FİZYON VE FÜSYON

FİZYON VE FÜSYON



Çekirdek reaksiyonlarında çok büyük enerji açığa çıkması fisyon ve füzyon tepkimeleriyle gerçekleşir.





F?SYON (Çekirdek Bölünmesi)





Uranyum ya da plütonyum çekirdeği gibi ağır bir atom çekirdeğinin hemen hemen eşit kütleli iki parçaya bölünmesi. Çekirdek bölünmesinde çok büyük miktarda enerji açığa çıkar.





Doğada geçerli temel ilkelerden biri, her sistemin, engelleyici bir etki bulunmadığı sürece, potansiyel enerjisinin en alçak düzeyde olacağı biçimi alacağını öngörür.





Örneğin,bir dağın tepesinde bulunan su,engellenmediği sürece, aşağı doğru akar



Böylece potansiyel enerjisi giderek azalır ve kinetik enerjiye dönüşür. 1905’ de



Einstein, enerji ve kütlenin aynı fiziksel niceliğin farklı görünümleri olduğu ve birbirlerine dönüşebileceğini ortaya koydu. Bir ağır elementin (atom numarası demirinkinden daha yüksek olan elementler) atomunun çekirdeği iki parçaya bölünürse, oluşacak iki çekirdeğin kütlelerinin toplamı, bölünen çekirdeğin kütlesinden daha küçük olur ; bir başka deyimle iki çekirdekten oluşan yeni sistem daha az enerjiye sahiptir (aradaki kütle farkı, bölünme sırasında enerji olarak açığa çıkar). Bir çekirdek, yine de hemen bölünüp iki parçaya ayrılmaz. Bunun nedeni



çekirdeği oluşturan nükleonlar(protonlar ve nötronlar)arasındaki etkileşimi oluşturan iki tür kuvvet arasındaki büyük nitelik farkıdır. Protonlar ve nötronlar arasında etkiyen ve çok kısa erimli bir çekme kuvveti olan çekirdek kuvvetiyle yalnızca protonlar arasında etkiyen daha uzun erimli elektrostatik (Coulomb) itme



kuvveti, çekirdek bölünmesinin gerçekleşebilmesi için açılması gereken bir potansiyel duvarı oluşmasına yol açar. Önüne set çekilen suyun aşağı doğru akamamasına benzeyen bu olguda, açılması gereken bu potansiyel duvarına (bölünmeye uğrayabilmesi için çekirdeğe verilmesi gereken ek enerjiye)“bölünme engeli”



denir. Periyodik tabloda yukarı doğru çıkıldıkça, bir başka deyimle daha ağır elementlere doğru gidildikçe bu engel alçaldığından, ağır çekirdeklerin bölünmesi



daha kolay gerçekleşebilir.







Bir çekirdeğin bölünmeye uğraması iki yolla gerçekleşebilir. Suyun aşağı akmasını engelleyen duvarda bir delik açılmasına benzetilebilecek olan “kendiliğinden



çekirdek bölünmesi” olayı, doğada kendiliğinden ama çok seyrek olarak gerçekleşir. Bölünme için gereken ek enerjinin çekirdeğe doğrudan, örneğin çekirdeğin somuracağı bir nötron aracılığıyla verilmesi yoluyla gerçekleştirilebilen bölünme



ise,suyun düzeyinin,önündeki seti aşabilecek biçimde biraz yükseltilmesine benzetilebilir. Bu tür bölünme,nötron somurulmasıyla sağlanabileceği gibi,baka parçacıkların (örnek: proton, alfa parçacığı, gama ışını) somurulması yoluyla da gerçekleşebilir.



Çekirdek bölünmesinde yer alan olaylar dizisi altı aşamada ele alınabilir. Ağır çekirdek, bir parçacık (örnek: bir nötron) somurarak ek enerji alır, bu da çekirdeğin biçiminde hızlı değişmelere yol açar .

(1. aşama). Bu titreşimler sonucunda,çekirdek, adı verilen uzam?? bir biçim alır .

(2. aşama). Bu aşamada çekirdekteki kuvvetler geçici bir denge durumundadır ; çekirdek eğer biraz büzülürse,bölünmez ve fazla enerjisinin, örneğin gama ışınını salarak giderip özgün durumuna dönebilir ; ama eğer çekirdek biraz daha uzarsa, ikiye ayrılır .

