yakın geleceğin nükleer reaktörü olarak kabul edilen “Ergimiş Tuz Reaktörleri - ETR” (Molten Salt Reactors)’nin en önemli özelliği, ülkemizde de geniş rezervlere sahip “Toryumu” enerji kaynağı olarak kullanabilmesidir.

Toryum yakıt çevrimi kullanan ETR’lerle Türkiye’nin de önemli bir şekilde ilgilendiği ve FİGES’in de içinde bulunduğu bir çalışmanın başladığını daha önce duyurmuştuk . O zamandan bu yana dünyada da ETR’ler konusunda çok hızlı gelişmeler ve atılımlar oldu.

FİGES Mühendislik olarak ülkemizin nükleer te-knolojiyi yakalamada ve kendi millî reaktör teknolo-jisini geliştirmede belki son şansı olan “Toryum yakıt çevrimli Ergimiş Tuz Reaktörleri –Th-ETR” teknolo-jisinin dünyadaki son gelişmelerini aktarmakta yarar görüyoruz.

GİRİŞ

ETR’lerin çalışma ilkesi

a.ETR’lerin, konvansiyonel reaktörlerden farklı olarak uranyum yakıtları “katı oksit peletleri” biçiminde değil, yüksek sıcaklıkta ergimiş/sıvı uranyum/toryum “flüorür veya klorür” bileşikleri şeklindedir.

b.ETR’lerde nükleer tepkimeler sonucu açığa çıkan enerjiyi uzaklaştırmak için yüksek basınç ve yüksek sıcaklıkta “su” değil, ergimiş yakıtın kendisi kullanılır.

c.ETR’ler yüksek basınçta değil atmosfer basıncında çalışır.d.ETR’ler yüksek sıcaklıkta ısı üretirler (500-600oC) e.ETR’lerde kaza durumunda “reaktör kalp erimesi” veya suyun ayrışarak hidrojen

patlaması riski yoktur.f. ETR’ler toryum yakıt çevrimine elverişlidirler ve nükleer atıkların ayrıca

“yakılarak” azaltılmasına katkı sağlarlar.g.ETR’ler 50 MWth ile 3000 MWth güçlerinde tasarımlanıp, inşa edilirler. h.ETR’ler kendiliğinden güvenlidir: aşırı ısınma durumunda insan müdahalesi

olmadan reaktör kendiliğinden durur. i.Nükleer atıkları yüz binlerce yıl değil, birkaç yüz yıl saklanacak düzeyde ve

miktarca 1/10 nisbetinde daha azıdr.

FİGES AR-GE dergisi, 2017-1, Sayı: 13

Dr. Reşat UZMEN [email protected]ükleer Teknoloji İş Geliştirme DirektörüFİGES AŞ


Termal ve hızlı nötron spektrumlu ETR türleri

a. Termal nötron spektrumu, nükleer tepkime sonrası açığa çıkan nötronların enerji seviyesinin yakl. 17oC sıcaklıktaki enerji seviyesi, bir başka deyişle 0,025 eV (elektron-volt) veya 2,2 km/san hıza sahip nötronların bulunduğu bölgeyi tanımlar. Bu enerji, seviyesindeki nötronların U-235, Pu-239 gibi bazı çekirdeklere girip bölünme yapma ihtimali ve verimi çok yüksektir. Nükleer tepkime sonrası oluşan nötronların “termal” düzey çekilmesi için hafif su, ağır su veya grafit gibi yavaşlatıcılar kullanılır.

b. Hızlı nötron spektrumu, enerji seviyesi 1 MeV (milyon elektron-volt) hızı 14 000 km/san mertebesinde olan nötronlardır. Nükleer tepkime sonrası oluşan nötronların enerji düzey dağılımı (Boltzmann dağılımı) nötronların yaklaşık yarısının “hızlı” bölgede olduğunu gösterir. Bölünme yapacak ağır çekirdeklerin bazı izotoplarının (uranyum-238, toryum-232, vd.) hızlı nötronlarla tepkime şartları hızlı nötronlarla daha farklıdır. Bu durum “üretken” reaktörlerin, yani tüketilen U-235 izotopundan daha fazla miktarda bölünebilir Plütonyum-239 (uranyum-plütonyum çevrimi) veya Uranyum-233 (uranyum-toryum çevrimi) üretmeye elverişli hızlı reaktörlerin temelini oluşturur.

Dünyada nükleer teknolojide ileri düzeye gelmiş olan bazı ülkelerde, özellikle 2000’lerin başından itibaren ETR’lere bir yeniden dönüş başlamıştır. Özel girişim, 1960-70’li yıllarda çok ayrıntılı olarak incelenmiş ve testleri başarıyla geçerek bir süre çalışmış olan Oak Ridge National Laboratory (ORNL) ETR deneyi (MSRE) sonuçlarından yararlanarak yakın bir zamanda ticarileştireceklerini umdukları değişik tasarımları gerçekleştirme çabası içine girmiştir. Burada ileri düzeye geçmiş ETR çalışmaları hakkında bilgileri sunacağız.

ABD-Kanada’da yapılan ETR çalışmaları

FLIBE Energy Inc.: Kirk Sorensen’in kurduğu ve 2000’lerin başından ORNL-MSRE modelini esas alan LFTR (Liquid Fluoride Thorium Reactor) termal nötronları kullanmakta, dolayısıyla grafit yavaşlatıcı içermektedir. En önemli özelliği toryumu ve kapalı yakıt çevrimini (kimyasal temizleme devrede) kullanmasıdır. ABD Enerji bakanlığı (DoE) Temmuz 2018’de İleri reaktör teknolojilerinin gelişmesi için ayırdığı 20 milyon USD’ın 2 600 000 USD’ını Flibe şirketinin “flüorürleme biriminin geliştirilmesi” projesine tahsis etmiştir. 2020’leri ortasında LFTR’lerin çok küçük 3 MWe ile küçük 100 MWe gücünde modellerinin kullanılabilir duruma gelmesi beklenmektedir.

Terrestrial Energy Inc.: Önce Kanada’da kurulan sonra ABD’de yan şirketini açan bu kuruluşun geliştirdiği Integral Molten Salt Reactor- IMSR hafifçe zenginleştirilmiş (%5) uranyum-235 yakıt kullanmaktadır. Şu anda toryum yakıtı kullanılması düşünülmemektedir ve teknolojisinde açık yakıt çevrimi (kimyasal temizleme yok) geçerlidir. Yakıt gene Lityum flüorür ile karışık uranyum flüorür tuz karışımıdır. Grafit yavaşlatıcılı termal nötron spektrumu kullanan IMSR, 400 MWth (190 MWe)

gücünde tasarımlanmıştır. Şirketin ABD kolu Haziran 2018’de ABD Enerji Bakanlığından 3,15 milyon USD destek fonu almıştır. İlk ticarî IMSR’nin 2020’nin ilk yarısında kurulacağı düşünülmektedir. Hedef 5 $cent/kW-saat elektrik üretim maliyetidir. Böylece doğalgaz santralları dâhil birçok yenilenebilir enerji üretim sistemleri ile rekabet edeceği ileri sürülmektedir. Bütün diğer ETR’lerde olduğu gibi IMSR’nin de yüksek sıcaklıktaki ısı ve elektrik üretimi söz konusudur.

LFTR'nin tasarımsal görünümü İç yapısına ait görünüm

Terrestrial Energy IMSR yerleşim görünümü

IMSR çalışma sistemi


Transatomic Power Ltd.: ORNL-MSRE modeline göre tasarlanan bu ETR’de düşük zenginlikte (>%5) uranyum flüorür yakıt kullanılmakta ve reaktörün esas amacının enerji üretiminin yanı sıra konvansiyonel reaktörlerden çıkarılmış olan kullanılmış yaktılar içindeki çok uzun yarılanma süreli, yüksek aktiviteli transuranyum elementlerini (aktinitler) parçalayarak atık miktarlarını düşürmektir. Termal nötronlarla dolayısıyla yavaşlatıcılı olarak tasarlanan bu reaktörde toryum çevrimi düşünülmemekte olup, açık yakıt çevrimi (kimyasal temizleme yok) benimsenmiştir. 1250 MWth (550 MWe) gücünde tasarlanan Transatomic Power ETR’si üzerindeki çalışmalar devam etmektedir.

ThorCon (Martingale Inc.): Lityum flüorür, berilyum flüorür, hafifçe zenginleştirilmiş uranyum flüorür ve toryum flüorürden oluşan tuz karışımını ergimiş hâlde yakıt ve soğutucu olarak kullanan ThorCon reaktörü, grafit yavaşlatıcılı termal nötron spektrumunda çalışan bir ETR’dir. Modüler sistemde, her biri 250 MWe gücünde 4 üniteli 1000 MWe olarak tasarlanmaktadır. Dev tanker yapımında olduğu gibi yüzen gemilerde inşa edilmesi ve kullanılacak yere yüzerek getirilmesi de mümkündür. ThorCon açık yakıt çevrimi kullanmaktadır. Endonezya hükûmeti kendi toryum kaynaklarını enerjiye dönüştürebilmek maksadıyla ThorCon reaktörü ile ilgilenmekte ve değerlendirme çalışmalarını sürdürmektedir.

Toryumlu üretken yakıt çevrimini dünyada ilk kez millî bir politika olarak uygulamaya koyan ülke Hindistan’dır. Kısıtlı uranyum ve zengin toryum kaynaklarını enerji bağımsızlığını sağlamada ancak toryumlu üretken yakıt çevrimi ile sağlayacağını anlayan Hindistan yıllar öncesinden “katı yakıtlı” üç aşamalı bir nükleer programı uygulamaya sokmuştu. Ancak dünyada son yıllarda yeniden canlanan toryum yakıt çevrimli ETR çalışmaları Hindistan’ı da kendi ETR programını yapmaya sevk etmiştir.

Hint Ergimiş Tuz Üretken Reaktörü (Indian Molten Salt Breeder Reactor-IMSBR) olarak adlandırılan bu reaktörde bölünebilir madde olarak mevcut toryum reaktörlerinden elde edeceği toryumdan üretilmiş uranyum-233, üretken madde olarak toryum ve katkı

maddeleri olarak lityum flüorür tuzları kullanılmaktadır. Hızlı nötron spektrumu tercih edilen IMSBR’de grafit kullanılmaması üstünlük arz etmektedir.

Şu anki durumda, özellikle Bhabha Atom Enerjisi Araştırma Merkezi’nde (BARC) ETR’de kullanılacak tuz bileşenlerinin üretimi, nükleer reaktör fiziği ve modellemeleri üzerinde yoğun bir çalışma sürdürülmektedir. Ayrıca, kapalı yakıt çevrimi düşünüldüğünden sürekli yakıt temizleme işlemi için yöntem geliştirme çalışmalarına da ağırlık verilmiştir. Toryum kullanmaktaki önceliği, bağımsız enerji sistemlerini geliştirme isteği, yakıt çevrimindeki AR-GE çalışmaları, Hindistan’ın ETR projelerini Türkiye için de örnek alınacak bir konuma getirmektedir.

Elysium Industries Inc.: Merkezi Kanada’da bulunan ve ABD’de 2015’ten beri faaliyet gösteren bu şirket özellikle farklı tuz bileşimi ve hızlı nötronları kullanan ETR tasarımıyla öne çıkmaktadır. Ergimiş Klorür Tuzlu Hızlı Reaktör (Molten Chloride Salt Fast Reactor-MCSFR) olarak nitelenen bu tasarımda temin etme kolaylığına bağlı olarak her türlü bölünebilir ve üretken çekirdekler kullanılabilmektedir: fakirleşmiş uranyum (üretken), hafifçe zengin uranyum (bölünebilir),

kullanılmış yakıtlar (bölünebilir), reaktör ve nükleer silâhlardan çıkarılan plütonyum (bölünebilir), toryum (üretken), doğal uranyum (hem üretken, hem bölünebilir). Hızlı nötronları kullandığından içinde grafit yavaşlatıcı da bulundurmayan bu reaktörün ilk tasarımı 2500 MWth (1000 MWe) gücünde düşünülmüştür. Tasarımda kapalı çevrim (sürekli kimyasal temizleme) kullanılmaktadır.

Bütün ETR’lerin ortak avantajlarına (son derece güvenli olması, toryum kullanabilmesi, küçük veya büyük boyutlarda, kolaylıkla yapılabilmesi, yüksek sıcaklıkta ısı enerjisi üretebilmesi, …) sahip olan ThorCon yakın

tarihte ABD Enerji Bakanlığından AR-GE geliştirme fonundan 400 000 USD ödül kazanmıştır. ThorCon reaktörünün de 2020’leri ilk yarısında ticarî ünitesinin kurulması beklenmektedir.

ThorCon dört üniteli silo sistemli ETR

Elysium Ind. tasarımı Klorür tuzlu Hızlı ETR

ThorCon 250 MWe biriminin kesiti

Hindistan’da yapılan ETR çalışmaları


Hint üretken hızlı ETR tasarımı

Hint ETR tasarımı: solda doğal dolaşımlı, sağdaki zorlamalı dolaşımlı

Çin Toryum ETR şematik gösterimi

1960 ve 1070’lerdeki ORNL ETR çalışmalarını esas alan Japon bilim adamları 1980’den beri bu tasarıma dayanan bir ETR geliştirme çalışmalarını sürdürmektedir. Bu amaçla Dr. Kazuo Furukawa önderliğindeki bir grup Uluslararası Toryum Ergimiş Tuz Forumu adı altında kâr amacı gütmeyen bir kuruluş ile Thorium Tech Solution Inc. adında bir şirket oluşturmuştur. FUJİ adı verilen Japon tasarımı ETR, 2012’den sonra Japon Atom Enerjisi Komisyonunun toryumu kullanan geleceğin reaktörleri arasında FUJİ’yi aday göstermiştir. Termal nötronları kullanan ve toryum-uranyum kapalı yakıt çevrimini (kimyasal yakıt temizleme var) benimseyen FUJİ tasarımı 1000 MWe ile orta boyutta 100-300 MWe ve 7-10 MWe düşük güçte farklı modeller üzerinde durmaktadır. FUJİ ETR’sine ait yakıt temizleme, ergimiş tuz kimyası, Hastelloy N yapı malzemesinin flüorür tuzlarıyla korozyon incelemeleri, gibi önemli konular Japonya’nın önde gelen üniversite araştırma kuruluşlarında ayrı projeler olarak ele alınmıştır.

