Nükleer Parçalanma (Fisyon) ve Kaynaşma (Füzyon)
Alman fizikçiler O. Hahn ve F. Strassmann, 1938 yılına doğru, uranyum çekirdeği gibi bazı iri atom çekirdeklerinin bir nötron soğurduktan sonra çok kararsız duruma geldiğini gözlemlediler. Söz konusu atom çekirdekleri belli miktarda enerji yayarak eşit olmayan parçalara bölünüyor ve bu enerjinin etkisiyle büyük bir hızla bu parçaları fırlatıyordu. Bu olaya nükleer parçalanma (fisyon) adı verildi. Bir atom çekirdeğinde protonlarla nötronlar birleşerek bir bütün oluşturur; bunların bağ enerjileri büyüdükçe, bütünün kararlılığı yükselir. Bağ enerjisi, çekirdeğin kütlesinin, içerdiği protonlarla nötronların bireysel küdelerinin toplamından daha küçük olmasından kaynaklanır. Çok büyük veya çok küçük çekirdeklerin nükleon başına bağ enerjileri, ortalama boydaki atomların, mesela demir atomlarının bağ enerjilerinden daha düşüktür. Parçalanma, çok iri bir çekirdeğin daha küçük parçalar halinde kırılması demektir. Bu parçalar da atom çekirdekleridir ve çoğu ilk çekirdekten daha kararlıdır. Benzer çekirdekler değişik parçalar vererek kırılabilir, ama pek çok durumda parçalanma, ayrıca belli sayıda nötron da üretir. Bu nötronlar da bir atoma girerek yeni bir parçalanmaya yol açabilir. Bazı koşullarda parçalanmalar zincirleme tepkime'ler biçiminde denetlenebilir düzende (nükleer santrallar ve atom pilleri) birbirini izleyebilir veya denetim dışında oluşarak patlama etkisi gösterebilir (atom bombası denen nükleer silahlar).
Nükleer fisyon tepkimesi
Parçalanmanın tersine nükleer kaynaşma (füzyon), çok hafif iki çekirdeği birleştirerek daha ağır bir çekirdek oluşturmak ve bu şekilde açığa çıkan bağ enerjisini kullanmaktır. Elde edilen ağır çekirdek, başlangıçtaki çekirdeklerden daha kararlıdır. İlke olarak kaynaşma, doğada oldukça yaygın olan çekirdekleri kullanarak büyük bir enerji elde edebilir. Ama bu enerjinin açığa çıkarılması oldukça zordur. Gerçekte çekirdekler pozitif elektrik yükü taşır ve birbirine yaklaştırmaya çalıştığımızda çok şiddetli bir şekilde birbirini iter. Bunların kaynaşmasını sağlamak için bu itmeyi yenebilecek büyüklükte bir enerji vermek gerekir. Bu enerjinin, çekirdeklerin çarpışmasını sağlayacak boyutlara ulaşması gerekir. Gereken enerji 20-30 milyon derecelik bir sıcaklığa eşdeğerdir. Kaynaşma tepkimesine girecek maddeyi taşıyacak hiçbir katı malzeme bu sıcaklığa dayanamaz. Kaynaşma, patlayıcı madde biçiminde çok daha kolay elde edilebilir, bu amaca ulaşmak için bir atom bombasım patlatarak hafif atomları ısıtmak yeterlidir. Buna hidrojen bombası denir. Denetimli kaynaşmaysa, büyük çaba harcanmasına rağmen henüz elde edilememiştir.
