Nükleer Fisyon Hakkında Bilinmesi Gerekenler

Nükleer fisyon, ağır bir atom çekirdeğinin nötron bombardımanı ile iki orta-ağır atom çekirdeğine bölünmesidir. Bu süreçte nötronlar serbest kalır ve nükleer enerji olarak bilinen enerji açığa çıkar. Nükleer fisyon, nükleer dönüşümün özel bir şeklidir. Otto Hahn, Fritz Strassmann ve Lise Meitner tarafından 1938 yılında keşfedilmiştir.

Nükleer fisyon, bir atom çekirdeğinin yeni çekirdeklere dönüşmesidir. Nötronlar uranyum-235'e çarptığında, saniyenin kesirleri içinde iki çekirdeğe bozunan uranyum-236'ya nükleer bir dönüşümün meydana gelmesi bu tür nükleer fisyona bir örnektir. Bununla birlikte, birden fazla olasılık vardır. Bir uranyum çekirdeği lantan ve brom, selenyum ve sezyum ya da antimon ve niyobyum gibi başka çekirdeklere de bozunabilir. Toplamda 200'den fazla uranyum bozunma ürünü bilinmektedir.

Her nükleer fisyon 2 veya 3 nötron açığa çıkarır. Genel olarak: Ağır atom çekirdekleri (uranyum ve plütonyum gibi) yavaş nötron bombardımanı ile muazzam miktarda enerji açığa çıkaran orta-ağır atom çekirdeklerine bölünebilir.

Nükleer Fisyon Neden Enerji Açığa Çıkarır?

Nükleer fisyon enerji açığa çıkarır çünkü fisyon reaksiyonu kütleyi enerjiye dönüştürür. Fosil yakıtların yanmasından farklı olarak nükleer fisyonda herhangi bir kimyasal reaksiyon gerçekleşmez. Bu nedenle atmosfere CO2 salınmaz.

Nükleer fisyonda, ilk çekirdeğin kütlesi artı soğurulan nötron, salınan nötronlar da dahil olmak üzere yaratılan çekirdeklerin kütlesinden daha büyüktür. Fisyonda bir kütle kusuru meydana gelir. Albert Einstein tarafından 1905 yılında keşfedilen E = mc2'ye göre, kütlenin azalması açığa çıkan enerjiye karşılık gelir.

Bir uranyum çekirdeği parçalandığında, yaklaşık 3 x 10-11 Joule'lük bir enerji açığa çıkar. Bu çok az görünebilir. Ancak bu, bir atomun bir nükleer bozunmasını ifade eder. Uranyum-235'te 2,6 x 1024 adet atom bulunmaktadır. Bir kilogram uranyumun içerdiği atom çekirdeği sayısını göz önüne alır ve hepsinin bozunduğunu varsayarsak, uranyumun fisyonundan açığa çıkan enerji 8,6 x 1012 J'dür. Bu, 1 pound taş kömürü yakıldığında açığa çıkan enerjinin yaklaşık 640.000 katıdır (1 kg için 290.000 katı).

Fisyonda Zincirleme Reaksiyon

Nükleer fisyon sırasında açığa çıkan nötronlar "doğru" hızda başka bölünebilir maddelerle karşılaşırsa, başka nükleer fisyonlara neden olabilirler. Sonuç, zincirleme reaksiyon adı verilen kendi kendine devam eden bir reaksiyondur. Bu zincirleme reaksiyon denetlenmezse, buna kontrolsüz zincirleme reaksiyon (nükleer silahlar) denir. Kontrolsüz zincirleme reaksiyonlar atom bombasında meydana gelir.

Bununla birlikte, zincirleme reaksiyonu hafifletmek amacıyla nötron sayısını sınırlamak için belirli malzemeler kullanılabilir. Böyle ılımlı bir zincirleme reaksiyona kontrollü (nükleer güç) zincirleme reaksiyon denir. Kontrollü zincirleme reaksiyonlar nükleer enerji santrallerinin nükleer reaktörlerinde gerçekleşir. Nükleer fisyon sırasında açığa çıkan muazzam miktardaki enerji, nükleer enerjiyi gerçek bir enerji kaynağı haline getirmektedir.