Çin’de ETR çalışmaları

1970’li yılların başında ABD’deki ETR deneyi sonlandırıldıktan sonra Çinliler Şanghay Uygulamalı

Fizik Enstitüsü’nde (SİNAP) Amerikalıların bıraktığı yerden ETR çalışmalarına 1975’e kadar devam etmişlerdi. Amaçları 25 MWe gücünde Toryum yakıt çevrimi kullanan bir ETR (TMSR) yapmaktı. Ancak Qinshan’da 300 MWe gücünde konvansiyonel ağır sulu reaktör yapılması kararıyla bu proje durdurulmuş, nihayet 2000’li yılların ortalarında Çin Bilimler Akademisinin kararıyla gene SİNAP’ta ETR çalışmalarına başlanmıştır. 400 kadar mühendis ve teknisyen ile 500-600 milyon USD’lık bir bütçeyle başlanılan TMSR’nin birçok çalışması tamamlanmış, 2 MWe gücündeki bir küçük örnek reaktörün Çin’in kuzeydoğusunda inşa edilmesi aşamasına geçilmiştir. Avrupa ve ABD’deki ETR geliştiren kurumlarla da sıkı işbirliğine giren SİNAP kısa zamanda toryum kullanan ETR’leri devreye alma hazırlığındandır. Termal nötronlarla çalışan TMSR, Lityum, Berilyum flüorür karışımı içinde yer alan düşük zenginlikte uranyum ve toryum flüorür karışımını yakıt olarak kullanmaktadır. Çalışma sistemi kapalı yakıt çevrimi esaslıdır. Proje ileriki aşamada 373 MWth (168 MWe) gücünde küçük boyutta ETR’ler olarak tasarlanmakta ve daha çok Çin’in yüksek sıcaklık gerektiren sınaî işlemlerinde (petrokimya, hidrojen üretimi, deniz suyu arıtma, …) kullanılması hedeflenmektedir.

Japonya’daki ETR çalışmaları


Avrupa’da ETR çalışmaları özellikle 2000’li yıllarından başından itibaren yoğunluk göstermiş, AB Euratom programları çerçevesinde kurulan iş ortaklıkları aracılığıyla çok kapsamlı bir ETR projesi (EVOL-SAMOFAR projesi) çeşitli aşamalardan geçerek son duruma getirilmiştir. Bunun hakkında bilgi vermeden önce Avrupa’daki bazı ülkelerde şirketler aracılığıyla yapılan ETR çalışmalarını sunmak isteriz.

Seaborg Technologies ApS: Danimarka’da 2015’ten beri 15 kadar nükleer fizikçi, nükleer mühendis ve girişimci tarafından işletilen bu şirketin geliştirdiği ETR, termal nötronları kullanmakta ve toryumu üretken olarak katmak suretiyle nükleer atıkları yakma amacına sahiptir.

270 MWth (115 MWe) gücünde üniteler hâlinde düşünülen ve oldukça kompakt bir görünüme sahip Ergimiş Tuz Termal Atık Yakıcı Reaktör (Molten Salt Thermal Wasteburner-MSTW veya CUBE) kapalı yakıt çevrimi (yakıt temizleme var) kullanmaktadır. 2018 yılı içinde Danimarka hükûmetinden birkaç defa en iyi yenilikçi tasarım ödülü alan Seaborg, ABD’den bulduğu yeni yatırımcılarla projesinin ileriki adımlarına hazırlanmaktadır.

Moltex Energy LLP: İngiltere’de son yıllarda kurulan bu şirket oldukça farklı bir anlayışla ETR topluluğuna katılmış bulunmaktadır. Mevcut bütün ETR tasarımlarında yakıt ve ısı taşıyıcı olarak kullanılan ergimiş tuzlar birlikte ısı değiştiricilere girerek enerjiyi aktarırlar. Moltex yaklaşımında ETR’lerin üstün tarafları, konvansiyonel nükleer reaktörlerin teknolojisi ile birleştirilmiştir. Sabit Tuz Reaktörü (Stable Salt Reactor-SSR) olarak adlandırılan anlayışta, nükleer tepkimeleri sağlayacak ve sürdürecek olan elementler (uranyum, plütonyum, diğer aktinitler) triklorür ve normal tuz (NaCl) olarak hazırlanmakta, 500 oC dolayında ergitilerek bu sıvı, tıpkı konvansiyonel katı yakıtlı reaktörlerde olduğu gibi

ince borulara doldurulmaktadır. Yakıt borularından aynı şekilde demetler yapılmaktadır. Reaktör kazanı içine yerleştirilen borular içindeki sıvı (ergimiş tuz hâlinde) yakıtlar hareket etmemekte, pompayla bir yere aktarılmamaktadır. Yakıt demetleri etrafında ise Zirkonyum, potasyum ve sodyum flüorür tuz karışımı ısı aktarıcı olarak kullanılmakta ve ısı değiştiricilere pompalar aracılığıyla gönderilmektedir. Hızlı nötronlarla çalışacak şekilde tasarlanan Sabit Tuz Reaktörü, 375 MWth (150 MWe) aynı zamanda yakıt demetlerinin dışındaki tuz karışımına toryum flüorür eklenmek suretiyle üretken reaktör (Th’dan U-233 üretimi) olarak da kullanılmak üzere düşünülmektedir.

Avrupa’daki ETR çalışmaları

Seaborg, MSWB veya CUBE reaktörü ilk tasarımı

En son 13 Temmuz 2018’de Moltex Energy, Kanada’nın New Brunswick Energy Solutions Corporation ve New Brunswick Power kuruluşlarıyla Kanada’da SSR kurulumu için anlaşmaya varmış bu iş için 5 milyon Can$ finansal destek sağlamıştır. Ayrıca İngiliz hükûmeti Moltex Energy’ye söz konusu Sabit ETR’yi geliştirmesi için 300 000 Sterlin destek ödeneği vermiştir. Hacimce aynı güçteki nükleer reaktörlerden çok daha küçük boyutta olan SSR, diğer ETR’ler gibi modüler olarak kullanım yeri dışında imâl edilip taşınacak özelliktedir. Rusya Federasyonu: Rusya’da ETR üzerindeki çalışmaların tarihçesi 1970’lere kadar uzanır. Son yıllarda daha Kurçatov Enstitüsü başta olmak üzere nükleer fizik, malzeme, nükleer enerji konularında uzmanlaşmış birçok enstitü ETR’lerin farklı problemleri ve konuları üzerinde çok değerli çalışmalar yapmaktadır. Bu araştırmalar ABD, AB, Çin ve diğer ilgili ülkelerde ETR konusundaki çalışmalara çok önemli katkılar sağlamaktadır. ETR’lerde U-Th ve U-Pu yakıt çevrim çalışmaları ve özellikle aktinitlerden oluşan nükleer atıkların ETR’lerde yakılması konusu ağırlık kazanmış durumdadır. Bu maksatla Hızlı, toyum kullanan v atıkların (aktinitler) yakılmasını öngören MOSART ETR teknolojisi AB’nin geliştirdiği EVOL projesine önemli katkılar sağlamıştır.

EVOL-SAMOFAR projesi: 2001 yılında Avrupa Komisyonu’nun 4. Nesil reaktör teknolojisinin geliştirilmesinin ve karbon salımını önlemek üzere enerji üretiminde kullanılmasını teşvik eden kararını takiben ETR’ler AB ülkeleri ve EURATOM’un önem verdiği nükleer teknoloji projeleri hâline gelmiştir. Böylece arka arkaya yürürlüğe konulan ve birçok Avrupa ülkesinin ve Rusya’nın katıldığı AB Çerçeve projeleriyle (MOST, LİCORN, ALISIA, SUMO ve EVOL) 3000 MWth gücünde (1300 MWe) nihaî bir tasarıma gelinmiştir: EVOL reaktörü (Evaluation and Viability of Liquid Fuel Fast Reactor System).

Hızlı nötronları kullanan ve toryum kapalı yakıt çevrimini kullanan bu ETR’nin nükleer güvenlik bakımından detay çalışmalarının tamamlanması için gene AB ülkelerinin katıldığı bir EURATOM projesi olan SAMOFAR (A Paradigm Shift in Reactor Safety with the Molten Salt Fast Reactor) 2015’te başlamıştır. Türkiye’den FİGES A.Ş. ve TÜBİTAK’ın da gözlemci statüsünde katıldığı bu projede FİGES A.Ş. söz konusu EVOL reaktörünün ısı değiştiricilerinin (birinci ve ikinci devreler) hesaplarını ve tasarımlarını yapmak üzere görev almıştır. Fransa’dan CNRS’in (Millî Bilimsel Araştırma Merkezi) öncülüğünde 100 veya 300 MWth gücünde modüler S-MSFR tasarımı üzerinde de çalışılmaktadır.

SAMOFAR Pojesi kapsamında incelenen Ergimiş

Tuz Hızlı ReaktörüSAMOFAR Pojesi kapsamında incelenen Ergimiş Tuz Hızlı

Reaktörü


YARARLANILAN KAYNAKLAR

1. https://flibe-energy.com/2. https://www.terrestrialenergy.com/technology/3. http://www.transatomicpower.com/the-science/4. http://thorconpower.com/5. http://www.elysiumindustries.com/technology/6. https://www.uxc.com/smr/uxc_SMRDetail.aspx?key=Fuji%20MSR7. https://www.gen-4.org/gif/upload/docs/application/pdf/2017-05/03_hongjie_xu_china.pdf8. https://seaborg.dk/intro/9. http://www.moltexenergy.com/stablesaltreactors/10. http://www.world-nuclear.org/information-library/current-and-future-generation/molten-salt- reactors.aspx11. http://samofar.eu/

SONUÇ

Konvansiyonel katı yakıtlı nükleer reaktörlerin artık 4. Nesil reaktörlere yerlerini bırakacağı hemen herkes tarafından ifade edilmektedir. Elbette bu değişim milyarlarca doların yatırımın yapıldığı, binlerce mühendis, teknisyen ve işçinin çalıştığı konvansiyonel nükleer reaktör sektöründe bir anda beklenmemelidir. 4. Nesil reaktör teknoloji içinde (toplam 6 adet) en önde ve ticarileşmesi en yakın olarak gözüken Ergimiş Tuz Reaktörleri (Hızlı veya Termal nötronlu, uranyum-toryum veya uranyum-plütonyum-aktinit

çevrimi kullanan, küçük modüler veya 1000 MWe üstü) dünyanın çeşitli ülkelerinde de yoğun çalışmalara vesile olmaktadır.

Türkiye’nin bu yeni, ileri ve kendi imkânlarıyla yapabileceği nükleer reaktör teknolojisinde, çalışmalara henüz başındayken katılmasının önemini kavrayan ve SAMOFAR projesine katılarak farkındalık yaratan FİGES A.Ş., diğer kamu (TÜBİTAK, TAEK, Üniversiteler…) ve/veya özel kurum ve kuruluşlarla ETR teknolojisine adım atarak Millî ve Yerli Nükleer Reaktörünü gerçekleştirmekte kararlı ve azimlidir.


Molten salt reactors are nothing new.

They’ve been around since the 1960s and date back to the days of the Molten Salt Reactor Experiment at Oak Ridge National Laboratory.

Now, almost 60 years later, several companies are starting to develop them as energy systems of the future—including TerraPower, backed by Bill Gates.

Southern Company, a leading energy company in the United States, is partnering with TerraPower to devel-op a molten chloride fast reactor (MCFR) that uses liquid salts as both a coolant and fuel.

The U.S. Department of Energy already invested more than $28 million in cost-shared funds for the

project to further identify and test materials used in the reactor.

ABD Enerji Bakanlığının resmî internet sitesinde 9 Ağustos 2018 tarihinde yayınlanan bu haberi bu sayımızdaki içeriğe çok uygun gördüğümüzden aynen yayınlamayı uygun bulduk.

Makalede, ABD şirketleri Southern Company ile Bill Gates’in sahibi olduğu TerraPower şirketinin birlikte geliştirdikleri Ergimiş Klorür tuzlarından oluşan yakıt ve soğutuculu hızlı nötronlarla çalışan Ergimiş Tuz Reaktörünün (MCFR) 2019’da deneme modelinin

kurulacağı bunun için Enerji Bakanlığının ilgili şirketlere 28 milyon USD destek yardımı yaptığı belirtilmektedir. Bu arada söz konusu Klorür tuzlu ETR’nin, son derece güvenli olması, yakıt yapımının çok kolay olması, yakıt olarak kullanılmış yakıtlar, nükleer atıklar, gerekirse to-ryum, vb. çeşitli yakıtların kullanılabileceği gibi yararları sıralanmaktadır. Amaç 2030’larda 1100 MW’lık MCFR’nin ticarî kullanıma sunulmadan önce test reaktörünün ve lisanslama çalışmalarının yapılıp tamamlanmasıdır.

SOuTHERN COMPANY AND TERRAPOwER PREP FOR TESTING ON MOLTEN SALT REACTOR

Department of Energy, USAOffice of Nuclear EnergyAugust 9, 2018

Terrapower design

MAKALE / NÜKLEERHow it works

The MCFR will be optimized to operate as a com-mercial reactor that can produce up to 1,100 mega-watts of electricity, with a test reactor demonstrating smaller-scale potential.

The design uses liquid chloride salts as a coolant and fuel that flow through the reactor core—allowing the fission to directly heat the salts. The mixture is then circulated through a heat exchanger in a second loop that can be used for process heat, thermal storage or electricity generation.

Because the reactor operates at a high temperature, the process is more efficient at producing electricity than light water reactors. The reactor would also pro-duce less waste and allow the MCFR to even con-sume waste from other reactors.

MCFR benefits

MCFRs can enable the transition to a flexible, robust and low-carbon energy infrastructure.

It is a major departure in terms of simplicity, fuel cy-cle and proliferation characteristics relative to other more-complex nuclear reactor concepts and offers significant safety, performance and economic ben-efits.

The MCFR has what the industry calls a “walk-away-safe” design that would shut down the reactor without any need for electric pumps to prevent fuel damage. If there is a loss of coolant flow, the fuel salt would expand through the reactor core to passively halt the process and naturally circulate to remove decay heat.

Other benefits include:• No fuel assemblies to fabricate, replace or

store• Online refueling for continuous operation to

increase profit margins and reliability• Ability to use multiple fuels for operation

including depleted and natural uranium, or even spent fuel

• Enrichment only needed at startup• Ability to load follow and support other

energy sources on the grid.

What’s next?

Southern Company and TerraPower are in the early stages of the design phase. They are working with Oak Ridge National Laboratory, Idaho National Labo-ratory, Vanderbilt University and the Electric Power Research Institute to assess the viability of a MCFR as a commercial reactor.

They expect to begin testing in a $20 million test loop facility starting in 2019. The team is also scaling up their salt manufacturing process for testing in the

loop. Data generated from the test loop will be used to validate thermal hydraulics and safety analysis codes for licensing of the reactor.