Nükleer füzyon tepkimesi
Enerji ve Atom Çekirdekleri
Nükleer şantajlarda en yaygın yakıt, uranyum 235 (235U) çekirdeklerinden oluşur. Bu çekirdekte ortalama bağ enerjisi, nükleon başına 7,55 MeV’tur ve içine bir nötron girdiği zaman kendiliğinden daha küçük iki çekirdeğe bölünür. Daha küçük olan yeni çekirdekler için bağ enerjisi yaklaşık olarak nükleon başma 8,45 MeV’tur. Demek ki, böyle bir parçalanma nükleon başma 8,45 - 7,55 = 0,9 MeV’luk veya çekirdek başına 211,5 MeV’luk (235 kere daha fazla) bir enerji sağlar, bu değerse parçalanabilir maddenin gramı başına 7.1010 joule’Iuk bir enerjiye denktir. Bir karşılaştırma yapmak için bir gram kömürün yanması sonucunda 3,3.104 joule’luk bir enerji açığa çıktığım belirtelim. Nükleer santrallarm termodinamik veriminin zayıf olmasına rağmen (üretilen enerjinin üçte ikisinden fazlası kaybedilir), bilanço önemli ölçüde pozitiftir. Askeri alanda nükleer patlayıcılar, eşit kütleli klasik patlayıcılara göre 10 000 ila 100 000 kere daha büyük tahrip gücüne sahiptir. d + t -> ⁴He + n şeklinde gösterilen bir kaynaşma tepkimesi, bir tepkime (bir döteryum çekirdeğiyle bir trityum çekirdeği kaynaşarak bir helyum 4 çekirdeği ve bir nötron verir), yaklaşık olarak 17,6 MeV’luk bir enerji açığa çıkarır. Bu da gram başma 28.1010 joule’luk enerjiye eşdeğerdir. Gelecekte teknik açıdan başarıya ulaşılabilirse, enerji bilançosu elverişli olacağa benzemektedir. Çok yüksek görünen bu enerji verimiyle sakıncalar arasmda bir denge kurmak gerekir. Bu sakıncalar arasmda enerji kaynaklarının toplanması, radyoaktif kirlenme tehlikesi, denetimden çıkma tehlikesi, büyük teknik karmaşıklık vb sayılabilir.
Atom çekirdeklerindeki proton ve nötronlar, bağ enerjisi ile bir arada tutulur. Bu enerji, çekirdeğin kütlesinin, içerdiği nükleonların (proton + nötron) toplam kütlesinden daha az olmasından kaynaklanır (kütle eksikliği). Nükleon başına bağ enerjisi, demir (Fe-56) civarında en yüksektir. Hem çok ağır (örneğin uranyum), hem de çok hafif (örneğin hidrojen) çekirdeklerin bağ enerjisi daha düşüktür.
Bu durum iki yoldan enerji elde etmemize olanak tanır:
- Fisyon: Ağır çekirdeklerin parçalanması,
- Füzyon: Hafif çekirdeklerin birleşmesi.
Uranyum-235 gibi ağır çekirdekler nötron soğurduğunda bölünür.
Açığa çıkan enerji: ~211 MeV/çekirdek
Örnek: Nükleer santraller, atom bombası
Döteryum (²H) + Trityum (³H) → Helyum-4 + nötron
Açığa çıkan enerji: ~17,6 MeV/reaksiyon
Örnek: Güneş, hidrojen bombası
Nükleer Parçalanma (Fisyon)
Parçalanma tepkimesiyle enerji üretmek için, nötron arılarını hassas bir şekilde ayarlamak gerekir. Bu amaçla çeşitli reaktör tipleri kullanıldı. Ancak bazı çekirdekler parçalanma özelliği gösterir. Bunlar arasında, doğada düşük oranlarda bulunan uranyum 235 ve nükleer reaktörlerde üretilen plütonyum 240 sayılabilir. Bu elementler çekirdek yükünce itilmeyen bir nötronun çekirdek içine girmesi sonucu parçalanmaya uğrar. Bu tepkime sonucunda söz konusu çekirdekler, genellikle boyudan eşit olmayan daha küçük ila çekirdeğe bölünür. İşte bunlar, nükleer sandalların atıktandır ve hepsi de çok radyoaktiftir. Ayrıca, parçalanma başma ortalama 2,5 nötron açığa çıkar. Bu nötronlar, başka çekirdeklerce soğurulamayacak kadar hızlıdır. Bu yüzden hafif