Nükleer Fisyonun Enerji Verimliliği

Nükleer fisyon süreci çok verimlidir. 1 kilogram U-235 fisyona uğradığında, sadece yaklaşık bir gram kütle kaybedilir (binde bir) ve bu da ısı enerjisine dönüşür. Einstein'ın E = mc2 ilişkisini uygularsak, bu yaklaşık 25 milyon kilowatt-saatlik bir değer verir. Bu, pound başına 3200 kilokalori (kilogram başına 7000 kilokalori) enerji içeriğine sahip yaklaşık 2.500.000 kilogram taş kömürünün yanma enerjisine karşılık gelir. Nükleer fisyonda yakıt başına enerji verimi, taş kömürünün yanmasından yaklaşık 5,5 milyon kat daha yüksektir (kilogram başına 2,5 milyon kat).

Bu muazzam verimlilik farklarının nedeni, farklı etkileşim derecelerine sahip iki doğal kuvvetin kullanılmasında yatmaktadır. Yanmada, altta yatan kimyasal süreçler atomların elektron kabuğunda gerçekleşir ve bu da elektromanyetik etkileşimle sonuçlanır. Nükleer enerjide ise nükleonları birbirine bağlayan çok daha büyük bir güçlü etkileşim söz konusudur. Bu nedenle, atomların çekirdekleri ortaya çıkan nükleer enerjide belirleyici bir rol oynar.

Buradaki belirleyici faktör, çekirdekteki nükleon başına düşen bağlanma enerjisinin büyüklüğüdür. Elementler için sabit değildir, ancak en hafif element olan hidrojenden başlayarak önce çok dik bir şekilde, sonra da kripton gibi daha ağır elementlere doğru daha yavaş bir şekilde artar. Bundan sonra, ağır elementlere doğru hafifçe düşer. Ağır çekirdekler iki orta-ağır çekirdeğe bölündüğünde, bağlanma enerjilerindeki fark, fisyon ürünlerinin hareketiyle ısı şeklinde açığa çıkar.

Etkileşimlerin gücü arasındaki fark başka bir şekilde de ifade edilmektedir: Ağır bir atom çekirdeğinin orta derecede ağır iki çekirdeğe ayrışması, bütün atomlar arasındaki kimyasal reaksiyonlardan yaklaşık 400.000 kat daha büyük bir enerji miktarıyla sonuçlanır. Bu muazzam farklar nükleer enerjinin enerji ekonomisi açısından neden son derece cazip olduğunu açıklayabilir, ancak öte yandan kontrol edilmesi gereken muazzam enerji yoğunluğu nedeniyle nükleer enerji santrallerinin güvenliği konusunda özellikle yüksek derecede sorumluluk ve özen gerektirir.

Yukarıdaki bağlanma enerjisi eğrisi grafiği, kütlenin bir fonksiyonu olarak atom çekirdeği başına bağlanma enerjilerinin bağımlılığını göstermektedir: hidrojen için bir megaelektronvoltun biraz üzerindedir. Daha sonra atom çekirdeğinin boyutu arttıkça eğri dik bir şekilde yükselir; helyum için 7 megaelektronvoltluk bir tepe noktası vardır ve lityum için 5,5'tir. Yükseliş 8 megaelektronvolt olan oksijen ile devam eder. Demir için maksimum değer 9'un hemen altındadır. Burada eğri, 7,5 megaelektronvolt bağlanma enerjisine sahip uranyuma kadar düzleşir.

Nükleer Fisyonun Keşfi

1930'larda birçok fizikçi ve kimyacı radyoaktif radyasyonlar hakkında daha fazla bilgi edinmek istiyordu.

İtalyan fizikçi Enrico Fermi çok sayıda elementi nötron bombardımanına tuttu ve Dünya üzerindeki neredeyse tüm maddelerin bu şekilde dönüşebileceğini keşfetti. Yeni oluşan maddelere transuranyum elementler adını verdi, çünkü ilk olarak tüm bu maddelerin elementlerin periyodik tablosunda uranyumun ötesinde olduğunu, yani 92'den fazla atom numarasına sahip olduklarını varsaydı.

Daha sonra İngiltere'de Ernest Rutherford ve Fransa'da Joliot-Curie çifti de nükleer dönüşümlerle ilgili deneyler yaptı. Marie Curie'nin kızı Irene Joliot-Curie ve kocası Frédéric Joliot-Curie 1934 yılında yapay radyoaktiviteyi keşfetti.