After testing, Southern Company and TerraPower plan to develop and license a test reactor before develop-ing a 1,100-megawatt prototype reactor by 2030

Artist rendition of the Integrated Effects Tests (IET) facility Southern Company


Isı değiştirici tasarımı için ilk olarak tasarıma özgü gird-iler doğrultusunda ısı değiştirici tipine karar verilmiştir. Kompakt yapıda bir ısı değiştirici amaçlandığından, bu çalışmada plaka tipi ısı değiştiriciler üzerine yoğunlaşılmıştır. Isı değiştiricinin plakaları oluklu ya da düz yapıda olacak şekilde iki farklı tasarım çalışması yürütülmüştür. Her iki tasarım için de ters yönlü akış olacak şekilde analizler gerçekleştirilmiştir. Yakıt tuzunun sistemde dolaşım süresinin kısa olması gerektiğinden, çoklu geçişli (multiple pass) değil, tek geçişli (single pass) ısı değiştirici tasarımı ele alınmıştır.

Düz plakalı tasarımda, sistemin performansını etki-leyen plaka boyutu, kanal ve plaka kalınlığı, sıvı giriş hızları ve sıcaklıkları gibi parametreler boyutsuz mod-el (0B Model) tabanlı geliştirilen ve MATLAB platfor-munda oluşturulan çözücü sayesinde incelenmiştir. Karar verilen geometrik konfigürasyon için daha son-ra 2 ve 3 boyutlu (2B ve 3B) Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) analizleri gerçekleştirilerek sis-temin akış dağılımı ve ısıl performansı detaylı olarak incelenmiştir. 2B çalışmasında akışkanların kanal içinde düzgün ve eşit dağılımlı olması için anali-zler yapılmıştır. 3B çalışmalarında ise sistemin ısıl davranışları incelenmiştir.

1960’lı yıllarda geliştirilen ETR’lerin yüksek güçte ve toryum yakıtlı olan tasarımı için Avrupa Birliği projesi kapsamında sırasıyla EVOL ve SAMOFAR projeleri başlatılmıştır [1]–[6]. EVOL projesinde 3000 MW ısıl güçte konsept tasarım çalışmaları yürütülmüştür. SAMOFAR projesinde ise ortaya konulan tasarım için özellikle güvenlik değerlendirmeleri yapılmaktadır. Bu çalışmada, SAMOFAR projesi kapsamında geliştirilen ETR’lerin birinci devresinde kullanılmak üzere kon-sept ısı değiştirici ünitesi tasarlanmış ve ısıl-hidrolik analizleri gerçekleştirilmiştir.

1.1.Tasarım İhtiyaçları

Söz konusu reaktörde 16 adet ısı değiştirici üni-tesi bulunmaktadır. Her birinin ısıl gücü 187,5 MW olmaktadır. SAMOFAR projesi kapsamında yapılan nötronik değerlendirmeler sonucunda, reaktördeki to-plam yakıtın 18 m3 olduğu ve bunun yarısının kor içer-isinde bulunması gerektiği belirlenmiştir. Diğer yarısı ise ısı değiştiriciler, çevrim boruları ve pompalarda bulunmaktadır. Dolayısıyla ısı değiştirici içerisindeki yakıt miktarı, tasarım için oldukça önemli bir kriterdir. Geliştirilen konsept reaktörde kor içerisindeki sıcaklık artışı yaklaşık 100 oC olarak öngörülmektedir. Bu

çalışmada yakıt tuzu sıcaklığını 800 oC’den 700 oC’ye düşürecek bir ısı değiştiricinin ısıl-hidrolik tasarımı üzerinde durulmuştur. Soğutucu sıvının ısı değiştiriciye giriş sıcaklığı 500 oC civarında alınmıştır. Yakıt tuzunun donma sıcaklığı 565 oC’dir. Güvenlik açısından yakıt tuzundaki yerel minimum sıcaklığın 615 oC’nin üzerinde olması bir diğer tasarım kriteridir. Reaktörün boyutları düşünüldüğünde ısı değiştiricilerin her birinin derinliği 0,7 m ile sınırlanmıştır. Ayrıca yakıtın kor dışında geçirdiği sürenin kısa olması da bir diğer tasarım parametresidir. Sistemdeki basınç kaybı, yakıt miktarı ve dolaşım süresi düşünüldüğünde kompakt yapıda bir ısı değiştirici tasarlamak için çalışmalar yürütülmüştür.

2.METODOLOJİ

Isı değiştirici tasarım sürecinde ısıl-hidrolik tasarım, mekanik tasarım, malzeme seçimi, üretilebilir-lik, bakım ve güvenlik gibi önemli parametreler bulunmaktadır. Bu çalışmada ısı değiştiricinin ısıl-hidrolik analizleri üzerine yoğunlaşılmıştır. Isıl-hidrolik analiz çalışmaları için oluşturulan tasarım prosedürü Şekil 2’de verilmiştir.

Şekil 2-Tasarım Prosedürü

ERGİMİŞ TuZ REAKTÖRÜ İÇİN BİRİNCİL DEVRE ISI DEĞİŞTİRİCİ TASARIMI

1. GİRİŞ

Ergimiş Tuz Reaktörleri (ETR) 4. Nesil olarak kabul ed-ilen altı reaktörden biridir. ETR’ler düşük basınçlı, sıvı tuz yakıtlı ve sıvı tuz soğutuculu reaktörlerdir. Şekil 1’de genel görünümü verilen ETR’nin ilk iki çevriminde sırası ile yakıt ve soğutucu tuzları sıvı halde bulunmaktadır.

Yakıt tuzu 7LiF-ThF4-233UF3 bileşiğinden, soğutucu tuzu ise FLiNaK bileşiğinden oluşmaktadır. Ayrıca bazı ETR türlerinde, diğer reaktörlerden çıkarılan kullanılmış yakıtlar da kullanılabilmektedir.

Şekil 1-ETR Genel Görünümü

Dr. Hüseyin [email protected]ükleer Teknoloji Birim MüdürüFİGES AŞ

Uğur Kö[email protected]ükleer Enerji MühendisiFİGES AŞ

Ufuk Koç[email protected]ükleer Enerji MühendisiFİGES AŞ

Dr. Ertan [email protected] .trAkışkanlar Mekaniği ve TermodinamikBirim YöneticisiFİGES AŞ

Alper Yıldırı[email protected] MühendisiNUMESYS AŞ

MAKALE / NÜKLEER


Oluklu plaka tasarımında ise oluk derinliği, oluk açıklığı, kanal genişliği ve akışkan hızları gibi tasarım parametreleri önce 2B HAD analizleri ile daha sonra da detaylı 3B HAD analizleri ile incelenmiştir.

3.HAD MODELİ

Verimli bir ısı değiştirici tasarımı, plakalar arasında limit hızları aşmayacak şekilde akışın tüm plakalarda düzenli olarak dağılmasını ve türbülanslı bir şekilde ilerlemesini gerektirir. Türbülans, yüksek ısı transfer katsayısı sağlamanın yanısıra tortu oluşmasını ön-lemek için de gereklidir. Tasarım parametrelerinin plakalar arası akış dağılımına ve nihai olarak ısıl per-formansa etkisi hem düz hem de oluklu model için 2B ve 3B HAD analizleri ile incelenmiştir. Hesaplamalar ANSYS-Fluent yazılımı ile gerçekleştirilmiştir.

3.1.Geometrik Model

Düz plakalı tasarım analizleri tek bir plaka ve bu plakanın komşu kanalları için gerçekleştirilmiştir. Tasarıma ait geometrik model Şekil 3’te gösterilmek-tedir. Yakıt sıvısı sistemin üst tarafından girdikten son-ra yarı dairesel olarak tasarlanmış dağıtım bölümünde yayılarak, orta bölümdeki kanallara girmekte ardından sistemin alt tarafında toplanarak sistemi terk etmekte-dir. Yarı dairesel tasarım, akışta oluşabilecek girdapsal yapılardan kaçınmak için seçilmiştir. Soğutucu sıvısı ise sistemin alt kısmından giriş yapıp üst kısmından çıkış yapmaktadır. Şekil 3-c’de görüldüğü gibi yakıt tuzu ile soğutucu tuzu birbirine ters (cross-flow) olar-ak akmaktadır.

Merkezde toplam 20 adet kanal bulunmaktadır. Kanalları oluşturan katı aynı zamanda yapısal dayanım için de faydalı olmaktadır. SAMOFAR projesi kapsamında tasarlanan reaktörde kullanılacak olan ısı değiştiricilerinin her birinin ısıl gücü düşünüldüğünde, çalışmada yapılan tasarıma göre yaklaşık olarak 168 plaka kullanılması gerekmektedir.

Oluklu plaka tipi ısı değiştirici için yapılan çalışmalar, Şekil 4’te gösterilen küçük bir bölümle sınırlı tutulmuş, bu ve benzeri 2B ve 3B modeller üzerinden oluk açıklığı, oluk derinliği, kanal genişliği, chevron açısı gibi parametrelerin ısıl performansa etkisi incelenmiştir. Şekilde verilen geometrinin genişliği 15 cm, uzunluğu 30 cm’dir. İki plaka arasındaki en yakın mesafe 2 mm’dir. Bu çalışmanın devamında plakaların birbirine temas ettiği durumlar da incelenecektir.

Şekil 3-Düz plaka tipi ısı değiştirici geometrik modeli

3.2.Mesh Yapısı

Düz plakalı ısı değiştirici için yapılan 3B HAD çalışmalarında kübik (hex) mesh (örgü) elamanları kullanılmıştır. Kanal içi akışın ve duvar bölgesindeki ısı transferinin doğru şekilde çözümlenebilmesi için uygun “edge sizing” ve “bias factor” tanımlanmıştır.

Ayrıca mesh elemanlarının “orthagonal quality” ve “skewness” değerlerinin uygun olması açısından modelin tamamında “sweep method” kullanılmıştır. Düz plakalı ısı değiştirici için oluşturulan 3B modelde yaklaşık 16 milyon mesh elemanı kullanılmıştır. Şekil 5’te düz plakalı ısı değiştirici modelinin mesh yapısı gösterilmektedir.

Oluklu yapıdaki plakalar için yapılan 2B çalışmalarda quad mesh yapısı kullanılmıştır. 3B çalışmalarda ise tet mesh kullanılmıştır. 3B model için katı sınır bölge-lerinde 5 ince katman (boundary layer) kullanılmıştır.

Bu modelde yaklaşık 8 Milyon mesh elemanı oluşturulmuştur. Şekil 6’da 3B oluklu plaka modelinin mesh yapısı gösterilmektedir

Şekil 4-Oluklu Plaka Tipi Isı Değiştirici Geometrik Modeli

Şekil 5-Düz plakalı ısı değiştirici modelinin mesh yapısı

Şekil 6-Oluklu plaka tipi mesh yapısı


3.3.Numerik Model

Kararlı durum (Steady State) için gerçekleştirilen HAD analizlerinde türbülans etkisi k-E (realizable) modeli ile hesaba katılmıştır. Duvar sınır şartının uygulandığı tüm katı yüzeylerde duvar etkisi “Enhanced Wall Treatment” ile ele alınmıştır. Analizlerde ayrıca viskoz ısınma etkileri de hesaba dahil edilmiştir. Basınç-hız ilişkisi için “SIMPLE” algoritması kullanılmıştır. Ayrıklaştırma yöntemi basınç için “PRESTO”, diğer terimlerde ikinci derece olarak seçilmiştir.

4.SONUÇLAR

Düz plakalı ısı değiştirici tasarımında öncelikle 0B model tabanlı geliştirilen çözücü ile parametreler-in etki analizleri yapılmıştır. Bu çözücü sayesinde,

tasarım isterlerini karşılayacak şekilde geometrik konfigürasyonlar elde edilmiştir. Elde edilen bulgular daha sonraki 2B ve 3B HAD çalışmalarının temelini oluşturmuştur.

Düz plaka tipi için yapılan 2B HAD çalışmalarında genel olarak; yakıt ve soğutucu sıvıların kanal girişlerinin konumları, çapı, giriş açısı ve kanalların orta bölümünde yer alan ayıraçların sayısı, ayıraçlar arası kanallarının genişlikleri gibi parametreler incelenmiştir. Bu analizdeki amaç, kanalların her bir-ine eşit miktarda akışkanın yönlendirilmesidir. Şekil 7’de kanallardaki hız profili gösterilmektedir. Seçilen kanal konfigürasyonu ile akışkanların kanallara eşit şekilde yayıldığı görülmektedir.

2B HAD çalışması sonucunda elde edilen plakanın geometrik özellikleri kullanılarak, yakıt tuzunda 100oC’lik sıcaklık düşümü sağlayacak şekilde düz

plaka için 3B HAD çalışmaları yapılmıştır. Tablo 1’de plakanın geometrik özellikleri ve 3B HAD analizi sonuçları verilmiştir

Şekil 7-Düz plakalı ısı değiştiricideki hız profili

Isı Değiştirici Yüksekliği (m) 1,25Isı Değiştirici Derinliği (m) 0,70Isı Değiştirici Genişliği (Toplam) (m) 0,67Yakıt Kanalı Kalınlığı (mm) 2,00Soğutucu Kanalı Kalınlığı (mm) 2,00Plaka Kalınlığı (mm) 2,00Yakıt Kanalı Boyunca Ortalama Hız (m/s) 2,50Soğutucu Kanalı Boyunca Ortalama Hız (m/s) 5,50Yakıt Tuzundaki Minimum Sıcaklık (oC) 630Yakıt Tuzu Sıcaklık Düşümü (oC) 100Soğutucu Tuzu Sıcaklık Artışı (oC) 87Plaka Başına Aktarılan Isı (MW) 1,12Yakıt Tuzu Hacmi (m3) 0,14Yakıt Tuzu Basınç Farkı (bar) 4,3Soğutucu Tuzu Basınç Farkı (bar) 7,7

HAD çalışması ile elde edilen sonuçlar amaçlanan ısı değiştirici için bütün tasarım kriterlerini karşılamaktadır. Yakıt sıvısındaki yerel minimum sıcaklık değeri 615 oC olan limit değerinin üzerinde

tespit edilmiştir. Şekil 8’de ısı değiştiricinin yakıt ve soğutucu kanallarındaki sıcaklık dağılımı gös-terilmektedir. Sıcaklık profilleri kanalların plaka yüzeyinde elde edilmiştir.

Oluklu plaka tipi için yapılan 2B HAD çalışmalarında; oluk açıklığı, oluk derinliği ve kanal genişliği gibi parametreler ve akışkan

hızları incelenmiştir. İlgili parametreler Şekil 9’da gösterilmiştir. 2B HAD çalışmalarında ayrıca farklı plaka konfigürasyonları da incelenmiştir.