(3. aşama).Sonuçta,“bölünme parçaları” adı verilen iki çekirdek ortaya çıkar. Ayrıca birkaç nötronda



salınabilir. İkisi de pozitif yüklü olduklarından birbirlerinden hızla uzaklaşan bölünme parçaları, önemli düzeyde enerji fazlası içerirler ve ilkin “gecikmesiz nötron” olarak adlandırılan nötronlar salarak .

(4. aşama), daha sonradan gecikmesiz gama ışınları salarak.

(5. aşama) bu enerjinin büyük bölümünü dışarı verirler. Bu aşamalarda salınan nötronları ve gama ışınlarının “gecikmesiz”olarak adlandırılması, bunları, daha sonra ortaya çıkanlardan ayırt edebilecek içindir. Ortaya çıkan iki çekirdek, ilk uyarımdan gama ışını salınmasına değin geçen yaklaşık 10



saniyelik süreden sonra, durgunluğa erişirler. “Çekirdek bölünmesi” ürünü adı



verilen bu çekirdekler, radyoaktif bozunum yoluyla gama ve beta ışınları ile gecikmiş nötronlar salarak, birkaç saniye ile birkaç yıl arasında değişen bir süre içinde, karalım izotoplara dönüşürler .

(6.aşama). Çekirdek bölünmesi, ağır çekirdeğe gerekli enerji fazlasını verebilen herhangi bir parçacık yardımıyla gerçekleştirilebilir. Pozitif yüklü çekirdeğe en kolay girebilen parçacılar, elektrik yükü



taşıyan nötronlardır. Bölünmenin enerji açığa çıkaran bir süreç olmasının nedeni ise,bölünmede ortaya çıkan gecikmesiz nötronlardır, çekirdeklere girerek yeni



bölünmelere yol açarlar. Böylece bir kez başlatılan bölünme süreci kesintisiz sürebilir. Bu süreç zincirleme tepkime olarak adlandırılır. Bir uranyum –235 çekirdeğinin bir asıl nötron somurarak bölünmesinden ortalama olarak yaklaşık 2,5



nötron ortaya çıkar. Bunların ancak bir bölümü yeni çekirdek bölünmelerine yol



açarlar. Bir bölünmede açığa çıkan nötronların yeni bölünmelere yol açanlarının ortalama sayısına “çoğalma çarpanı” adı verilir. Zincirleme tepkimenin oluşabilmesi için çoğalma çarpanının 1’ den büyük olması gerekir. Eğer bu sayı 1’ den epeyce büyükse (örnek: 2 ise), çekirdek bölünmelerinin sayısı yaklaşık her 10 saniyede ikiye katlanır ve bir nükleer patlama ortaya çıkar ; bu, atom bombasının



temelini oluşturur. Çekirdek enerjisinin denetimli olarak elde edildiği nükleer reaktörlerde ise, bölünmede ortaya çıkan nötronlardan ancak bir bölümünün yeni çekirdek bölünmelerine yol açmasını sağlayan ve böylece çoğalma çarpanını 1 dolayında tutan yavaşlatıcılar kullanılır.



Çekirdek bölünmesinin temel önemi,bölünmede ortaya çıkan çok büyük miktardaki enerjidir. Bir çekirdeğin bölünmesinde yaklaşık 2.10 EV’luk (elektro voltluk)



enerji açığa çıkar ; bu, 1 gram uranyum –235’ ten, bölünme yoluyla elde edilebilecek enerjinin 20.000 kilovat-saat dolayında olması anlamına gelir. Çekirdek bölünmesi,büyük ölçekli enerji açığa çıkaran üç tür çekirdek tepkimesinden biridir. Öteki iki tepkime türü, radyoaktif bozunum ve çekirdek kaymasıdır. Bölünme enerjisinden, elektrik üretiminde, tıp, sanayi ve başka alanlarda radyoaktif izotopların elde edilmesinde geniş ölçüde yararlanılmaktadır. Çekirdek bölünmesi, atom ve nötron bombalarında açığa çıkan çok büyük enerjininde kaynağını oluşturur.



Bohr ve Wheeler’ in araştırmaları, uranyumda gözlenen çekirdek bölünmesinin, doğada bol olarak bulunan uranyum –238’de değil, doğal uranyumun ancak yüzde 0,7’ sini oluşturan uranyum –235 izotopunda gerçekleştiğini belirledi ;bu bulgu sonradan deneysel olarak doğrulandı.