atomlardan oluşan bir yavaşlatıcı ile nötronların hızını kesmek gerekir. Yavaşlatıcının çekirdekleri ardışık darbelerle nötronlan, parçalanmayı sağlamak için daha etkili olan ısıl nötronlar haline getirir. Bir nükleer reaktörde parçalanabilir çekirdekleri değişmeyen bir nötron akışı içinde tutmak gerekir. Böylece her saniyede parçalanan çekirdeklerin sayısı değişmez ve elde edilen enerji akışı da düzenlidir. Nötron akışı artarsa enerjinin açığa çıkışı engellenemez ve Çernobil olayında olduğu gibi reaktör denetimden çıkar. Bu bakımdan nötron akışı nötron soğurucu cisimlerle (döteryum, karbon, bor...) denetim altına alınır. Üretilen ısıyı dışarı çekmek ve bunu buhar üretiminde kullanmak için bütün reaktör sistemi (az çok zenginleştirilmiş yakıt, yavaşlatıcı ve nötron soğurucuları) ısıtaşıyıcı bir sıvı içine daldırılır. Günümüzde hemen hemen terk edilen grafit-gaz tipi reaktörlerde yakıt olarak doğal uranyum, nötron soğurucusu olarak grafit, ısıtaşıyıcı olarak da karbon dioksit kullanılıyordu ve bunları bir arada çalıştırmak oldukça güç bir işlemdi. Basınçlı su kullanan reaktör tiplerinde (Pressurised Water Reactor, FWR) yakıt olarak uranyum 235 bakımından yüzde 3 oranında zenginleştirilen (doğal durumda yüzde 0,7) oksit biçiminde sıkıştırılmış uranyum, hem yavaşlatıcı ve ısıtaşıyıcı olarak basınçlı su, nötron soğurucu olarak da ayarlana- bilen grafit çubukları kullanılır.
Yavaşlatıcı kullanılmazsa, nötronlan çekirdekler daha güç soğurur. Bu durumda çok zenginleştirilmiş bir yakıt, uranyum 235 veya hemen hemen arı plütonyum kullanmak gerekir. Hızlı nötronlu reaktörlerde tercih edilen çözüm budur; bu reaktörlere, bol bulunan ama parçalanamayan uranyum 238'i parçalanabilen plütonyuma dönüştürebildiği için, üstüretken reaktörler de denir. Belirli bir zaman sonunda nükleer yakıt parçalanabilir çekirdekler bakımından fakirleşir, o zaman bunun yerine yeni yakıt koymak gerekir. Kullanılmış yakıt çok miktarda parçalanma ürünü içerir. Bunların çoğu radyoaktif ve tehlikelidir. Parçalanma ürünlerinden yarıömrü kısa olanlann bozunarakyok olmalarını sağlamak için yakıdar, belirli bir süre bekletilir. Daha sonra özel bir kimyasal işlemle (artişlem) yarıömürleri binlerce yüzyılı bulan uranyumötesi elementleri ayırmak mümkün olur. Bu radyoaktif atıklar, kararlı olduğu umulan özel jeolojik yörelerde depolanır. Kritik kütle denen miktarda çok derişik parçalanabilir madde tıkız bir kütle halinde birleştirilirse, nötronlar büyük bir hızla çoğalır ve maddenin tümü birkaç mikrosaniye içinde parçalanarak olağanüstü boyudarda enerji açığa çıkarır. Atom bombası işte budur. Böyle bir bombayı yapmak için, patlayıcı bir fünye yardımıyla kritik kütleli bir bütünün ayrı tutulan iki altkritik kütlesini patlayıcı bir fünyeyle çok kısa sürede birleştirmek gerekir.
Fisyon, uranyum-235 veya plütonyum-239 gibi belirli izotoplarda gerçekleşir. Bu çekirdekler, yavaş (ısıl) nötronlarla bombardıman edildiğinde bölünür. Her fisyon olayı sonucunda:
- 2–3 hızlı nötron açığa çıkar,
- İki radyoaktif fisyon ürünü oluşur,
- ~211 MeV enerji serbest kalır.
Bu nötronlar, diğer çekirdekleri parçalayarak zincirleme reaksiyon başlatır. Bu reaksiyon:
- Kontrollü ise → nükleer santral,
- Kontrolsüz ise → atom bombası.