Tablo 1-Düz plakalı ısı değiştiricinin geometrik özellikleri ve HAD sonuçları

Şekil 8- Düz plakalı ısı değiştirici için yakıt kanalı (a) ve soğutucu kanalı

(b) için sıcaklık dağılımı (sıcaklıklar plaka sınırında alınmıştır).


Şekil 9-Oluklu kanal parametreleri ( : oluk derinliği, : oluk açıklığı, : kanal genişliği)α β γ

Şekil 10- Oluk parametrelerinin sıcaklık ve hız dağılımı üzerine etkisi (Vyakıt=0,75 m/s, Vsoğutucu=1,0

m/s, (a): α=2,5 mm, β=20 mm, (b): α=5 mm, β=20 mm, (c): α=5 mm, β=10 mm)

Şekil 10’da oluklu plaka için belirlenen paramet-relerde yapılan değişiklikler ve buna bağlı olarak 2B HAD analizi sonuçları verilmiştir. 2B HAD analizler-inde kanal genişliği 10 mm olarak alınmıştır. Şekil

10-a’da görüldüğü gibi oluk açıklığını sabit tutup oluk derinliğini azalttıkça basınç farkı azalmakta, Şekil 10-c’deki gibi oluk derinliğini sabit tutup oluk açıklığını azalttıkça ısı transferi artmaktadır.

Kanal ve plaka özellikleri sabit tutularak yakıt ve soğutucu sıvı giriş hızlarının etkileri de incelenmiştir. Analiz sonuçları Şekil 11’de gösterilmektedir. Şekil 11-a’da yakıt tuzu ve soğutucu tuzu giriş hızları sırasıyla

0,75 m/s ve 1,0 m/s, Şekil 11-b’de ise sırasıyla 2,0 m/s ve 3,0 m/s olarak uygulanmıştır. Şekillerde görüldüğü gibi yakıt ve soğutucu tuzunun giriş hızlarını artırmak, basınç farkını artırırken sıcaklık farkını düşürmektedir.

Şekil 11-Farklı akışkan hızlarının sıcaklık ve hız dağılımı üzerine etkisi (α =2,5 mm, β =10 mm, (a):

Vyakıt=0,75 m/s, Vsoğutucu=1,0 m/s, (b): Vyakıt=2,0 m/s, Vsoğutucu=3,0 m/s)

Şekil 12-Farklı plaka dizilimlerinin sıcaklık ve hız dağılımları üzerine etkisi (Vyakıt=2,0 m/s, Vsoğutucu=3,0 m/s)

Şekil 12’de komşu plakaların farklı dizilimlerinin sıcaklık ve hız profilleri üzerine etkisi incelenmiştir. Şekil 12-a’da plakalar simetrik, Şekil 12-b’de bir plakanın oluk açıklığı sabit tutulup diğer plakanın oluk açıklığı yarıya indirilmiş ve Şekil 12-c’de komşu

plakalar arasında faz farkı oluşturulmuştur. Kanal genişlikleri 10 mm olarak alınmıştır. Analiz sonuçlarına bakıldığında sıcaklık farkının en fazla Şekil 12-b’de olduğu görülmektedir.


Oluklu plaka 2B HAD analiz sonuçları doğrultusunda 3B HAD çalışmaları yapılmıştır. 2B çalışmaya ek olarak 3B çalışmada Chevron açısı parametre olarak girilmiştir. Chevron açısındaki değişimlere göre elde edilen 3B HAD analiz sonuçları Şekil 13’te göster-

ilmektedir. Açı arttıkça plakalar arasındaki akış daha türbülanslı olmakta ve dolayısyıla daha fazla ısı trans-feri gerçekleşmektedir. İleride yapılacak çalışmalarda, optimum açı hesabı ve plakaların birbirine temas du-rumu incelenecektir.

5.DEĞERLENDİRME

Bu çalışmada, AB Horizon 2020 çerçevesin-de sürdürülen SAMOFAR projesi kapsamında geliştirilmekte olan “Toryum Yakıtlı Ergimiş Tuz Reaktörü”nün birincil çevriminde kullanılacak ısı değiştirici için konsept tasarım çalışmaları yürütülmüştür. Tasarlanan ısı değiştiricinin kompakt yapıda olması sebebiyle plakalı ısı değiştirici üzerine çalışmalara yoğunlaşılmıştır. Plaka tipi olarak düz ve oluklu yapı ele alınmıştır.Düz plakalı ısı değiştirici için;

- gerekli ısı aktarımını sağlayabilecek sistemin geometrik boyutlarının belirlenmesi ve tasarım para-metrelerinin etkilerinin incelenebilmesi için boyutsuz model tabanlı bir çözücü geliştirilmiş ve kullanılmıştır,- akış dağılımının düzgün olması için 2B HAD analizleri gerçekleştirilmiş ve kanal giriş pozisyonları belirlenmiştir,- elde edilen geometri için 3B HAD analizleri gerçekleştirilerek, tasarım kriterlerini sağlayacak şekilde düzenlemeler yapılmış ve nihai konfigürasyon elde edilmiştir.Oluklu plaka ısı değiştirici için;- oluk derinliği, oluk açıklığı, kanal genişliği ve akışkan hızları gibi parametrelerin sistemin ısıl-hidrolik davranışı üzerine olan etkileri 2B HAD analizleri ile incelenmiştir,

- 2B çalışmalara ek olarak, Chevron açısının etkilerini incelemek için 3B HAD analizleri gerçekleştirilmiştir,- ileride yapılacak çalışmalarda, optimum açı hesabı ve plakaların birbirine temas durumu incele-nerek oluklu plaka için nihai konfigürasyon elde edi-lecektir.

KAYNAKÇA

[1] J. L. Kloosterman, “A description of the Mol-ten Salt Fast Reactor and the EU SAMOFAR project,” FİGES İleri Mühendislik ve ArGe Teknolojileri Dergisi, pp. 8–11, 2017.[2] “Generation-IV International Forum.” [On-line]. Available: https://www.gen-4.org. [Accessed: 19-Jul-2018].[3] Project No: 249696, “FINAL REPORT - EVOL project,” 2014.[4] “Home - SAMOFAR.” [Online]. Available: http://samofar.eu/. [Accessed: 19-Jul-2018].[5] T. J. Dolan, Molten salt reactors and thorium energy. Woodhead Publishing, 2017.[6] I. L. Pioro, Handbook of generation IV nucle-ar reactors. Woodhead Publishing, 2016.

Şekil 13-Farklı Chevron açılarında, kanal içi akımlar (streamline) ve sıcaklık dağılımları

Barış AKIN, MScYapısal Analiz Mühendisi, Makine Mü[email protected]İGES AŞ

KARBON FİBER HIZ TEKNESİ YAPISAL BÜTÜNLÜK ANALİZLERİ

Her geçen gün daha yüksek hız ve güce sahip tekneler talep ediliyor. Fibertech firması tarafından, Dubai’li hız tutkunları için üretilen karbon fiber teknenin, seyir koşullarında, yapısal bütünlüğü incelenmiştir.

Bu çalışmada, DNV GL yüksek hızlı hafif deniz araçları standardına göre, en zorlu operasyonel koşullar göz önünde bulundurularak sonlu elemanlar metodu (SEM) ile analiz edilmiş ve hesaplanan

sonuçlar incelenmiştir. Kompozit model oluşumu ve sonuçların kompozit hata kriterlerine göre irdelenmesi Ansys ACP Pre-Post modülü içinde yapılmıştır. DNV GL dökümanında hesaplanan basınç yükleri, Static Structural modülünde uygulanmıştır. Kompozit elyaflar, kabuk (Shell) elemanlar ile modellenmiş olup, alt, orta ve üst kirişlerde bulunan çekirdek (core) malzeme katı (Solid) elemanlar ile modellenmiştir.

1. GİRİŞ

Tekne Uzunluğu (L) 14.28 m

Tekne Kütlesi (∆) 10.429 t

Tekne Maksimum Hız (V_max) 90 Knot

Su Hattı (T) 0.55 m

Su hattı boyu (L_WL) 11.1 m

Ağırlık Merkezindeki yükselme açısı (B_cg) 16°Su hattındaki toplam kalıp genişliği (B_wl2) 2.1 m

Deniz durumu 2

Tablo 1 – Tekne Ana Özellikleri

MAKALE / DENİZCİLİK


Tekne ana gövdesini oluşturan kompozit elyaflar karbon temelli, CBX400 VE CDB400 malzemelerinden

yapılmıştır. Çekirdek (core) malzeme olarak, kalınlığı değişken PVC (MyCell) malzemesi kullanılmıştır

DNVGL-RU-HSLC, 3. Kısmındaki yönetmeliğe göre, tekne gövdesinde baş-kıç vurma hareketinde en yüksek yüklerin oluştuğu gözlemlenmiştir. Bu nedenden ötürü tasarım ve simülasyon aşamasında

baş-kıç vurma hesapları yapılmıştır. Baş-kıç vurma esnasında tekne alt gövdesinde oluşan basınçları hesaplamak için (V/√L≥3 eşitliğini sağladığı için);

n katsayısı bu denklemde tek gövdeli tekne olduğundan ötürü 1 alınmıştır. Tekne gövdesi, 2.5 metrekarelik alanı geçmemek koşuluyla minimum

0.002 ∙ ∆/T büyüklüğünü geçmeyecek şekilde; 96 alana ayrılmıştır.

TEKNE SEYİR KOŞULLARINDA YÜKLERİN BELİRLENMESİ

Konstrüksiyon Malzemesi

CBX400 CDB400

Akma Mukavemeti (X yönü) [MPa] 700 1632

Akma Mukavemeti (Y yönü) [MPa] 700 34

Akma Mukavemeti (Z yönü) [MPa] 50 34

Tablo 2 – Malzeme Mekanik Özellikleri

Şekil 1 Çarpma koşulu için boy basınç dağılım faktörü

Formülü kullanılmıştır. Burada ‘i belirlemek için;

K_β değeri lokal yükselme açısından ötürü doğan doğrulama faktörüdür. K_β ;

formülünden hesaplanmıştır. β_x değeri seçilen alanın kaide hattıyla yaptığı açıyı temsil etmektedir.

V/√L≥3 eşitliğini sağladığı için a_cg;

k_h değeri tekne gövde tipi faktörü Tablo 1’e göre 1 olarak seçilmiştir.

Deniz durumu 2 olduğu koşullarda, minimum kayda değer dalga yüksekliği 0.5 metre olarak alınmıştır. Bu durumda dikey ivmelenme;

şeklinde formülüze edilmiştir. Bu durumda her basınç bölgesi için yüzey alanı, K_l ve β_x değerleri hesaplanmıştır. Deniz statik basıncı su hattının altında kalan alanlar için;

Su hattından yukarıda olan alanlar için;

Olarak hesaplanmıştır. Maksimum dikey ivmelenme, 6.0g0’la sınırlandırıldığından dolayı, bu değer, 58.86

m/s2 olarak alınmıştır. Bu durumda baş-kıç çarpma sonucu yüzeyde gemi yüzeyinde oluşan basınçlar;

Formülünden hesaplanmıştır. Bileşke basınç statik ve baş-kıç çarpma basıncının toplamı olarak hesaplanmıştır. Hesaplanan basınç değerleri, ANSYS

Composite Preppost modülünde yaratılan, tekne geometrisinde uygulanmıştır. Sonuçta, Tsai-Wu hata kriteri ve toplam deformasyon incelenmiştir.

Gövde Tipi k_h

Tekli Gövde, Katamaran 1.0

Dalga Kıran 0.9

SES, ACV 0.8

Folyo takviyeli gövde 0.7

SWATH 0.7

Tablo 3 Gövde Katılım Faktörü


Maksimum deformasyon tekne gövdesinde orta bölümde oluşmuştur. Tsai-Wu hata kriterleri

incelenirken en yüksek sonuçlar tekne gövdesinde olduğu gözlemlenmiştir.

Şekil 2 Toplam Deformasyon Sonucu

Şekil 3 Tekne Gövdesi Tsai-Wu Hata Kriteri Sonuçları

Şekil 4 Tsai-Wu Hata Kriteri Tekne Kıç Bölgesi

SONUÇLAR VE DEĞERLENDİRME

Sonuçlar incelendiğinde tekne kıç bölgesine ekstra Plywood takviyesi yapılmıştır. Yapılan takviyeler sonucu deformasyon sonuçları ve kritik bölgelerdeki gerilmeler azalmıştır. Yapılan ilave takviye sonrası, orta bölümde oluşan deformasyonlar azalmış ve tekne kıç tarafında olan Tsai-Wu hata değerleri düşmüştür. İlave

olarak kıç tarafa yakın perdede ve gemi kıç kabuk kısmına ilave takviye yapılması önerilmiştir.Bu çalışma özellikle kompozit deniz araçlarının ileri mühendislik araçlarıyla hesaplanmasını yaygınlaştırmak için güzel bir örnek oluşturmaktadır.

Şekil 5 Revizyon Sonrası Toplam Deformasyon

Şekil 6 Revizyon sonrası Tsai-Wu sonuçları

Şekil 7 Revizyon sonrası Tsai-Wu sonuçları

[1] DNV-GL 2017-01: High Speed and Light Craft (RU-HSLC) [2] ANSYS Composite Preppost Training Material

REFERANSLAR


Ahmet Burak [email protected] Yüksek MühendisiFIRAT ÜNİVERSİTESİMekatronik Müh. Bölümü

Doç. Dr. Oğuz [email protected] ÜNİVERSİTESİ Mekatronik Müh. Bölümü

Muhammet Aydı[email protected]. Makina MühendisiFIRAT ÜNİVERSİTESİ Mekatronik Müh. Bölümü

HAREKETLİ ARAÇ ÜZERİNDE YAPAY SİNİR AĞI DESTEKLİ NAMLu ATIŞ KONTROLÜ

Ülkelerin tehditlere karşı caydırıcılığı artırmak ve birbirlerine karşı üstünlük sağlamak amacıyla daha güçlü ve etkili silah sistemlerine sahip olma isteği ve ülkelerin bu alandaki çalışmaları günümüzde de artan bir hızla devam etmektedir [1]. Günümüz savunma sanayi teknolojisi ile geliştirilen yeni nesil silah sistemlerinin temel amacı, her türlü bozucu etki karşısında belirlenen hedefin başarılı bir şekilde vurulmasını sağlamaktır. Aynı zamanda, yaşadığımız dönem içerisindeki harp koşullarında, daha hareketli ve daha hızlı tepki verebilen silah sistemleri tercih edilmektedir. Bu silah sistemleri içerisinde, hareketli araç üzerinden yapılan atışın başarılı olması, namlu stabilizasyonu ile mümkündür. Namlu stabilizasyon sistemi, sadece bir hedef takip sistemi değil aynı zamanda namlunun hedef bölgesinde kalmasını sağlayan, arazi şartlarından en az etkilenen yüksek vuruş yüzdesi atışlar yapılmasına yardımcı olan bir sistemdir [2]. Namlu stabilizasyonunun başarılı bir

şekilde gerçekleştirilebilmesi için hareketli aracın süspansiyon özellikleri, arazi yüzeyinin fiziki özellikleri, atış yapılacak namlu sisteminin tepme kuvveti, havanın atmosferik şartları vb. tasarlanan sisteme tesir eden bozucu etkiler karşısında doğru tepkilerin elde edilmesi gerekmektedir.

