Merbaha arkadaşlar, daha önceden de dediğim gibi; atom ve çekirdeklerden başlayarak, nükleer enerjinin eldesine kadar bir yazı dizisi hazırlamak istiyordum. Öncekim yazım; radyoaktiflik nedir idi. Bu yazımda nükleer parçalanma ve nükleer kaynaşma hakkında bilgiler vereceğim.
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.
Nükleer Parçalanma Nedir
Bir atom çekirdeğinde protonlarla nötronlar birleşerek bir bütün oluşturur; bunların bağ enerjileri büyüdükçe, bütünün kararlılığı yükselir. Bağ enerjisi, çekirdeğin kütlesinin, içerdiği protonlarla nötronların bireysel kütlelerinin toplamından daha küçük olmasından kaynaklanır (enerji ile kütle, ünlü E = mc2 formülüne göre eşdeğerdir). 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 parçalara 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 tepkimeler biçiminde denetlenebilir düzende (nükleer santraller ve atom pilleri) birbirini izleyebilir veya denetim dışında oluşarak patlama etkisi gösterebilir (atom bombası denen nükleer silahlar).
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 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 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 bombasını patlatarak hafif atomları ısıtmak yeterlidir. Buna hidrojen bombası denir. Denetimli kaynaşmaysa, büyük çaba harcanmasına rağmen henüz elde edilememiştir.
Enerji ve Atom Çekirdekleri
Nükleer enerji nötronlarla protonları bağlayan enerjiden kaynaklanır. Kullanılan çekirdeklere göre, bu enerjiyi elde etmenin iki farklı yolu vardır.
Nükleer santrallerde 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 başına 8,45 MeV’tur. Demek ki, böyle bir parçalanma nükleon başına 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 gram başına 7*1010 joule’luk bir enerjiye denktir. Bir karşılaştırma yapmak için bir gram kömürün yanması sonucunda 3,3*104 joule’luk bir enerji açığa çıktığını belirtelim. Nükleer santrallerin 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 ile 100 000 kere daha büyük tahrip gücüne sahiptir.
d + t à 4He + n şeklinde gösterilen bir kaynaşma tepkime (bir döteryum çekirdeğiyle bir trityum çekirdeği kaynaşarak bir helyum 4 çekirdeği ve bir nötron verir), yaklaşık olarak 17,4 MeV’luk bir enerji açığa çıkarır. Bu da gram başına 28*1010 joule’luk enerjiye eşdeğerdir. Gelecekte teknik açıdan başarıya ulaşılabilirse, enerji bilançosu elverişli olacağa benzemektedir.
Çok yüksek görünen bu enerji verimiyle sakıncalar arasında bir denge kurmak gerekir. Bu sakıncalar arasında enerji kaynaklarının toplanması, radyoaktif kirlenme tehlikesi, denetimden çıkma tehlikesi, büyük teknik karmaşıklık vb sayılabilir.
Atom çekirdeklerinden enerji elde etmek için iki yöntem:
Nükleer enerji, atom çekirdekleri içinde protonlarla nötronların birbirine bağlayan enerjidir. Bu bağ enerjisi göz önüne alınan çekirdeğe göre değişir. Döteryumun bağ enerjisi helyumun bağ enerjisinden daha düşük olduğundan, bu iki maddenin kaynaşması sonucundan açığa çıkacak enerji, iki maddenin enerjileri arasında ki farka eşittir. Aynı şey uranyumun parçalanma sırasında oluşan daha hafif çekirdeklerin bağ enerjileri, uranyumunkinden daha büyüktür. Ağır bir çekirdeğin parçalanması için düşük enerjili bir nötron soğurması gerekir. Kısa bir süre içinde ve yeterli kütlede parçalanabilir madde bir araya gelirse, zincirleme tepkime başlayabilir: buna atom bombası denir. Tahrip gücü çok daha yüksek olan hidrojen bombası, hidrojen izotopları olan hafif çekirdeklerin kaynasması ve bir patlama tepkimesine dönüşmesi için çok büyük miktarda enerji gerektirir (genellikle bir atom bombasıyla sağlanır); aynı kaynaşma tepkimeleri her an bütün yıldızların merkezinde oluşmaktadır. Kaynaşma enerjisini denetim altına alma başarısına henüz ulaşılamadı.
Hidrojen bombasını ilk olarak amerikalılar tarafından denemiştir. 1952 yılında denenen hidrojen bombası, Amerika’nın Hiroşimaya attığı atom bombasından 1000 kat daha kuvvetlidir. Bundan 10 yıl sonra Sovyetlerde hidrojen bombası denemesinde bulunmuşlardır. Bu hidrojen bombası amerikanın hiroşimaya attığı bombanın 3.800 kat daha güçlüdür.
Aşağıda ki videoda ise sovyetlerin kullandığı hidrojen bombasının çekimleri bulunmaktadır.
Bir sonraki yazılarım nükleer parçalanma nedir ve nükleer kaynaşma nedir olacak. Bu kavramları daha da derinlemesine inceleyeceğiz.