Birkaç yıl sonra Almanya'da kimyager Otto Hahn, fizikçi Lise Meitner ve Berlin-Dahlem'deki Kimya Enstitüsü'nde Fritz Strassmann transuranik konusunda birlikte çalışan kişiler arasındaydı. Lise Meitner 1938'de Almanya'dan göç etmek zorunda kaldı. Hahn ve Strassmann uranyumu nötronlarla ışınladılar ve ortaya çıkan ve sadece çok küçük miktarlarda bulunan nüklidleri incelediler. Bu süreçte, Aralık 1938'de kendilerine bile olanaksız görünen bir keşif yaptılar.

'Nükleer kimyacılar' olarak 'garip sonuçlarını' yayınlamaktan çekinerek, radyum izotoplarının baryum özelliklerine sahip olduğu sonucuna vardılar; bu da yeni cisimlerin radyum değil baryum olduğu anlamına geliyordu ki bu da nükleer fizikteki tüm önceki bilgilerle çelişiyordu.

Bu yeni fisyon ürünleri kısa bir süre sonra kesin olarak tanımlandı. Uranyumun nötronlarla bombardımanı kripton ve baryum üretti. Aynı zamanda, her nükleer fisyon üç nötron ve serbest enerji açığa çıkardı. Kısa bir süre sonra uranyumun başka fisyon ürünleri de tespit edildi. Böylece, Otto Hahn'ın (1879-1968) II. Dünya Savaşı'nın sona ermesinden sonra 1945 yılında 1944 yılı Nobel Kimya Ödülü'nü aldığı nükleer fisyon keşfedilmiş oldu.

Nükleer fisyondan enerji üretmenin mümkün olduğu 1939 yılında tartışılmaya başlanmıştı ve dönemin önde gelen nükleer fizikçileri tarafından biliniyordu. Ancak bunun gerçekleşmesi için gereken büyük teknik çaba da biliniyordu. II. Dünya Savaşı'nın başlamasıyla birlikte nükleer enerjinin askeri amaçlarla da kullanılıp kullanılamayacağı sorusu giderek daha fazla gündeme geldi. 1942 yılında ABD'de nükleer silahlar üzerinde yoğun çalışmalar başladı. Deneysel bir bomba olan ilk nükleer silah patlaması 16 Temmuz 1945'te New Mexico (ABD) çölünde gerçekleşti. 6 ve 9 Ağustos 1945'te ABD'nin ilk atom bombaları Japon şehirleri Hiroşima ve Nagazaki üzerinde patladı ve yüz binlerce insan öldü.

Fisyon ve Atom Çekirdeğinin Yapısı Arasındaki İlişki

Kimyasal elementlerin atom çekirdekleri iki farklı parçacıktan oluşur: Elektriksel olarak pozitif yüklü protonlar ve elektriksel olarak nötr nötronlar. Her ikisi de nükleon olarak adlandırılır. Neredeyse aynı kütleye sahiptirler ve fizikçilerin güçlü kuvvet olarak da adlandırdığı nükleer kuvvet tarafından bir arada tutulurlar. Bu kuvvet doğada var olan dört kuvvetten açık ara en güçlüsüdür: Yerçekimi, elektromanyetik, zayıf ve güçlü kuvvet. Elektromanyetik kuvvetin aksine, nükleer kuvvet yalnızca en yakın komşuları için geçerli olan çekici bir şekilde etki eder.

Pozitif yüklü protonlar, eşit elektrik yükleri nedeniyle atom çekirdeğinde birbirlerini iterler. Coulomb kuvveti olarak adlandırılan bu elektriksel itme, çok daha güçlü nükleer kuvvetler tarafından dengelendiği sürece, çekirdek kararlı kalır veya radyoaktif hale gelmez. Elektriksel olarak nötr nötronların nükleer kuvvetleri de bu sürece yardımcı olur.

Protonların miktarı nükleer fisyonda hangi elementin kullanılacağını belirler. Proton sayısı arttıkça ve elementler ağırlaştıkça, itici Coulomb kuvvetlerini telafi etmek için fisyon için daha fazla nötrona ihtiyaç duyulur – protonlara kıyasla önemli bir fazlalığa kadar – Coulomb kuvvetleri mesafelerin karesiyle ters orantılı olduğundan, protonlar arasındaki çok küçük mesafeler nedeniyle bu kuvvetler çok büyük olabilir. Bununla birlikte, Coulomb itme ve bağlayıcı nükleer kuvvetler arasındaki dengenin sınırında olan uranyum-92'de olduğu gibi yüksek proton sayılarında çekirdekler kararsız ve dolayısıyla radyoaktif hale gelmeye başlar.