Bu çalışmada, üzerine hareketli bir namlu atış kontrol sisteminin yerleştirildiği düzlemsel yarım taşıt modeli kullanılmıştır. Sistem toplamda 4 serbestlik dereceli olarak modellenmiştir. Aracın sabit ve hareketli durumlarında gerçekleştirilen simülasyonlarla atışların hedefe olan isabet başarısı incelenmiştir. Simülasyonlar MATLAB paket programında gerçekleştirilmiştir. Namlunun araç gövdesine göre yaptığı bağıl açısal hareketinde, hedeflenen referans açıyı yakalayabilmesi için klasik PID kontrol yöntemi kullanılmıştır.

1. GİRİŞ

MAKALE / SAVuNMA

Namlu atış kontrol sisteminin belirlenen her hedefi vurabilmesi için gerekli namlu yükselme açısının (elevation angle - ) hesaplanmasında ve silah atış kontrol sistemindeki hedefi yakalama probleminin çözümlenmesinde bir yapay sinir ağı (YSA) yapısından faydalanılmıştır [3]. YSA yapısında kullanılan ağırlık ve bias katsayılarının optimize edilmesinde genetik algoritma yöntemi tercih edilmiştir. Burada oluşturulan YSA’nın eğitiminde kullanmak üzere bir eğitim data kümesi hazırlanmıştır. Eğitim için ele alınan 25 farklı hedefin koordinatları belirli bir aralıkta rastgele seçilmiş, araç ve hedef noktanın hareketsiz olduğu kabul edilmiştir. Belirlenen hedeflere gerçekleştirilen atışların isabet başarı oranları, belirlenecek namlu yükselme açısına bağlı olarak değişmektedir. Bu şekilde oluşturulan eğitim data kümeleri ile YSA’nın eğitimi tamamlandıktan sonra, eğitimde kullanılan hedeflerden farklı olarak rastgele seçilmiş koordinatlar hedef alınarak atış testleri için simülasyonlar tekrarlanmıştır. Ayrıca bu çalışmada bölgesel minimuma takılmamak ve bütünsel minimumu bulabilmek açısından avantajlı olan Genetik algoritmalar yöntemi tercih edilmiştir.Bilinen sistemlerde namlu yükselme açısının tespitinde klasik analitik hesaplamalar yer almaktadır. Yapay zekâ tekniklerinin kullanılması ile bir sistemde modellenemeyen parametrelerin modeldeki etkisinin hesap edilebilmesi bir avantaj olarak karşımıza çıkmaktadır. Ayrıca sistem öğrenebilme özelliği kazanabilmektedir.

Simülasyonlarda aracın hareket halinde olması ve arazi yüzeyinin engebeli olmasına bağlı olarak araca etkiyen dış bozucu etkiler altında atış kontrol sisteminin başarısı da incelenmiştir.

Sistemin fiziksel parametrelerinden θ; gövdenin zemine göre olan açısal konumunu, α; namlunun gövdeye göre bağıl açısal konumunu, temsil etmektedir

Ele alınan sistemin dinamik modeli oluşturulmuş, eksenlere ait tahrik kuvvetlerini belirten matematiksel ifadeler Lagrange-Euler yöntemiyle hesaplanmıştır.

2. NAMLUNUN PID KONTROLÜ

Namlu açısının belirlenen referans açısal konuma getirilmesi için klasik bir PID kontrolör tasarlanmıştır. Hata değerinin anlık artış veya azalış eğilimine bakarak PID kontrol bir çıkış sinyali üretmektedir.PID kontrolörün başarısını ortaya koyabilmek için araç 5 m/s hızla ilerletilirken zeminden rastgele bozucu etkilere maruz bırakılmıştır. Başlangıç şartlarının sıfır olduğu andan itibaren namlu yükselme açısının ayrı ayrı ve referans konumlarına gitmesi için uygulanan PID kontrol neticesinde araç dinamiklerine ait sistem ve kontrol cevapları Şekil 2,3,4,5’te verilmiştir. Tasarlanan PID kontrol katsayıları deneme yanılma tekniği ile belirlenerek

, olarak bulunmuştur.

Şekil 1. Namlu Atış Kontrol Sistemli Yarım

Taşıt Modeli

Şekil 2. için PID Kontrol Neticesinde Araç Dinamiklerine Ait Cevaplar

Şekil 3. için PID Kontrol Neticesinde Araç Dinamiklerine Ait Cevaplar


0 0.5 1 1.5 20

5

10

15)ecere

D( afla + atet

0 0.5 1 1.5 2-50

0

50

Kon

trol

Tor

ku (

Nm

)

0 0.5 1 1.5 2-0.05

0

0.05

)m( ucuzob 1

Y

0 0.5 1 1.5 2-0.04

-0.02

0

0.02

0.04

0.06

Y2

bozu

cu (

m)

0 0.5 1 1.5 20

5

10

15

20

25

30

35

)ecereD( afla + atet

0 0.5 1 1.5 2-50

0

50

Kon

trol

Tor

ku (

Nm

)

0 0.5 1 1.5 2-0.05

0

0.05

)m( ucuzob 1

Y

0 0.5 1 1.5 2-0.06

-0.04

-0.02

0

0.02

0.04

Y2

bozu

cu (

m)

Ülkelerin tehditlere karşı caydırıcılığı artırmak ve birbirlerine karşı üstünlük sağlamak amacıyla daha güçlü ve etkili silah sistemlerine sahip olma isteği ve ülkelerin bu alandaki çalışmaları günümüzde de artan bir hızla devam etmektedir [1]. Günümüz savunma sanayi teknolojisi ile geliştirilen yeni nesil silah sistemlerinin temel amacı, her türlü bozucu etki karşısında belirlenen hedefin başarılı bir şekilde vurulmasını sağlamaktır. Aynı zamanda, yaşadığımız dönem içerisindeki harp koşullarında, daha hareketli ve daha hızlı tepki verebilen silah sistemleri tercih edilmektedir. Bu silah sistemleri içerisinde, hareketli araç üzerinden yapılan atışın başarılı olması, namlu stabilizasyonu ile mümkündür. Namlu stabilizasyon

sistemi, sadece bir hedef takip sistemi değil aynı zamanda namlunun hedef bölgesinde kalmasını sağlayan, arazi şartlarından en az etkilenen yüksek vuruş yüzdesi atışlar yapılmasına yardımcı olan bir sistemdir [2]. Namlu stabilizasyonunun başarılı bir şekilde gerçekleştirilebilmesi için hareketli aracın süspansiyon özellikleri, arazi yüzeyinin fiziki özellikleri, atış yapılacak namlu sisteminin tepme kuvveti, havanın atmosferik şartları vb. tasarlanan sisteme tesir eden bozucu etkiler karşısında doğru tepkilerin elde edilmesi gerekmektedir.

Bu çalışmada, üzerine hareketli bir namlu atış kontrol sisteminin yerleştirildiği düzlemsel yarım taşıt modeli kullanılmıştır. Sistem toplamda 4 serbestlik dereceli olarak modellenmiştir. Aracın sabit ve hareketli durumlarında gerçekleştirilen simülasyonlarla atışların hedefe olan isabet başarısı incelenmiştir. Simülasyonlar MATLAB paket programında gerçekleştirilmiştir. Namlunun araç gövdesine göre yaptığı bağıl açısal hareketinde, hedeflenen referans açıyı yakalayabilmesi için klasik PID kontrol yöntemi kullanılmıştır.

3. NAMLU YÜKSELME AÇISININ TESPİTİ

Konumu bilinen bir hedefe başarılı bir atış yapabilmek için namlunun, uygun yükselme açısına sahip olması gerekir. Şekil 6’da, hedef noktasını vurabilmek için araç gövde açısı ile α namlu bağıl açısının toplamı olan = +α namlu yükselme açısıyla basit bir eğik atış hareketi görülmektedir. Pratik uygulamalarda bu açı hesap edilirken mühimmatın izlediği yörünge güzergâhındaki hava sıcaklığı, basıncı, rüzgâr şiddeti ve yönü, havanın yağışlı olma durumu gibi atmosferik şartlar göz önünde bulundurulurken bu çalışmada bu parametreler ihmal edilmiştir.

Sürtünmesiz ve yerçekimsiz ortamda belirlenen bir hedefin başarıyla isabet ettirilebilmesi için Şekil 6’da görülen d_hip doğrultusunda bir yolun izlenmesi yeterli olacaktır. Bu doğrunun eğimi olan φ hipotenüs açısı hedefin x ve y koordinatlarına bağlı olarak (1)’deki gibi değişim gösterecektir. Ortama sürtünme etkisi ile birlikte düşey y ekseninde yerçekimi etkisinin dâhil edilmesi halinde, hedefin isabet ettirilebilmesi için φ hipotenüs açısına bir miktar ∅ düzeltme açısının

Şekil 6. Eğik Atışta Hipotenüs Açısı

eklenmesi gerekmektedir. Buna göre namlu yükselme açısı γ=φ+∅ olarak hesap edilmelidir.

Bu çalışmada YSA yardımıyla ∅ düzeltme açısının tespit edilebilirliği araştırılmıştır. Bunun için Şekil 7’de görülen 3 katmanlı ileri beslemeli bir YSA yapısı kullanılmıştır. Giriş katmanında 7 hücre, gizli katmanda 3 hücre ve çıkış katmanında tek hücre kullanılmıştır. Giriş ve gizli katmandaki hücrelerde aktivasyon fonksiyonu olarak tansig fonksiyonu, çıkış katmanında ise purelin fonksiyonu kullanılmıştır. Bu parametrelerin seçimi deneme yanılma tekniği ile belirlenmiştir. Atış yapılacak hedef noktanın x ve y koordinatları ile hipotenüs açısı YSA’ya verilecek giriş verileri olarak, ∅ düzeltme açısı ise YSA’ya öğrenmesi gereken çıkış verisi olarak belirlenmiştir. YSA’nın eğitimi için Tablo 1’de verilen eğitim data kümesi kullanılmıştır.

Yatay ve düşey koordinatları belli olan her bir hedefin isabet ettirilebilmesi için girişte verilmesi gereken ∅ düzeltme açıları tespit edilmiştir. Bu tespitte kullanılan genetik algoritma için, Matlab genetik algoritmalar araç kutusundan faydalanılmış, popülasyon sayısı 40, iterasyon sayısı ise 120 olarak seçilmiştir.

Tablo 1. YSA için Hazırlanan Eğitim Data Kümesi

4. SİMÜLASYONLARLA HEDEF İSABET TESTLERİ

Şekil 8’de araç üzerindeki namludan yapılmış bir atışın hedefe isabet ettiği simülasyonlardan alınmış bir görüntü yer almaktadır.

Aracın hareketli ve hareketsiz olduğu farklı durumların her biri için gerçekleştirilen, 5 farklı hedefe yönelik atışlardan elde edilen test sonuçları Tablo 2’de verilmiştir. Aracın ilerleme hızları 0-4 m/s değerleri arasında seçilmiştir. Araç hareket halindeyken zeminden bozucu etki girişi uygulanmıştır. Bu bozucu etki araç ilerleme hızına da bağlı olarak 0.05 m genliğinde ve 0-5 Hz frekans aralığında zamanla rastgele değişen bir fonksiyon ile tanımlanmıştır.

Şekil 7. Namlu Düzeltme Açısı için Kullanılan YSA Yapısı

Tablo 2. Simülasyonlardan Elde Edilen Test Sonuçları

Şekil 8. Simülasyonlarla Gerçekleştirilen Atışın Hedefe İsabet Ettiği Anın Görüntüsü


5. SONUÇLAR VE ÖNERİLER

Dinamik bir sistemde olabilecek belirsizliklerden kaynaklanan problemlerin YSA ile aşılabileceği düşüncesinden yola çıkılarak bu çalışmada YSA’nın atış kontrol sistemindeki kullanılabilirliği incelenmiştir. Gerekli olan namlu yükselme açısının doğru hesap edilebilmesi hedef isabetinde büyük önem taşımaktadır. Ayrıca hesap edilen bu açının bir kontrolör tarafından sağlanması da gerekmektedir. Bu çalışmada katsayıları deneme yanılma yöntemi ile elde edilmiş klasik PID kontrol yöntemi kullanılarak namlunun açısal konum kontrolü belirli bir başarıyla sağlanmaya çalışılmıştır.

Tablo 2’de test simülasyonlarından elde edilen isabet hatalarına bakıldığında en büyük değerin hedeften 4.1319 m kadar, en küçük değerin ise 0.0782 m kadar saptığı anlaşılmaktadır. Bu aralıklardaki hassasiyete sahip uygulamalar için testlerin başarılı olduğu söylenebilir. İsabet hatasındaki bu değişkenliğe, araç hareketliyken zeminden etki eden bozucu girişlerin ve sistem dinamiğinde oluşabilecek belirsizliklerin neden olduğu düşünülmektedir. Namlu yükselme açı değerinin on binde bir hassasiyete kadar etkili olduğu görülmektedir. İsabet hata değeri kullanılan kontrolörün başarısını doğrudan ortaya koymaktadır. Sonuçlar incelendiğinde, bir atış kontrol sisteminde namlu yükselme açısının tespitinde YSA’nın kullanılabilir bir yapıda olduğu açıkça görülmektedir.

6. KAYNAKLAR

[1]Isık, H., 2016. Namlu İçerisindeki Balistik Parametrelerin Modellenmesi. The Journal of Defense Sciences Vol.15. pp. 159.

[2]Songul, S., 2014. Tank Namlusu Stabilizasyon Sisteminin Arduino İle Uygulanması ve Deneysel Düzeneğinin Hazırlanması. Master Tezi, Trakya Üniversitesi, Makine Mühendisliği Bölümü. pp. 20.

[3]Lee, Y, W., 2007 Neural solution to the target intercept problems in a gun fire control system. Neurocomputing-70. pp. 689.


