Sol-gel prosesi yaş bir çalışma yöntemi olup malzeme bilimi, seramik mühendisliği alanlarında ve ileri nükleer yakıt çevrimlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Katı ve sıvı fazları bünyesinde barındıran sol bir süspansiyon yapısındadır. Şekilsiz parçacıklardan farklı polimer ağ yapılarını içinde barındırır. Bu yapılar tekli bileşenlerde komplekslik arz ederlerken çoklu bileşen sol-gel sistemleri oldukça karmaşık ağ yapılarına sahiptirler. Sulu ve katı fazlar koloidal halde dengede bulunurlar. Bu dengeler birçok fiziko-kimyasal parametreye (sıcaklık, pH, basınç, ağ yapılarının boyutu, viskozite vb.) bağlıdır. Sol-gel prosesi ile toryum, uranyum, plütonyum, minör aktinitler ve zirkonyumun oksit, karbür ve nitrürlerinin ve bunların karışımlarının üretimi yapılabilmektedir. Özellikle kompleks yapılarda homojenitenin sağlanması, konvansiyonel toz metalürjisi yöntemleriyle zorluklar arz etmektedir. Homojen yapının sağlanamaması nükleer reaktörlerde homojen olmayan güç dağılımları ve bu durumda reaktör güvenliğini olumsuz yönde etkiler. Ayrıca homojen yapıda olmayan yakıtın yapısal bütünlüğünün korunabilmesi de mümkün değildir. Bu nedenlerle de sol-gel prosesi nükleer yakıt yapımında ayrıca tercih edilmektedir [73].
Bu prosesler tozsuz (dust-free) proseslerdir ve uzaktan kumanda edebilme kolaylığına sahiptir. Sol-gel prosesi ile hazırlanan bu mikrokürecikler hem küresel (sphere-pac) yakıt olarak hem de pelet olarak kullanılabilir. Sol-gel ile üretilebilen bu tip yakıtlar gaz soğutmalı yüksek sıcaklık reaktörlerinde ve hızlı reaktörlerde de kullanılabilmektedir.
Yeryüzündeki fosil enerji kaynaklarının hızlı bir şekilde tüketildiği mevcut bir durum iken nükleer enerjinin bütün potansiyeli ile birlikte geliştirilmesine ihtiyaç vardır. Nükleer enerji enerjinin en temiz formlarından biridir. Herhangi bir sera gazı üretmemektedir ve çevreye herhangi bir artık bırakmamaktadır. Şu anda kullanılan nükleer reaktörlerin hepsi nükleer fisyon esasına göre çalışmaktadır. Bu reaktörler çok geniş çaplıdır ve 1600 MW’a kadar elektrik üretimi sağlayabilmektedirler. Bugün 434 nükleer reaktör üretimini sürdürmektedir ve dünyanın toplam elektrik üretiminin %11’ine tekabül eden 375 GW elektrik üretmektedir. Fransa ve Belçika
gibi bazı ülkeler elektrik üretiminin %70’ini nükleer enerji kaynaklarından sağlamaktadırlar. Fisyon reaktörüyle üretilen nükleer enerjini tümü reaktördeki nükleer yakıtın içinde üretilir ve elektrik üretiminin gerçekleşebilmesi için uygun bir soğutucu ile gaz formuna taşınır. Bilinir ki, ısının elektriğe dönüşündeki verimlilik soğutucunun çıkış sıcaklığına bağlıdır. Dolayısıyla bu reaktörlerde kullanılan nükleer yakıtların reaktör içinde mevcut bulunan çok yüksek derecedeki sıcaklıklara ve radyasyona dayanıklı dirençli olması gerekmektedir. Ancak bu reaktörlerde kullanılan yakıtların seramik malzeme olmasından dolayı bu tip atmosferlere dayanıklıdırlar, fakat metaller ve eriyik tuzlar da aynı reaktörlerde yakıt olarak kullanılabilmektedir [74].
Seramik malzemeler çok eski çağlardan beri bilinmektedirler. Topraktan yapılan çömlek ve Çin yapımı sofistike çanak çömlekler ilk ürünlerdendir. Genel olarak seramik malzemeler yüksek sıcaklıklarda fiziksel özelliklerinde geniş çaplı bir değişim olmadan kimyasal kararlılık gösterebilen malzemelerdir. Bu tip özellikler seramik malzemeleri nükleer yakıt malzemesi olarak kullanılması için cazibeli kılar. Uranyum, toryum ve plütonyumun oksit, karbür, nitrat ve silisitleri değişik nükleer reaktörlerde nükleer yakıt olarak kullanılabilmektedir.