Ancak daha az sayıda protona sahip elementlerde bile çekirdekler yine de kararsız hale gelebilir. Genel olarak, yalnızca protonların Coulomb itme kuvveti ile tüm parçacıklar arasındaki çekici güçlü nükleer kuvvetler arasındaki etkileşim belirleyicidir. Bunun nedeni, Coulomb kuvvetinin uzun menzilinin tüm protonların birbiriyle etkileşime girmesine neden olmasıdır. İtme kuvveti proton sayısı ile birlikte dört kat artar. Daha kısa menzili nedeniyle, güçlü etkileşimin çekici kuvveti yalnızca en yakın komşulara etki eder ve nükleon sayısı ile yalnızca doğrusal olarak büyür. Proton ve nükleon sayısının oranına bağlı olarak, itme kuvveti baskın çıkar ve çekirdek kararsız hale gelir.

Uranyum-235'in Fisyon İçin Önemi

Aynı elementin farklı sayıda nötrona sahip atom çekirdekleri varsa bunlara izotop denir. Nükleer enerjinin elektrik üretiminde kullanılması için uranyum izotopu 235 oldukça önemlidir. 92'si proton ve 143'ü nötron olmak üzere 235 nükleon içerir. Doğada sadece yüzde 0,7 oranında bulunur. Yüzde 99 ile en bol bulunan uranyum 146 nötronlu U-238 izotopudur. Yüzde 0,005 gibi küçük bir oranda da 142 nötronlu U-234 izotopu bulunur.

U-235'i özel kılan, kendisine bir nötron daha eklenir eklenmez iki daha hafif atom çekirdeğine (fisyon ürünleri) bölünmesidir. Önce uranyumun bir ara çekirdeği, yani oldukça uyarılmış bir durumda olan U-236 izotopu oluşur. Uyarılma enerjisi, nötron yakalama reaksiyonu tarafından açığa çıkan bağlanma enerjisine (nötronun kinetik enerjisi ihmal edilebilirken) karşılık gelir. Güçlü etkileşimin büyüklüğü nedeniyle enerji nispeten yüksektir.

U-236 kararsızdır ve bu nedenle uyarılma enerjisini en az 10 saniye boyunca esas olarak iki orta-ağır çekirdeğe bölünme yoluyla serbest bırakır. Bu fisyon ürünleri pozitif yüklüdür. Bu nedenle Coulomb kuvveti nedeniyle birbirlerini iterler ve 20 saniyeye kadar tam hıza ulaşırlar. Isıya dönüşen kinetik enerjileri, nükleer fisyon sırasında açığa çıkan enerjinin yüzde onundan daha azını oluşturur. Fisyon enerjisinin yüzde yirmisi yeni oluşan orta ağırlıktaki çekirdeklerin radyoaktivitesinde bulunur.

Fisyonda Radyoaktivitenin Nedeni

Fisyon ürünlerinin çekirdekleri her zaman aynı değildir. İstatistiksel olarak farklı yük sayılarına sahiptirler ve dolayısıyla farklı kimyasal elementlere aittirler. Fisyon sırasında oluşan elementlerin sayısı yük sayıları ile karşılaştırıldığında, iki maksimumlu eyer şeklinde bir eğri elde edilir. İlk maksimumda stronsiyum, kripton veya itriyum gibi elementler, ikinci maksimumda ise ksenon, sezyum veya baryum olabilir. Bu fisyon ürünlerinin çoğu nötron fazlalığı nedeniyle radyoaktiftir ve ancak uzun bozunma serilerinden sonra kararlı son ürünlere dönüşür. Bugün toplamda yaklaşık 200 farklı fisyon ürünü bilinmektedir.

İki fisyon çekirdeğine ek olarak 2 ila 3 nötron da üretilir ve bu nötronlar diğer U-235 çekirdeklerini fisyona uğratmak için kullanılabilir ve daha fazla enerji ve nötron açığa çıkarır. Buna zincirleme reaksiyon denir. Fisyon sürecinin sürdürülmesi ve nükleer enerjinin kullanımı için çok önemlidir.