FOCuSING SHORT-wAVELENGTH SuRFACE PLASMONS BY A PLASMONIC MIRROR

Erdem Öğüt, [email protected]İGES Engineering, Teknopark-Istanbul, 34906 Istanbul, TurkeyFaculty of Engineering, Okan University, 34959 Istanbul, Turkey

Cenk Yanık, [email protected] of Engineering and Natural Sciences, Sabanci University, 34956 Istanbul, TurkeySabanci University Nanotechnology Research and Application Center (SUNUM), Sabanci University, 34956 Istanbul, Turkeyİsmet İnönü Kaya, [email protected] of Engineering and Natural Sciences, Sabanci University, 34956 Istanbul, TurkeySabanci University Nanotechnology Research and Application Center (SUNUM), Sabanci University, 34956 Istanbul, TurkeyCleva Ow-Yang,[email protected] of Engineering and Natural Sciences, Sabanci University, 34956 Istanbul, TurkeySabanci University Nanotechnology Research and Application Center (SUNUM), Sabanci University, 34956 Istanbul, Turkey

Kürşat Ş[email protected] of Engineering and Natural Sciences, Sabanci University, 34956 Istanbul,

Emerging applications in nanotechnology, such as superresolution imaging, ultra-sensitive biomedical detection, and heat-assisted magnetic recording, require plasmonic devices that can generate intense optical spots beyond the diffraction limit. One of the important drawbacks of surface plasmon focusing

structures is their complex design, which is significant for ease of integration with other nanostructures and fabrication at low cost. In this study, a planar plasmonic mirror without any nanoscale features is investigated that can focus surface plasmons to produce intense optical spots having lateral and vertical dimensions

MAKALE / OPTİKof λ ∕ 9.7 and λ ∕ 80, respectively. Intense optical spots beyond the diffraction limit were produced from the plasmonic parabolic mirror by exciting short-wavelength surface plasmons. The refractive index and numerical aperture of the plasmonic parabolic mirror were varied to excite short-wavelength surface plasmons. Finite-element method simulations of the plasmonic mirror and scanning near-field optical microscopy experiments have shown very good agreement. © 2018 Optical Society of America

OCIS codes: (310.4165) Multilayer design; (220.4000) Microstructure fabrication; (180.4243) Near-field microscopy.

https://doi.org/10.1364/OL.43.002208

The interaction of light with plasmonic nanostructures has led to optical spots with dimensions beyond the diffraction limit, which are attractive for plasmonic nano-applications. Among these applications, heat-assisted magnetic recording (HAMR) is a promising future application. In the literature, various transducer designs for this application have been demonstrated.A planar solid immersion mirror (PSIM), which is a dielectric waveguide with a parabolic shape, has been used to produce diffraction-limited optical spots with dimensions about a quarter of the incident wavelength. PSIM is one of the waveguide designs for HAMR [1–4]. Other plasmonic applications such as super-resolution imaging and ultra-sensitive bio-medical detection require well-confined optical fields. Plasmonic lenses [5–7], hybrid configurations with deformed geometries [8], metamaterial immersion lenses in hyperbolic and parabolic configurations, di-electric lenses [9], and doublet lenses [10] have been used to focus surface plasmons. Among these stud-ies, tapered Au waveguides on dielectric substrates have been used to focus guided surface plasmon po-lariton (SPP) modes, and intense optical spots were produced without any restriction of the cutoff width of the waveguide taper [11]. Plasmonic waveguides in tapered metal–insulator–metal configurations have been studied [12,13]. Another study used a Si wedge having an increasing thickness between 5 nm and 50 nm on a Ag substrate for nanofocusing of SPPs. The thickness of the dielectric wedge increased along the longitudinal direction (x direction) and was invariant along the thickness direction (y direction) of the Ag substrate. At narrower wedge dimensions, a more confined SPP was obtained, and intense and local-ized optical spots were obtained [14]. SPP pulse propagation in two-dimensional parabolic focusing devices was demonstrated, and diffraction-limited SPP focusing was obtained [15]. In another study, a parabolic arrangement of gold nanoparticles on gold films [16] and curved nanoparticle chains has been used to focus SPP [17]. Nanoslits [18–20], nanoholes

on metallic films [21–24], nanoapertures [25], and ta-pered nanostructures [26] were also used to focus surface plasmons.

In this study, a plasmonic mirror was inves-tigated that consists of planar layers without any na-noscale or microscale features. It was demonstrated that short-wavelength surface plasmons can be ex-cited and focused by the parabolic geometry defining the lateral dimensions of the plasmonic mirror to ob-tain intense optical spots beyond the diffraction limit.Optical spots beyond the diffraction limit were dem-onstrated having lateral and vertical dimensions of λ ∕ 9.7 and λ ∕ 80. The plasmonic mirror was demon-strated via two different configurations for generating optical spots beyond the diffraction limit: (1) a high-index dielectric–Au–low-index dielectric multilayer and (2) a Au–dielectric–Au multilayer. The plasmonic microtransducer with a high-index dielectric–Au–low-index dielectric multilayer is illustrated in Fig. 1. A p-polarized plane wave of λinc 633 nm was incident on the plasmonic mirror that excited surface plasmons on the gold thin-film surface,

where λinc was the incident wavelength in vacuum. The thicknesses of the low-index dielectric, Au, and high-index dielectric layers were selected as t0 300 nm, tAu=50 nm, and t1=300 nm, respectively. The re-fractive indices of the lowindex dielectric and high-index dielectric layers were selected as n0=1 and n1=1.45, respectively. n1=1.45 is used in the initial simulations. The high-index layer increased the mag-nitude of the incident wavevector to make it equal to the SPP wavevector, so that surface plasmons can be excited on the gold thin film. The magnitude of the in-cident field was selected as 1 V∕m in this study. Thus, the corresponding values of electric field intensity re-flected an enhanced intensity. The dielectric constant

where λinc was the incident wavelength in vacuum. The thick-nesses of the low-index dielectric, Au, and high-index dielectriclayers were selected as t0 � 300 nm, tAu � 50 nm, andt1 � 300 nm, respectively. The refractive indices of the low-index dielectric and high-index dielectric layers were selectedas n0 � 1 and n1 � 1.45, respectively. n1 � 1.45 is used inthe initial simulations. The high-index layer increased the mag-nitude of the incident wavevector to make it equal to the SPPwavevector, so that surface plasmons can be excited on the goldthin film. The magnitude of the incident field was selected as1 V∕m in this study. Thus, the corresponding values of electricfield intensity reflected an enhanced intensity. The dielectricconstant of gold at 633 nm is ϵAu � −18.01 − 0.0474i [27].

To analyze this problem, a 3D frequency-domain finite-element method (FEM) was used (ANSYS HFSS). The totalelectric field Et was composed of the incident field Ei andscattered field Es. In this study, the incident field was a planewave. To obtain the scattered field Es, a FEM-based full-wavesolution of Maxwell’s equations was used. To represent thescattering geometries accurately, tetrahedral elements were usedto discretize the computational domain. On the tetrahedralelements, edge basis functions and second-order interpolationfunctions were used. Adaptive mesh refinement was used toimprove the coarse solution regions with high field intensitiesand large field gradients.

Electric field intensity distributions jE�x,y,z � −50 nm�j2of plasmonic microtransducers with various base-width L1and refractive index n0 values are demonstrated in Fig. 2. L2was selected as 7.07 μm. The first column of Fig. 2 is forn0 � 1, and the second column is for n0 � 1.3. The firstrow of Fig. 2 is for L1 � 14 μm, and the second one is forL1 � 5 μm. Comparing the first row with the second row,it can be seen that a higher L1 of the microtransducers provideda higher numerical aperture, which in turn resulted in a smallerdiffraction-limited optical spot. Optical spots with full-widthat half maximum (FWHM) dimensions of 300 × 205 nm,184 × 156 nm, 391 nm × 217 nm, and 240 × 243 nm wereproduced, as shown in Figs. 2(a)–2(d), respectively.

Not only did the numerical aperture have an effect on thespot size, but the SPP wavelength could also be tuned to reducethe spot size. One of the ways to reduce the SPP wavelengthwas to engineer the permittivities of the dielectric layers byusing the SPP dispersion relation, which is given as

λSPP �ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiϵ 0Au � ϵ0ϵ 0Auϵ0

sλinc, (1)

where ϵ 0Au is the real part of the complex permittivity of gold,and ϵ0 is the permittivity of the low-index layer, respectively.Since the Au film had a thickness of 50 nm, it could be regardedas optically thick, and therefore Eq. (1) could be a goodapproximation for λSPP. As seen in Eq. (1), λSPP tends to zerowhen the absolute values of ϵ 0Au and ϵ0 approach one anotherwith a minus sign. Figure 3 supports this trend where n0 wasincreased to 4 with jn 0

Auj � 4.24 (ϵ 0Au � −18.01), resulting in adecrease in the SPP wavelength to 53 nm. This supports thefact that short-wavelength SPPs could be excited when the val-ues of n0 and n 0

Au approach one another with a minus sign. Itcould be seen that spot sizes of 300 × 205 nm (n0 � 1 andn1 � 1.6) and 184 × 156 nm (n0 � 1.3 and n1 � 1.6) areobtained for Figs. 2(a) and 2(b), respectively. Likewise, spot

Fig. 1. Schematic illustration of the parabolic plasmonic micro-transducer. A p-polarized incident plane wave excites surface plasmons,which propagate and reflect toward the focal point. Using a high-indexlayer, an evanescent field is obtained and interacted with the Au–airinterface. The horizontal component of the electric field created chargedensity oscillations on the Au–air interface, which in turn launchedthe SPP.

Fig. 2. Electric field intensity distributions jE�x,y,z � −50 nm�j2 ofplasmonic microtransducers with (a) n0 � 1 and L1 � 14 mm,(b) n0 � 1.3 and L1 � 14 mm, (c) n0 � 1 and L1 � 5 mm, and(d) n0 � 1.3 and L1 � 5 mm. L2 is selected as 7.07 μm.jE�x,y,z�j2 represents the magnitude squared of the complex amplitudeof the electric field. The incident wavelength was selected asλ � 633 nm. Black dashed lines represent the edges of the transducers.

Fig. 3. SPP wavelength as a function of refractive index n0. Theincident wavelength is λinc � 633 nm.

Letter Vol. 43, No. 9 / 1 May 2018 / Optics Letters 2209

Fig. 1. Schematic illustration of the parabolic plasmonic microtransducer. A p-polarized incident plane wave excites surface plasmons, which propagate and reflect toward the focal point. Using a high-index layer, an evanescent field is obtained and interacted with the Au–air interface. The horizontal component of the electric field created charge density oscillations on the Au–air interface, which in turn launched the SPP.


of gold at 633 nm is ϵAu−18.01 − 0.0474i [27].

To analyze this problem, a 3D frequency-domain finiteelement method (FEM) was used (AN-SYS HFSS). The total electric field Et was composed of the incident field Ei and scattered field Es. In this study, the incident field was a plane wave. To obtain the scattered field Es , a FEM-based full-wave solu-tion of Maxwell’s equations was used. To represent the scattering geometries accurately, tetrahedral ele-ments were usedto discretize the computational domain. On the tetra-hedral elements, edge basis functions and second-order interpolation functions were used. Adaptive mesh refinement was used to improve the coarse so-lution regions with high field intensities and large field gradients. Electric field intensity distributions IE(x,y,z

−50 nm)I2 of plasmonic microtransducers with various base-width L1 and refractive index n0 values are dem-onstrated in Fig. 2. L2 was selected as 7.07 μm. The first column of Fig. 2 is for n0=1, and the second col-umn is for n0=1.3. The first row of Fig. 2 is for L1=14 μm, and the second one is for L1=5 μm. Comparing the first row with the second row, it can be seen that a higher L1 of the microtransducers provided a higher numerical aperture, which in turn resulted in a smaller diffraction-limited optical spot. Optical spots with full-width at half maximum (FWHM) dimensions of 300 × 205 nm, 184 × 156 nm, 391 nm × 217 nm, and 240 × 243 nm were produced, as shown in Figs. 2(a)–2(d), respectively.

Not only did the numerical aperture have an effect on the spot size, but the SPP wavelength could also be tuned to reduce the spot size. One of the ways to reduce the SPP wavelength was to engineer the

permittivities of the dielectric layers by using the SPP dispersion relation, which is given as

where ϵ’Au is the real part of the complex permittiv-

ity of gold, and ϵ0 is the permittivity of the low-index layer, respectively. Since the Au film had a thickness of 50 nm, it could be regarded as optically thick, and therefore Eq. (1) could be a good approximation for λSPP. As seen in Eq. (1), λSPP tends to zero when the absolute values of ϵ’

Au and ϵ0 approach one another with a minus sign. Figure 3 supports this trend where n0 was increased to 4 with jn0 Au j 4.24 (ϵ’

Au−18.01), resulting in a decrease in the SPP wavelength to 53 nm. This supports the fact that short-wavelength SPPs could be excited when the values of n0 and n0 Au approach one another with a minus sign. It could be seen that spot sizes of 300 × 205 nm (n0=1 and n1=1.6) and 184 × 156 nm (n0=1.3 and n1=1.6) are obtained for Figs. 2(a) and 2(b), respectively. Like-wise, spot sizes of 391 × 217 nm and 240 × 243 nm are obtained for Figs. 2(c) and 2(d), respectively.

Fabrication of the microtransducer was aimed for realizing the high-index–Au–low-index multilayer with n0=1 (air) and n1=1.45 (fused silica). Electron-beam lithography (Vistec EBPG 5000plus-ES) was employed with an exposure dose of 650 μC∕cm2 at 100 kV to pattern the microtransducers. To eliminate the charging effect during electron beam exposure, 10 nm of Al was thermally evaporated on top of ebeam resist. Then this conductive metal layer was removed by tetramethylammonium hydroxide (TMAH)-based developer (726 MIF) in 40 s before de-veloping the substrate. A large array of this structure was achieved by developing the substrate in a mix-ture of methyl isobutyl ketone (MIBK) and isopropyl alcohol (IPA) solutions (MIBK:IPA-1:3) for 1 min and then fixed in IPA for 1 min. Finally, thermal evapora-tion of Cr/Au (2 nm/50 nm) was followed by a lift-off in acetone. As a result, a 1 mm× 1 mm array of identical microtransducers with L1=6 μm, L2=8.7 μm, n0=1, and n1=1.45 was fabricated.

Scanning near-field optical microscopy






sλinc, (1)













sλinc, (1)













sλinc, (1)








Fig. 2. Electric field intensity distributions IE(x,y,z−50 nm)I2 of plasmonic microtransducers with (a) n0=1 and L1=14 mm, (b) n0=1.3 and L1=14 mm, (c) n0=1 and L1=5 mm, and (d) n0=1.3 and L1=5 mm. L2 is selected as 7.07 μm. IE(x,y,z)I2 represents the magnitude squared of the complex amplitude of the electric field. The incident wavelength was selected as λ=633 nm. Black dashed lines represent the edges of the transducers.

Fig. 3. SPP wavelength as a function of refractive index n0. The incident wavelength is λinc=633 nm.

