Çekirdek bölünmesi (fisyon) ağır bir çekirdeğin ( kütle
numarası > 200) daha küçük kütleli ara ürün çekirdeklerine ve bir ya da
birden fazla nötrona bölünmesi işlemidir. Ağır çekirdekler oluşan ürünlerden
daha kararsızdır. Bu nedenle çekirdek bölünmesi sonucu büyük miktarda enerji
açığa çıkar.
Uranyum-235 çalışılan ilk çekirdek bölünmesi tepkimesidir.
Bu tepkimede uranyum-235 yavaş nötronlarla bombardıman edilir. Ve şekildeki
gibi bölünür. Fakat aslında bu tepkime çok karmaşıktır ve bölünme ürünleri
arasında 30 dan fazla farkı element bulunmuştur.
Çok sayıda ağır çekirdek bölünmesi olmasına karşın, pratik önemi
olan bölünmeler doğal uranyum-235
in ve yapay plütonyum-239 izotopunun bölünmesidir.
Uranyum-235 bölünme tepkimesinin önemi, sadece açığa çıkan
büyük miktardaki enerjiden kaynaklanmaz. Tepkimede başlangıçta yakalanandan daha
fazla nötron üretilir. Bölünmenin başlangıç basamağında oluşan nötronlar, diğer
uranyum çekirdeklerini bölebilirler. Bu da daha fazla nötron üretimi ve bu
şekilde tepkimelerin devam etmesi demektir. Böylelikle de çekirdek zincir tepkimesini meydana gelir. Bu tepkime birbirini
izleyen çekirdek bölünme tepkimelerinin kendiliğinden oluşması şeklinde yürür. Ve
nötronlar ortamda uzaklaştırılmadıkça da tepkimeler devam eder.
Fisyon tepkimeleri atom bombalarının yapımında ve nükleer
santrallerde enerji üretiminde kullanılır.
Atom Bombası
Çekirdek bölünmesinin ilk uygulaması atom bombası yapımıdır.
Patlama kontrolsüz çekirdek bölünmesi yolu ile sağlanır. Çekirdek tepkimesi zincirleme
ve çok hızlı bir şekilde gerçekleştiğinden ortaya devasa bir enerji çıkar ve
patlama beraberinde şok dalgası yaratır.
Bir zincirleme tepkimesinin meydana gelmesi için ortamda
nötronları yakalayabilecek miktarda uranyum-235 bulunmalıdır. Aksi halde
nötronlar örnekten uzaklaşır ve zincir tepkimesi meydana gelmez. Bu durumda
örneğin kütlesi "kritikaltı kütle" olarak adlandrılır. "Kritik kütle" ise zincirleme
reaksiyonu kendiliğinden devam ettirebilecek minimum bölünebilen madde miktarıdır.
Patlama tehlikesinden dolayı bir atom bombası asla kritik
kütlede çekirdeğin bir araya getirilmesi ile hazırlanmaz. Bunun yerine iki
kritikaltı U-235 kütlesi bombaya ayrı
ayrı yerleştirilir ve bunları bir araya getirip kritik kütleyi oluşturmak için TNT gibi bir patlayıcıdan yararlanılır. Cihazın merkezindeki bir
kaynaktan çıkan nötronlar çekirdek zincir tepkimesini başlatırlar.
6 Ağustos 1945 ‘te Japonya’nın Hiroşima kentine atılan
bomnada bölünebilen madde Uranyum-235 idi. Üç gün sonra Nagazaki üzerinde
patlatılan bombada ise plütonyum-239 kullanılmıştır. Bu iki olayda
gerçekleştrilen bölünme tepkimleri yıkımın boyutu açısından benzerdir.
Nükleer Reaktörler
Nükleer reaktör, zircirleme çekirdek tepkimesinin başlatılıp
denetimli bir biçimde sürdürüldüğü cihazlardır. Kontrollü zincir tepkimesinden
açığa çıkan ısıyı genellikle elektrik enerjisine çevirir.
Nükleer reaktörlerin birkaç farklı tipi vardır.
Hafif Su Reaktörleri
Dünyadaki nükleer reaktörlerin çoğu hafif su reaktörleridir.
Bölünme işleminde uranyum-235 in yavaş nötronlarla
bombardıman edilmesi hızlı nötronlarla bombandıman edilmesinden daha fazla
verim sağlar. Bu nedenle bilim insanları nötronların kinetik enerjisini azaltan
ve moderatör olarak adlandırılan maddeler kullanmaktadır. İyi bir moderatör:
toksik olmamalı, ucuz olmalı ve aynı zamanda nöton bambardımanı sonucu radyoaktif bir maddeye dönüşmemelidir.
Dahası soğutma sıvısı olarak kullanılabilmesi için akışkan olması bir
avantajdır. Su, bu amaç için düşünülen pek çok maddeden avantajıdır. Ancak bu
gereksinimlerin tamamını karşılayan hiçbir madde yoktur.
Moderatör olarak su kullanılan reaktörler hafif su reaktörü
olarak adlandırırlır. Bir hafif su reaktörünün etkili bir biçimde
çalıştırılabilmesi için Uranyum-235 derişimi %3-4 olarak zenginleştirilmelidir.
Nükleer reaktörler, çekirdek tepkimeleri tarafından yayılan
ısıyı soğuran ve onu reaktör dışına aktaran soğutma sistemlerine sahiptirler.
Dışarıya transfer edilen bu ısı bir elektrik jeneratörünü çalıştırmak için
gerekli buharı üretmede kullanılır.
Ağır Su Reaktörleri
Ağır su reaktörlerinde moderatör olarak su yerine ağır su (D2O)
kullanılır. Döteryum nötronları, hidrojene göre daha az soğurur ve reaktör daha
verimli çalışır. Bu sayede uranyumun zneginleştirilmesine de gerek kalmaz.
Ancak döteryum daha az sayıda nötron yakaladığı için çok sayıda nötron
reaktörden dışarı kaçmaktadır.
Ağır su reaktörlerinin avantajı, uranyum zengişleştirmek
için gerek duyulan inşaat maliyetlerinin bertaraf edilmesidir.
Besleyici Reaktörler
Besleyici reaktörler yakıt olarak uranyum kullanır ancak bu
tür reaktörler kullanıldığından daha fazla bölünebilen madde üretirler.
Besleyici bir reaktörde uranyum-235 yada plutonyum-239
içeren nükleer yakıt uranyum-238 ile karışırılır ve böylece plütonyum-239
üretilir. Böylece başlangıçtaki nükleer yakıt tükenirken bölünebilen madde
stoku sürekli olarak artar. Bu sayede reaktöre yeniden yakıt koyma aralığı,
besleyici olamayan reaktörlerinkine göre 7-10 yıl artar.
Hiç yorum yok:
Yorum Gönder
Not: Yalnızca bu blogun üyesi yorum gönderebilir.