Nükleer güç reaktörlerinin birçoğu metal bir çubuk içerisine yığılmış peletlerden oluşan yakıtı kullanmaktadır. Doğal olarak veya az zenginleştirilmiş UO2 peletleri bütün dünyadaki ticari nükleer güç reaktörlerinde kullanılmaktadır ve pelet üretimi ise toz metalürjik proseslerle yürütülmektedir. Bazı termal reaktörlerde ve bazı hızlı reaktörlerde ise MOX (mixed oxide) denilen plütonyum uranyum karışımı yakıtlar kullanılmaktadır. Uranyumun yanında toryum ve plütonyumun kullanılması uzun periyotlarda nükleer yakıt sürdürülebilirliğini sağlayacaktır. Plütonyumun bazı izotopları çok yüksek gama ve nötron dozlarına sahiptir. Toryum reaktöründen gelen
233U izotopu yüksek gama dozu veren 232U izotopunu da sürekli olarak içermektedir. Bu sebeple yakıt üretim faaliyetleri esnasında gerçekleşen bütün operasyon alfa ve gama kalkanlı sıcak hücre (hotcell) içerisinde uzaktan kumanda ile kontrol edilmesi gerekmektedir [74]. Toz esaslı yöntemler çok fazla sayıda mekanik işlem adımı içerdiğinden dolayı uzaktan kumanda ile kontrolü zordur. Üretilen yakıt peletleri, özellikle hızlı reaktörler için olan daha küçük peletler, yüzey hataları ve boyutsal
toleranslar gibi sıkı kalite kontrolünden geçirilmek zorundadır. Hızlı reaktörler için üretilmiş bir milyondan daha fazla peleti uzaktan kumanda ile sıkı bir kontrolden geçirmek çok zordur ve defolu ürün çıkmasına ve dataların sağlıklı çıkmamasına sebep olabilir. Çözelti esaslı yakıt üretim faaliyetleri, tozu el ile kumanda etmeyi azaltmaktadır ve bu yöndeki problemlere çözüm sunmaktadır.
Çözelti esaslı fabrikasyon metodunun gelişimi 60’lı yıllara kadar dayanmaktadır. İlk olarak yüksek sıcaklıklı gaz soğutmalı reaktörlerde kullanılması için Th-233U oksit esaslı kaplanmış yakıt üretimi gerçekleştirilmiştir. Daha sonradan yakıt malzemesi küresel çekirdeğinin üzerine karbon esaslı bir kaplama yapılmıştır. Daha sonra bu prosesler hızlı reaktör yakıtlarının fabrikasyonu için geliştirilmiştir. Seramik nükleer yakıtlar için sol-gel prosesinin ismi çözelti/çözelti esaslı yöntemler için genelleştirilmiştir. Sol-gel prosesi kolloidal çözelti (solüsyon) damlacığının uygun işlemlerle jelleştirilmesine dayanan bir prosestir. Bu jel mikrokürecikleri bazı proseslerden sonra sinterleme ile yüksek yoğunluklu mikroküreciklere dönüşürler ve sphere-pac yakıt tipinde kullanılırlar. Alternatif olarak yumuşak mikrokürecikler haline dönüştürülerek uygun şekilde preslenip ve sinterlenip yüksek yoğunluklu pelet olarak da kullanılabilirler.
Küresel (sphere-pac) yakıtlar uzaktan kumanda edebilme açısından yakıt fabrikasyon proseslerinin daha kolay ve daha yatkın olabilmesi için alternatif bir yakıt türüdür [75]. Sphere-pac yakıtta küresel bir partikül veya mikrokürecik, metal bir kaplamanın içine sıkıştırılmaktadır. Bu sıkıştırma işlemi titreşim ile olmaktadır. Bu yöntem ticari yakıt fabrikasyonunda endüstriyel olarak henüz uygulanmamasına rağmen, son yıllarda, transmutasyon reaktörleri için ideal bir yapıda olduğu düşünüldüğünden bu proses için yeniden bir ilgi duyulmaktadır. Transmutasyon reaktörleri, hem nükleer silahlardan gelen plütonyum stokunun azaltılmasında hem de yüksek seviyeli nükleer atıklardan meydana gelen amerikyum, küriyum ve neptünyum gibi minör aktinitlerin transmutasyonunu hedeflemektedir. Amerikyumun alfa bozunmasından açığa çıkan çok miktardaki helyum gazı göz önünde bulundurulduğunda helyum gazını hapsedebilecek sphere-pac tipi yakıt dizaynı pelet yerine tercih edilebilir. Dahası küriyumun bozunmasından meydana gelen yüksek miktardaki ısı ve yüksek seviyeli gama ve nötron dozları minör aktinit
fabrikasyonunu gerektirmektedir. Çözelti esaslı fabrikasyon metotları ile üretilmiş sphere-pac yakıt dizaynları bu tip yakıtlar için idealdir [76].
Nükleer teknolojide sol-gel prosesinin en önemli kullanım alanları;
- Hızlı reaktörler için plütonyum yakıt fabrikasyonu - Minör aktinitlerin dönüştürülmesi için gerekli yakıtlar - Yüksek sıcaklıklı gaz soğutmalı reaktörler için yakıtlar
- Nükleer silahlardan ortaya çıkan plütonyumun elimine edilmesidir [77].
Hem yüksek sıcaklıklı reaktörler için hem de diğer toryum esaslı reaktörler için bir diğer önemli kullanım alanı ise 233U içeren yakıtlarıdır. Toryumun ışınlanmasıyla meydana çıkan 233U izotopu sürekli olarak 232U ile kontamine olmaktadır. Uranyumun bu hafif yan ürünü kısa ömürlüdür ve onunla ilişkili ürünler yüksek oranda γ radyasyonu yaymaktadır. Dolayısıyla 233U içeren yakıtlar uzaktan kumanda ile fabrikasyon gerektirmektedir ve bu da sol-gel prosesine dayalı yaklaşımların kullanılmasıyla olabilmektedir.