(SNOM) experiments were performed by illuminating the fused silica substrate with a p-polarized incident light of λinc 632.8 nm at the open end of the parabola. Upon SPP excitation, the SNOM (Nanonics Multiview 4000) was raster-scanned in collection mode with a 100 nm aperture, and an optical spot with FWHM dimensions of 438 nm × 277 nm was imaged, as demonstrated in Fig. 4(a). FEM simulations provided an optical spot with FWHM dimensions of 396 nm × 280 nm, which were in very good agreement with the SNOM results, as shown in Fig. 4(b). On the other hand, FEM simulations provided a smaller FWHM spot size compared to SNOM experiments. The ap-erture size of 100 nm was a fundamental limitation for achieving an optical image resolution as high as that obtained by FEM. This limitation was also ob-served in the interference pattern. FEM and SNOM both demonstrated a bow-shaped interference pat-tern along the side wall of the microtransducer; on the other hand, the interference fringes were visible for FEM but broadened for SNOM.

The formation of optical spots by the plas-monic microtransducers could be explained by the principles of geometric optics. As seen in Fig. 1, sur-face plasmons that crossed through the

focal point had a specific optical path length, (OPL)

m= dmxnAu for m 1, 2,…,m0, where dm is the total dis-tance traveled by an SPP between the open end and the focal point of the transducer, and nAu is the refrac-tive index of gold. The parabolic profile of the micro-transducer led to SPPs crossing through the focus to have an optical path length being an integer multiple of the SPP wavelength, so that (OPL)m=nxλSPP, where n is a positive integer. This in turn resulted in con-structive interference of SPPs at the focal point and formation of a hot spot. The propagation distance of SPP was much longer than L2; therefore, a high-intensity focal point was obtained. The plasmonic

microtransducer configuration discussed was able to confine the incident diffraction-limited light in two dimensions (i.e., x and y directions); however, along the thickness dimension (z direction), confinement was lacking due to the evanescent decay of surface plasmons in the low-index dielectric layer. In order to obtain confinement along the thickness dimension, a Au–dielectric–Au configuration could be used, where the wavelength of the SPP for this configuration could be defined by Eq. (2). Although Eq. (2) generally pro-vided the wavelength of SPP that propagated at the Au–dielectric interface of simpler configurations such as the Kretschmann configuration, it could also be used to explain SPPs at the Au–dielectric interface of a Au–dielectric–Au configuration. Equation (2) reads as

where θSPP is the resonance angle of SPPs, n1 is the refractive index of the high-index layer that was used to fulfill the phasematching condition, ω is the opera-tion frequency, and c is the speed of light in vacuum. As seen in Eq. (2), SPPs had a smaller wavelength when n1 is increased at constant θSPP. The same rela-tion holds in Fig. 5 where SPP wavelengths of λSPP= 83 nm (θSPP=50.2 deg.), 62.5 nm (θSPP=52.4 deg.),50 nm (θSPP=53.1 deg.), and 39 nm (θSPP=54.5 deg.) were obtained for n1=1.7, 2.1, 2.2, and 2.4, respec-tively

Fig. 4. Electric field intensity distribution of (a) SNOM experiments, (b) FEM simulations, and (c) three-dimensional SNOM image of the electric field intensity distribution.

Fig. 5. Dispersion relations of the plasmonic microtransducer with an Au–insulator–Au multilayer for (a) n0=2 and n1=1.7, (b) n0=2.6 and n1=2.1, (c) n0=2.8 and n1=2.2, and (d) n0=3.2 and n1=2.4. Dispersion relation for the metal–air interface and the light line in air is also given. The thickness of gold is selected as tAu=50 nm.

sizes of 391 × 217 nm and 240 × 243 nm are obtained forFigs. 2(c) and 2(d), respectively.

Fabrication of the microtransducer was aimed for realizingthe high-index–Au–low-index multilayer with n0 � 1 (air) andn1 � 1.45 (fused silica). Electron-beam lithography (VistecEBPG 5000plusES) was employed with an exposure dose of650 μC∕cm2 at 100 kV to pattern the microtransducers. Toeliminate the charging effect during electron beam exposure,10 nm of Al was thermally evaporated on top of ebeam resist.Then this conductive metal layer was removed by tetramethy-lammonium hydroxide (TMAH)-based developer (726 MIF)in 40 s before developing the substrate. A large array of thisstructure was achieved by developing the substrate in a mixtureof methyl isobutyl ketone (MIBK) and isopropyl alcohol (IPA)solutions (MIBK:IPA-1:3) for 1 min and then fixed in IPA for1 min. Finally, thermal evaporation of Cr/Au (2 nm/50 nm)was followed by a lift-off in acetone. As a result, a 1 mm ×1 mm array of identical microtransducers with L1 � 6 μm,L2 � 8.7 μm, n0 � 1, and n1 � 1.45 was fabricated.

Scanning near-field optical microscopy (SNOM) experi-ments were performed by illuminating the fused silica substratewith a p-polarized incident light of λinc � 632.8 nm at theopen end of the parabola. Upon SPP excitation, the SNOM(Nanonics Multiview 4000) was raster-scanned in collectionmode with a 100 nm aperture, and an optical spot withFWHM dimensions of 438 nm × 277 nm was imaged, asdemonstrated in Fig. 4(a). FEM simulations provided an opti-cal spot with FWHM dimensions of 396 nm × 280 nm, whichwere in very good agreement with the SNOM results, as shownin Fig. 4(b). On the other hand, FEM simulations provided asmaller FWHM spot size compared to SNOM experiments.The aperture size of 100 nm was a fundamental limitationfor achieving an optical image resolution as high as thatobtained by FEM. This limitation was also observed in theinterference pattern. FEM and SNOM both demonstrated abow-shaped interference pattern along the side wall of themicrotransducer; on the other hand, the interference fringeswere visible for FEM but broadened for SNOM.

The formation of optical spots by the plasmonic microtrans-ducers could be explained by the principles of geometric optics.As seen in Fig. 1, surface plasmons that crossed through the

focal point had a specific optical path length, �OPL�m � dm �nAu for m � 1, 2,…,m0, where dm is the total distance traveledby an SPP between the open end and the focal point of thetransducer, and nAu is the refractive index of gold. The para-bolic profile of the microtransducer led to SPPs crossingthrough the focus to have an optical path length being aninteger multiple of the SPP wavelength, so that �OPL�m �n � λSPP, where n is a positive integer. This in turn resultedin constructive interference of SPPs at the focal point andformation of a hot spot. The propagation distance of SPPwas much longer than L2; therefore, a high-intensity focal pointwas obtained.

The plasmonic microtransducer configuration discussed wasable to confine the incident diffraction-limited light in two di-mensions (i.e., x and y directions); however, along the thicknessdimension (z direction), confinement was lacking due to theevanescent decay of surface plasmons in the low-index dielectriclayer. In order to obtain confinement along the thicknessdimension, a Au–dielectric–Au configuration could be used,where the wavelength of the SPP for this configuration couldbe defined by Eq. (2). Although Eq. (2) generally providedthe wavelength of SPP that propagated at the Au–dielectricinterface of simpler configurations such as the Kretschmannconfiguration, it could also be used to explain SPPs at theAu–dielectric interface of a Au–dielectric–Au configuration.Equation (2) reads as

λSPP �2π

n1 ωc sin�θSPP�

, (2)

where θSPP is the resonance angle of SPPs, n1 is the refractiveindex of the high-index layer that was used to fulfill the phase-matching condition, ω is the operation frequency, and c is thespeed of light in vacuum. As seen in Eq. (2), SPPs had a smallerwavelength when n1 is increased at constant θSPP. The samerelation holds in Fig. 5 where SPP wavelengths of λSPP �83 nm (θSPP � 50.2 deg.), 62.5 nm (θSPP � 52.4 deg.),50 nm (θSPP � 53.1 deg.), and 39 nm (θSPP � 54.5 deg.)were obtained for n1 � 1.7, 2.1, 2.2, and 2.4, respectively.

Fig. 4. Electric field intensity distribution of (a) SNOM experi-ments, (b) FEM simulations, and (c) three-dimensional SNOM imageof the electric field intensity distribution.

Fig. 5. Dispersion relations of the plasmonic microtransducerwith an Au–insulator–Au multilayer for (a) n0 � 2 and n1 � 1.7,(b) n0 � 2.6 and n1 � 2.1, (c) n0 � 2.8 and n1 � 2.2, and(d) n0 � 3.2 and n1 � 2.4. Dispersion relation for the metal–air in-terface and the light line in air is also given. The thickness of gold isselected as tAu � 50 nm.

2210 Vol. 43, No. 9 / 1 May 2018 / Optics Letters Letter







λSPP �2π


, (2)











λSPP �2π


, (2)






Electric field intensity distributions IE(x,y,z−50 nm)I2 for n1= 1.7, 2.1, 2.2, and 2.4 are presented in Fig. 6. As seen, when the SPP wavelength was decreased, op-tical spots of 163 nm × 105 nm, 144 nm × 90 nm, 121 nm × 79 nm, and 112 nm × 72 nm are obtained, which correspond to λ ∕ 3.8 × λ ∕ 6, λ ∕ 4.4×, λ ∕ 7, λ ∕ 5.2 × λ ∕ 8, and λ ∕ 5.6 × λ ∕ 8.8, respectively. As shown in Fig. 7(b), even smaller optical spots could be obtained as 106 nm × 65 nm, which correspond to λ ∕ 6 and λ ∕ 9.7, respectively. Thus, the plasmonic mirror enabled tighter confinement of the optical fields beyond a quarter of the wavelength through plasmon resonances [1–4]. For sufficiently thin dielectric lay-ers, surface plasmons propagating along the Au–di-electric interfaces were coupled and formed a hybrid plasmon mode. This hybrid mode was strongly con-fined within the dielectric. As demonstrated in Figs. 7(c) and 7(d), the electric field was confined in a 10 nm-thick core. In conclusion, a parabolic plasmonic microtransducer with different multilayer configura-tions was demonstrated that was able produce op-tical spots beyond the diffraction limit. Optical spot dimensions were reduced by varying the numerical aperture and refractive index. A Au–dielectric–Au configuration enabled a significant reduction in the optical spot size, resulting in generation of spot sizes of 106 nm × 65 nm × 10 nm. FEM

simulations and SNOM experiments showed very good agreement. SNOM experiments were not per-formed with the Au–dielectric–Au configuration due to the electric field confined between Au layers; how-ever, the agreement of the SNOM experiments and FEM simulations showed the validation of the con-cept and could be applied to similar structures. Easy integration of this microtransducer into photonic sys-tems would be possible due to its planar geometry and lack of nanoscale features, and could be used in superresolution imaging, extremely sensitive optical detection, and heat-assisted magnetic recording.

Funding. TUBITAK (109T670).

REFERENCES

1. T. Rausch, C. Mihalcea, K. Pelhos, D. Karns, K. Mountfield, Y. A. Kubota, X. Wu, G. Ju, W. A. Chal-lener, and C. Peng, Jpn. J. Appl. Phys. 45, 1314 (2006).

2. C. Peng, C. Mihalcea, K. Pelhos, and W. A. Chal-lener, Appl. Opt. 45, 1785 (2006).

3. W. A. Challener, C. Mihalcea, C. Peng, and K. Pel-hos, Opt. Express 13, 7189 (2005).

4. W. A. Challener, C. Peng, A. V. Itagi, D. Karns, W. Peng, Y. Peng, X. Yang, X. Zhu, N. J. Gokemeijer, Y. T. Hsia, G. Ju, R. E. Rottmayer, M. A. Seigler, and E. C. Gage, Nat. Photonics 3, 220 (2009).

5. L. Du, D. Y. Lei, G. Yuan, H. Fang, X. Zhang, Q. Wang, D. Tang, C. Min, S. A. Maier, and X. Yuan, Sci. Rep. 3, 3064 (2013).

6. T. Zentgraf, Y. Liu, M. H. Mikkelsen, J. Valentine, and X. Zhang, Nat. Nanotechnol. 6, 151 (2011).

7. C. Zhao, Y. Liu, Y. Zhao, N. Fang, and T. J. Huang, Nat. Commun. 4, 2305 (2013).

8. Y. Bian and Q. Gong, Laser Photon. Rev. 8, 549 (2014).

9. H. Kim, J. Hahn, and B. Lee, Opt. Express 16, 3049 (2008).

10. K. Lee, S.-Y. Lee, J. Jung, and B. Lee, Opt. Ex-press 5, 5800 (2007).

11. E. Verhagen, A. Polman, and L. K. Kuipers, Nano Lett. 16, 45 (2008).

12. M. I. Stockman, Phys. Rev. Lett. 106, 019901 (2011).

13. H. Choo, M.-K. Kim, M. Staffaroni, T. J. Seok, J. Bokor, S. Cabrini, P. J. Schuck, M. C. Wu, and E. Yablonovitch, Nat. Photonics 6, 838 (2012).

14. E. Verhagen, L. K. Kuipers, and A. Polman, Nano Lett. 10, 3665 (2010).

15. C. Lemke, C. Schneider, T. Leissner, D. Bayer, J. W. Radke, A. Fischer, P. Melchior, A. B. Evlyukhin, B. N. Chichkov, C. Reinhardt, M. Bauer, and M. Ae-schlimann, Nano Lett. 13, 1053 (2013).

16. I. P. Radko, S. I. Bozhevolnyi, A. B. Evlyukhin, and A. Boltasseva, Opt. Express 15, 6576 (2007).

Electric field intensity distributions jE�x,y,z � −50 nm�j2 forn1 � 1.7, 2.1, 2.2, and 2.4 are presented in Fig. 6. As seen,when the SPP wavelength was decreased, optical spotsof 163 nm × 105 nm, 144 nm × 90 nm, 121 nm × 79 nm,and 112 nm × 72 nm are obtained, which correspond toλ∕3.8 × λ∕6, λ∕4.4×, λ∕7, λ∕5.2 × λ∕8, and λ∕5.6 × λ∕8.8, re-spectively. As shown in Fig. 7(b), even smaller optical spotscould be obtained as 106 nm × 65 nm, which correspond toλ∕6 and λ∕9.7, respectively. Thus, the plasmonic mirror en-abled tighter confinement of the optical fields beyond a quarterof the wavelength through plasmon resonances [1–4]. For suf-ficiently thin dielectric layers, surface plasmons propagatingalong the Au–dielectric interfaces were coupled and formeda hybrid plasmon mode. This hybrid mode was strongly con-fined within the dielectric. As demonstrated in Figs. 7(c) and7(d), the electric field was confined in a 10 nm-thick core.