Reaktörlerde Kontrol
Hızlı nötronlar fisyonu etkili şekilde sürdüremez. Bu nedenle yavaşlatıcılar (ağır su, grafit, basınçlı su) kullanılır. Nötron akışı ise bor veya kadmiyumdan yapılmış çubuklarla düzenlenir. Reaktör, her zaman eleştik kütlenin altında tutulmalıdır; aksi halde Çernobil tipi kazalar yaşanabilir.
Reaktör Türleri
- Basınçlı Su Reaktörü (PWR): En yaygın tür. Zenginleştirilmiş uranyum (3% U-235), basınçlı su hem yavaşlatıcı hem soğutucudur.
- Hızlı Nötron Reaktörü: Yavaşlatıcı kullanmaz. U-238’i Pu-239’a dönüştürerek üstüretken çalışır.
Radyoaktif Atıklar
Kullanılmış yakıt, yüksek düzeyde radyoaktiftir. Kısa ömürlü izotoplar birkaç yıl bekletilerek etkisiz hale getirilir. Uzun ömürlü atıklar ise jeolojik depolama ile izole edilir.
Nükleer Kaynaşma (Füzyon)
Daha ağır bir çekirdek vermek üzere kaynaşan iki hafif çekirdek enerji üretir. Ama bunu denetim altında oluşturmak zor bir iştir. Bu sonuca ulaşmak için iki çekirdeği, taşıdığı protonlann elektrik yükleri arasındaki itme kuvveti çekirdek çekim kuvvetinin altına düşecek ölçüde birbirine yaklaştırmak gerekir. Bu yöntemde çekirdeklere, yaklaşık 0,15 MeV dolayında olan coulomb itmesini yenebilecek bir kinetik enerji vermek için yeterli bir ısıl çalkalanma sağlamak gerekir. Bu enerjinin sıcaklık olarak karşılığı, 2 milyar derece dolayındadır. Gerçekte, tünel etkisi denen kuvantum olayı yüzünden gereken sıcaklık daha düşüktür. En yaygın olarak kullanılan döteryum-trityum karışımı için en azından 100 milyon dereceye ulaşmak gerekir. Böyle bir sıcaklıkta, doğal olarak, atomlar elektronlarını kaybeder, madde çekirdek ve elektronlardan oluşan bir plazma biçiminde ortaya çıkar. Buradaki sorun, oldukça sıcak ve yeterince yoğun bir plazmayı, çekirdek - çekirdek darbelerinin oluşmasına fırsat verecek kadar bir süre depolamaktır. Toplam enerji bilançosunun pozitif olabilmesi için iyon yoğunluğunun hapsolma süresiyle çarpımının belirli bir değerden yüksek olması gerekir, buna, Lawson ölçütü denir (1957’den beri uygulanıyor).
Hiçbir katı malzeme böyle bir olayda kap görevi yapamaz. Hidrojen bombasında kaynaşmaya elverişli gaz karışımı bir parçalanma bombası (atom bombası) patlatılarak ısıtılır, ama böyle bir yöntem, düzenli bir enerji debisi istendiğinde, hiçbir şekilde kullanılamaz. Yıldızlarda, karışımın yoğunlaşmasını ve ısınmasını sağlayan çekim kuvvetidir. Gelecekte, ucuz ve hemen hemen hiç bitmeyecek bir enerji kaynağı (yakıt olarak öngörülen döteryum deniz suyunda oldukça boldur) elde etme düşüncesi 40 yıldan beri çok sayıda araştırma programının yürütülmesine neden oldu. İyonları hapsetmek için iki yöntem kullanılmaktadır. Manyetik hapsetme'de iyonlar, elektrik sargılanyla oluşturulan bir manyetik alan içinde tutulur ve plazma indüklemeyle ısıtılır. En yaygın manyetik sistem "tokamak'tır". Plazma, bu sistemde simit biçiminde bir kap içinde tutulur (dairesel kesitli halka); bu kap içindeyse karmaşık bir manyetik alan egemendir. Plazma kararsızdır, ama aygıtın boyu arttıkça hapsetme süresi de artar ve bu da son tokamaklann neden büyük boyutta yapıldığını açıklar. Birçok