Bir nötronun U-235'e bağlanma olasılığı hızına bağlıdır. Hız düştükçe olasılık da artar. Fisyon sırasında açığa çıkan nötronlar bağlanmak için çok hızlı olduklarından, bir moderatörün atom çekirdekleriyle çarpışma süreçleriyle termal hızlara yavaşlatılmaları gerekir. Çarpışmaların etkili olabilmesi için, moderatörün atom çekirdeklerinin nötron kadar kütleye sahip olması gerekir. H2O molekülündeki iki hidrojen atomunun çekirdekleri protonlardan oluştuğu ve yavaşlatılacak nötronlarla hemen hemen aynı kütleye sahip olduğu için su nükleer fisyonda uygun bir moderatördür.

Nükleer Reaktörlerin Yapısı

Bir nükleer reaktörde, uranyum ve moderatör, sürekli bir dizi fisyon reaksiyonuna izin verecek şekilde düzenlenir. Bu durum kontrol cihazları ile sağlandığında, fisyon reaksiyonları ısı olarak nükleer enerji yaratır. İki uranyum izotopu 235 ve 238'in oranı kritik bir değişkendir. Bugün dünyada ağırlıklı olarak işletilen hafif su reaktörlerinde, doğal uranyumdaki yüzde 0,7 uranyum-235, sürekli bir dizi fisyonu sürdürmek için yeterli değildir. Uranyum-235, özel uranyum zenginleştirme tesisleri gerektiren reaktörlerde kullanılmadan önce yaklaşık yüzde üçe kadar zenginleştirilmelidir.

Açığa çıkan nötronlar sadece uranyum-235'i parçalamakla kalmaz, aynı zamanda yönetici uranyum-238 tarafından da yakalanabilir. Bu da bölünebilir bir madde olan ve aynı zamanda daha fazla enerji açığa çıkarabilen radyoaktif bozunmanın yarattığı yeni izotop plütonyum-239 gibi transuranyum elementleri yaratır. Nükleer reaktörün türüne bağlı olarak, fisyon süreci tarafından üretilen enerjiye yaklaşık yüzde 30 katkıda bulunabilir. Transuranik elementler ayrıca neptünyum, amerikyum ve küriyum gibi kimyasal elementleri de içerir.

Transuranik elementler, bazıları radyoaktivitesi çok uzun ömürlü olan izotoplar içerir. Bu, kullanılmış nükleer yakıt gruplarındaki toplam radyoaktivitenin ancak birkaç yüz bin yıl sonra büyük ölçüde bozunmasını sağlar. Genel olarak, yaklaşık üç yıl çalıştıktan sonra (basınçlı su reaktörü tipleri), hafif su reaktörlerinin kullanılmış yakıt elemanları yüzde bire yakın uranyum-235, yüzde yarım uranyum-236, yüzde 95 uranyum-238 ve yüzde bire yakın plütonyum izotopları içerir. Geri kalan kısım ise fisyon ürünlerinden (yüzde üç) ve aktinitler olarak adlandırılan diğer transuraniklerden (yüzde 0,05'ten az) oluşur. Sonuçta, U-235 yüzdesi neredeyse doğal uranyum yüzdesine eşittir.

Kapalı yakıt döngüsü nükleer reaktörleri konsepti, kullanılmış yakıt elementlerini yeniden işleyerek uranyum ve plütonyumu kimyasal olarak ayırıp enerji üretimi için geri kazanmayı ve radyoaktif kalıntıyı çok uzun bir süre güvenli bir şekilde depolamayı amaçlamaktadır. Bu, kullanılmış yakıtın yaklaşık yüzde 97'sinin yeniden kullanılmasına olanak sağlayacaktır. Daha gelişmiş nükleer reaktör konseptleri, uzun ömürlü radyoaktif maddelerin, hızlı nötronlarla etkileşime girerek, nihai depolama için çok daha kısa ömürlü kimyasal elementlere dönüştürülmesi için ek ayrıştırma işlemini de içermektedir.

Açık yakıt döngüsü reaktörleri, kullanılmış yakıt elementlerinin ve nükleer santrallerden kaynaklanan diğer yüksek radyoaktif atıkların doğrudan depolanmasına olanak sağlamaktadır. Nükleer enerji santrallerine sahip ülkeler tarafından her yıl birkaç olimpik havuzu doldurabilecek yüzlerce ton kullanılmış yakıt üretilmektedir. Uranyumun yanı sıra, kimyasal element toryum nükleer enerji üretimi için en önemli ikinci elementtir.

Nükleer Fisyon Hakkında Sık Sorulanlar