In conclusion, a parabolic plasmonic microtransducer withdifferent multilayer configurations was demonstrated that wasable produce optical spots beyond the diffraction limit. Opticalspot dimensions were reduced by varying the numerical aper-ture and refractive index. A Au–dielectric–Au configurationenabled a significant reduction in the optical spot size, resultingin generation of spot sizes of 106 nm × 65 nm × 10 nm. FEM

simulations and SNOM experiments showed very good agree-ment. SNOM experiments were not performed with theAu–dielectric–Au configuration due to the electric field con-fined between Au layers; however, the agreement of the SNOMexperiments and FEM simulations showed the validation ofthe concept and could be applied to similar structures. Easyintegration of this microtransducer into photonic systemswould be possible due to its planar geometry and lack ofnanoscale features, and could be used in superresolution imag-ing, extremely sensitive optical detection, and heat-assistedmagnetic recording.


REFERENCES

1. T. Rausch, C. Mihalcea, K. Pelhos, D. Karns, K. Mountfield, Y. A.Kubota, X. Wu, G. Ju, W. A. Challener, and C. Peng, Jpn. J. Appl.Phys. 45, 1314 (2006).

2. C. Peng, C. Mihalcea, K. Pelhos, and W. A. Challener, Appl. Opt. 45,1785 (2006).

3. W. A. Challener, C. Mihalcea, C. Peng, and K. Pelhos, Opt. Express13, 7189 (2005).

4. W. A. Challener, C. Peng, A. V. Itagi, D. Karns, W. Peng, Y. Peng,X. Yang, X. Zhu, N. J. Gokemeijer, Y. T. Hsia, G. Ju, R. E.Rottmayer, M. A. Seigler, and E. C. Gage, Nat. Photonics 3, 220(2009).

5. L. Du, D. Y. Lei, G. Yuan, H. Fang, X. Zhang, Q. Wang, D. Tang, C.Min, S. A. Maier, and X. Yuan, Sci. Rep. 3, 3064 (2013).

6. T. Zentgraf, Y. Liu, M. H. Mikkelsen, J. Valentine, and X. Zhang, Nat.Nanotechnol. 6, 151 (2011).

7. C. Zhao, Y. Liu, Y. Zhao, N. Fang, and T. J. Huang, Nat. Commun. 4,2305 (2013).

8. Y. Bian and Q. Gong, Laser Photon. Rev. 8, 549 (2014).9. H. Kim, J. Hahn, and B. Lee, Opt. Express 16, 3049 (2008).10. K. Lee, S.-Y. Lee, J. Jung, and B. Lee, Opt. Express 5, 5800

(2007).11. E. Verhagen, A. Polman, and L. K. Kuipers, Nano Lett. 16, 45

(2008).12. M. I. Stockman, Phys. Rev. Lett. 106, 019901 (2011).13. H. Choo, M.-K. Kim, M. Staffaroni, T. J. Seok, J. Bokor, S. Cabrini,

P. J. Schuck, M. C. Wu, and E. Yablonovitch, Nat. Photonics 6,838 (2012).

14. E. Verhagen, L. K. Kuipers, and A. Polman, Nano Lett. 10, 3665(2010).

15. C. Lemke, C. Schneider, T. Leissner, D. Bayer, J. W. Radke, A.Fischer, P. Melchior, A. B. Evlyukhin, B. N. Chichkov, C.Reinhardt, M. Bauer, and M. Aeschlimann, Nano Lett. 13, 1053(2013).

16. I. P. Radko, S. I. Bozhevolnyi, A. B. Evlyukhin, and A. Boltasseva,Opt. Express 15, 6576 (2007).

17. A. B. Evlyukhin, S. I. Bozhevolnyi, A. L. Stepanov, R. Kiyan,C. R. S. Passinger, and B. N. Chichkov, Opt. Express 15, 16667(2007).

18. F. M. Huang and N. I. Zheludev, Nano Lett. 9, 1249 (2009).19. A. Yanai and U. Levy, Opt. Express 17, 924 (2008).20. H. Kim and B. Lee, Opt. Express 16, 8969 (2008).21. Z. Liu, J. M. Steele, W. Srituravanich, Y. Pikus, C. Sun, and X. Zhang,

Nano Lett. 5, 1726 (2005).22. J. Liu, Y. Gao, L. Ran, K. Guo, Z. Lu, and S. Liu, Appl. Phys. Lett. 106,

013116 (2015).23. G. M. Lerman, A. Yanai, and U. Levy, Nano Lett. 9, 2139 (2009).24. L. Yin, V. K. Vlasko-Vlasov, J. Pearson, J. M. Hiller, J. Hua, U. Welp,

D. E. Brown, and C. W. Kimball, Nano Lett. 5, 1399 (2005).25. W. Chen, R. L. Nelson, and Q. Zhan, Opt. Lett. 37, 581 (2012).26. D. K. Gramotnev, D. F. P. Pile, M. W. Vogel, and X. Zhang, Phys. Rev.

B 75, 035431 (2007).27. E. Palik, Handbook of Optical Constants of Solids (Academic, 1998).

Fig. 6. Magnified view of the electric field intensity distributionsjE�x,y,z � −50 nm�j2 of the Au–dielectric–Au configuration for(a) n1 � 1.7 (λSPP � 83 nm), (b) n1 � 2.1 (λSPP � 62.5 nm),(c) n1 � 2.2 (λSPP � 50 nm), and (d) n1 � 2.4 (λSPP � 39 nm).

Fig. 7. Plasmonic microtransducer having a Au–dielectric–Aumultilayer. (a) Schematic representation, (b) jE�x,y,z � 0�j2,(c) jE�x � 0,y,z�j2, and (d) jE�x,y � 0,z�j2. Refractive index ofthe dielectric is selected as 1.2.


Electric field intensity distributions jE�x,y,z � −50 nm�j2 forn1 � 1.7, 2.1, 2.2, and 2.4 are presented in Fig. 6. As seen,when the SPP wavelength was decreased, optical spotsof 163 nm × 105 nm, 144 nm × 90 nm, 121 nm × 79 nm,and 112 nm × 72 nm are obtained, which correspond toλ∕3.8 × λ∕6, λ∕4.4×, λ∕7, λ∕5.2 × λ∕8, and λ∕5.6 × λ∕8.8, re-spectively. As shown in Fig. 7(b), even smaller optical spotscould be obtained as 106 nm × 65 nm, which correspond toλ∕6 and λ∕9.7, respectively. Thus, the plasmonic mirror en-abled tighter confinement of the optical fields beyond a quarterof the wavelength through plasmon resonances [1–4]. For suf-ficiently thin dielectric layers, surface plasmons propagatingalong the Au–dielectric interfaces were coupled and formeda hybrid plasmon mode. This hybrid mode was strongly con-fined within the dielectric. As demonstrated in Figs. 7(c) and7(d), the electric field was confined in a 10 nm-thick core.

In conclusion, a parabolic plasmonic microtransducer withdifferent multilayer configurations was demonstrated that wasable produce optical spots beyond the diffraction limit. Opticalspot dimensions were reduced by varying the numerical aper-ture and refractive index. A Au–dielectric–Au configurationenabled a significant reduction in the optical spot size, resultingin generation of spot sizes of 106 nm × 65 nm × 10 nm. FEM

simulations and SNOM experiments showed very good agree-ment. SNOM experiments were not performed with theAu–dielectric–Au configuration due to the electric field con-fined between Au layers; however, the agreement of the SNOMexperiments and FEM simulations showed the validation ofthe concept and could be applied to similar structures. Easyintegration of this microtransducer into photonic systemswould be possible due to its planar geometry and lack ofnanoscale features, and could be used in superresolution imag-ing, extremely sensitive optical detection, and heat-assistedmagnetic recording.


REFERENCES

1. T. Rausch, C. Mihalcea, K. Pelhos, D. Karns, K. Mountfield, Y. A.Kubota, X. Wu, G. Ju, W. A. Challener, and C. Peng, Jpn. J. Appl.Phys. 45, 1314 (2006).

2. C. Peng, C. Mihalcea, K. Pelhos, and W. A. Challener, Appl. Opt. 45,1785 (2006).

3. W. A. Challener, C. Mihalcea, C. Peng, and K. Pelhos, Opt. Express13, 7189 (2005).

4. W. A. Challener, C. Peng, A. V. Itagi, D. Karns, W. Peng, Y. Peng,X. Yang, X. Zhu, N. J. Gokemeijer, Y. T. Hsia, G. Ju, R. E.Rottmayer, M. A. Seigler, and E. C. Gage, Nat. Photonics 3, 220(2009).

5. L. Du, D. Y. Lei, G. Yuan, H. Fang, X. Zhang, Q. Wang, D. Tang, C.Min, S. A. Maier, and X. Yuan, Sci. Rep. 3, 3064 (2013).

6. T. Zentgraf, Y. Liu, M. H. Mikkelsen, J. Valentine, and X. Zhang, Nat.Nanotechnol. 6, 151 (2011).

7. C. Zhao, Y. Liu, Y. Zhao, N. Fang, and T. J. Huang, Nat. Commun. 4,2305 (2013).

8. Y. Bian and Q. Gong, Laser Photon. Rev. 8, 549 (2014).9. H. Kim, J. Hahn, and B. Lee, Opt. Express 16, 3049 (2008).10. K. Lee, S.-Y. Lee, J. Jung, and B. Lee, Opt. Express 5, 5800

(2007).11. E. Verhagen, A. Polman, and L. K. Kuipers, Nano Lett. 16, 45

(2008).12. M. I. Stockman, Phys. Rev. Lett. 106, 019901 (2011).13. H. Choo, M.-K. Kim, M. Staffaroni, T. J. Seok, J. Bokor, S. Cabrini,

P. J. Schuck, M. C. Wu, and E. Yablonovitch, Nat. Photonics 6,838 (2012).

14. E. Verhagen, L. K. Kuipers, and A. Polman, Nano Lett. 10, 3665(2010).

15. C. Lemke, C. Schneider, T. Leissner, D. Bayer, J. W. Radke, A.Fischer, P. Melchior, A. B. Evlyukhin, B. N. Chichkov, C.Reinhardt, M. Bauer, and M. Aeschlimann, Nano Lett. 13, 1053(2013).

16. I. P. Radko, S. I. Bozhevolnyi, A. B. Evlyukhin, and A. Boltasseva,Opt. Express 15, 6576 (2007).

17. A. B. Evlyukhin, S. I. Bozhevolnyi, A. L. Stepanov, R. Kiyan,C. R. S. Passinger, and B. N. Chichkov, Opt. Express 15, 16667(2007).

18. F. M. Huang and N. I. Zheludev, Nano Lett. 9, 1249 (2009).19. A. Yanai and U. Levy, Opt. Express 17, 924 (2008).20. H. Kim and B. Lee, Opt. Express 16, 8969 (2008).21. Z. Liu, J. M. Steele, W. Srituravanich, Y. Pikus, C. Sun, and X. Zhang,

Nano Lett. 5, 1726 (2005).22. J. Liu, Y. Gao, L. Ran, K. Guo, Z. Lu, and S. Liu, Appl. Phys. Lett. 106,

013116 (2015).23. G. M. Lerman, A. Yanai, and U. Levy, Nano Lett. 9, 2139 (2009).24. L. Yin, V. K. Vlasko-Vlasov, J. Pearson, J. M. Hiller, J. Hua, U. Welp,

D. E. Brown, and C. W. Kimball, Nano Lett. 5, 1399 (2005).25. W. Chen, R. L. Nelson, and Q. Zhan, Opt. Lett. 37, 581 (2012).26. D. K. Gramotnev, D. F. P. Pile, M. W. Vogel, and X. Zhang, Phys. Rev.

B 75, 035431 (2007).27. E. Palik, Handbook of Optical Constants of Solids (Academic, 1998).

Fig. 6. Magnified view of the electric field intensity distributionsjE�x,y,z � −50 nm�j2 of the Au–dielectric–Au configuration for(a) n1 � 1.7 (λSPP � 83 nm), (b) n1 � 2.1 (λSPP � 62.5 nm),(c) n1 � 2.2 (λSPP � 50 nm), and (d) n1 � 2.4 (λSPP � 39 nm).

Fig. 7. Plasmonic microtransducer having a Au–dielectric–Aumultilayer. (a) Schematic representation, (b) jE�x,y,z � 0�j2,(c) jE�x � 0,y,z�j2, and (d) jE�x,y � 0,z�j2. Refractive index ofthe dielectric is selected as 1.2.


Fig. 6. Magnified view of the electric field intensity distributions I(Ex,y,z−50 nm)I2 of the Au–dielectric–Au configuration for (a) n1

=1.7 (λSPP=83 nm), (b) n1 2.1 (λSPP=62.5 nm), (c) n1=2.2 (λSPP

50 nm), and (d) n1=2.4 (λSPP=39 nm).

Fig. 7. Plasmonic microtransducer having a Au–dielectric–Au multilayer. (a) Schematic representation, (b) IE(x,y,z=0)I2, (c) IE(x=0,y,z)I2, and (d) IE(x,y=0,z)I2. Refractive index of the dielectric is selected as 1.2.

17. A. B. Evlyukhin, S. I. Bozhevolnyi, A. L. Stepanov, R. Kiyan,

C. R. S. Passinger, and B. N. Chichkov, Opt. Express 15, 16667 (2007).

18. F. M. Huang and N. I. Zheludev, Nano Lett. 9, 1249 (2009).

19. A. Yanai and U. Levy, Opt. Express 17, 924 (2008).20. H. Kim and B. Lee, Opt. Express 16, 8969 (2008).21. Z. Liu, J. M. Steele, W. Srituravanich, Y. Pikus, C.

Sun, and X. Zhang, Nano Lett. 5, 1726 (2005).22. J. Liu, Y. Gao, L. Ran, K. Guo, Z. Lu, and S. Liu,

Appl. Phys. Lett. 106, 013116 (2015).23. G. M. Lerman, A. Yanai, and U. Levy, Nano Lett.

9, 2139 (2009).24. L. Yin, V. K. Vlasko-Vlasov, J. Pearson, J. M. Hiller,

J. Hua, U. Welp, D. E. Brown, and C. W. Kimball, Nano Lett. 5, 1399 (2005).

25. W. Chen, R. L. Nelson, and Q. Zhan, Opt. Lett. 37, 581 (2012).

26. D. K. Gramotnev, D. F. P. Pile, M. W. Vogel, and X. Zhang, Phys. Rev. B 75, 035431 (2007).

27. E. Palik, Handbook of Optical Constants of Solids (Academic, 1998).


www.figes.com.tr 48

Documents

ISSN: 2147 - 9517 ARGE DERGİSİDeğiştiricisi’nin analiz ve tasarımı sorumluluğunu yüklenmiştir. Projenin lokomotifi, Fransa’nın TÜBİTAK karşılığı olan CNRS kuruluşudur