araştırma ekibi hem gereken sıcaklığa hem de Lawson ölçütüne ulaşmıştır. Zorluk, her ikisini aynı anda elde etmekten kaynaklanır. Araştırıcılar yeni tokamak kuşağıyla bu amaca erişebileceklerini ummaktadırlar. Bir defa bu sonuç elde edildikten sonra, olayı kararlılaştırmayı öğrenmek ve ısı üretmek amacıyla hızlı nötronlar biçiminde elde edilen enerjiyi toplamak gerekecektir. Eylemsizlikle hapsetme’de döteryum-trityum kanşımı, ansızın sıkıştırılır ve ısıtılır. Bu amaçla yüklü parçacık demetleri veya (çoğunlukla) çok güçlü lazerler kullanılır. Bunlar, yakıt karışımından oluşan küçük bilyeler üzerine aynı anda birçok demeti, çok kısa flaşlar halinde (saniyenin milyarda birinden kısa sürede) ve çok yoğun (birçok terawatt, 1012 watt’lık bir güç) bir şekilde yöneltir. Böylece yakıt bilyeleri ansızın hem sıkıştırılır hem ısıtılır. Araştırmalar güçlü lazerler yapımı ve maddeyi sıkıştırma mekanizmalan üzerinde sürdürülmektedir. Bu çalışmalar aynı zamanda nükleer silahların yapımmda da kullanılabileceğinden, araştırmalar gizli tutulmakta ve elde edilen sonuçlar konusunda pek bilgi edinilememektedir. 1975 ile 1985 yıllan arasında elde edilen birkaç önemli başarıdan sonra eylemsizlikle hapsetmenin çok büyük zorluklarla karşılaştığı sanılmaktadır.
Füzyon, iki hafif çekirdeğin (örneğin döteryum ve trityum) birleşerek daha ağır bir çekirdek (helyum) oluşturmasıdır. Ancak çekirdekler pozitif yüklü olduğundan, birbirlerini şiddetle iter (Coulomb bariyeri). Bu itmeyi yenebilmek için:
- Çekirdeklerin hızı çok yüksek olmalı,
- Sıcaklık en az 100 milyon °C olmalı,
- Madde plazma haline gelir (elektronlar çekirdekten ayrılmıştır).
Lawson Ölçütü
Füzyonun net enerji üretmesi için, plazmanın yoğunluğu (n) ile hapsetme süresi (τ) çarpımının belirli bir değeri aşması gerekir:
n · τ > 10²⁰ s/m³ (D-T reaksiyonu için)
Bu kurala Lawson ölçütü denir.
Füzyon Yakıtları
En verimli reaksiyon: ²H + ³H → ⁴He + n + 17,6 MeV
Döteryum, deniz suyunda bol miktarda bulunur. Trityum ise lityumdan üretilebilir. Bu nedenle füzyon, potansiyel olarak sınırsız ve temiz bir enerji kaynağıdır.
Füzyonu Sağlama Yöntemleri
Plazma, güçlü manyetik alanlarla simit şeklinde (toroidal) tutulur.
ITER projesi (Fransa) bu yöntemin en büyük deneyidir.
Hedef: 2035'te net enerji üretmek.
Küçük yakıt bilyeleri, güçlü lazerlerle aniden sıkıştırılır.
NIF (ABD) 2022'de ilk kez net enerji kazancı elde etti.
Henüz sürekli üretim mümkün değil.
Hidrojen Bombası: Kontrolsüz Füzyon
Füzyonu başlatmak için gerekli sıcaklık, bir atom bombası patlatılarak sağlanır. Bu, kontrolsüz ve yıkıcı bir enerji salınımıdır.
Sonuç
Fisyon, günümüzde enerji üretiminde kullanılıyor olsa da radyoaktif atık ve güvenlik riskleri taşıyor. Füzyon ise temiz, güvenli ve neredeyse sınırsız enerji vaat ediyor, ancak teknik zorluklar nedeniyle henüz ticari olarak uygulanamıyor.
Her iki süreç de, Einstein’ın E = mc² denkleminin muazzam gücünü kanıtlıyor: Küçük bir kütle kaybı, devasa enerjiye dönüşebiliyor. İnsanlığın bu gücü barışçıl yollarla kullanabilme yeteneği, geleceğimizi belirleyecek en kritik becerilerden biridir.