Uranyum –235 yanı sıra, plütonyum –239 ve uranyum –233’ ün bölünme tepkimesine girebildikleri daha sonra belirlendi.



FÜZYON (Çekirdek Kaynaması)



Hafif elementlerin atom çekirdeklerinin daha ağır bir elementin çekirdeğini oluşturmak üzere birleşmesi. Birleşen çekirdeklerin, küçük atom numaralı elementlerin çekirdekleri olması durumunda, önemli ölçüde enerji açığa çıkar.



Çekirdek kaynaması yoluyla enerji üretimine göre çeşitli üstünlükleri vardır. Çekirdek kaynaması ürünleri gibi radyoaktif olmadıklarından, çevreye zararlı etkide bulunmazlar. Ayrıca, çekirdek kaynamasında kullanılacak temel yakıt olan döteryum, çekirdek birleşmesinde kullanılan yakıtlara göre daha boldur. Uzmanlar çekirdek kaynamasından enerji üretimine ilişkin teknik güçlüklerin azalması için daha yıllar gerekeceği kanısındadırlar.



Çekirdek kaynamaları genel olarak iki türe ayrılır. Birinci türden çekirdek kaynamasında, hafif çekirdeklerdeki proton ve nötronlar, yeni bir gruplaşmayla daha ağır çekirdeği oluştururlar.



Örneğin, 2 tane döteryum (döteryumun, yani hidrojen-2’ nin bir protonla bir nötrondan oluşan çekirdeği) kaynayarak bir helyum-3 çekirdeği oluşturur ve bir nötron açığa çıkar. Ya da yine 2 tane döteryum kaynayarak bir triton (trityumun, yani hidrojen-3’ ün bir protonla 2 nötrondan oluşan çekirdeği) oluşturur ve 1 proton açığa çıkar. Bu tepkimelerin birincisinde 3,3 milyon elektron volt (MeV), ikincisinde ise 4 MeV’ luk bir enerji açığa çıkar. Bu 1 gr döteryumdaki çekirdeklerin tümünün kaynayarak helyum-3 oluşturması durumunda ortaya çıkacak enerjinin 22.000 kW-sa dolayında olacağı anlamına gelir. İkinci türden çekirdek kaynamasında protonlar ile nötronların birbirlerine dönüşmesi söz konusudur. Bu türden tepkimeye örnek olarak 2 hidrojen çekirdeğinin (bir başka deyimle 2 protonun) kaynayarak bir döteryum çekirdeği oluşturması ve bir pozitron (pozitif elektron) ile bir nötronun açığa çıkmasıdır. Burada, tepkimeye giren protonlardan bir tanesi nötrona dönüşürken, bir proton ile nötron oluşmaktadır. Kaynama tepkimesi ancak iki çekirdeğin, birbirlerine, aralarındaki uzaklık 10 cm olacak

kadar yaklaşmasıyla gerçekleşebilir. Çok kısa verimli olan çekirdek kuvvetlerinin



her ikisi de pozitif yüklü olan çekirdekler arasındaki elektrostatik itme kuvvetini yenebilmesi ancak böylece olanaklı olur. Bu itme kuvvetinin çekirdeklerin birbirlerine yaklaşmalarını engellemedeki etkinliği nedeniyle, denetimli çekirdek kay-naması, ancak elektriksel yükü en küçük olan döteryum ve trityum çekirdekleri



için söz konusudur. Denetimli ısı veren kaynama tepkimeleri döteryumdan ya



da döteryum-trityum karışımından oluşan bir plazmayı (pozitif yüklü çekirdekler



ile elektronlardan oluşan gaz) milyonlarca Kelvin dereceli bir sıcaklığa yükseltmekle gerçekleştirilebilir.Böylesine yüksek bir sıcaklıkta plazma, kendisini oluşturan parçacıkların ısı enerjisiyle tepkimeye girer. Bu enerji, tepkimenin kendi



kendine sürmesini sağlamaya yeterlidir ve bu tepkimeden elektrik enerjisi elde edilir. Böyle bir zincirleme tepkimenin oluşabilmesi için, tepkimeye giren sistenin kapalı bir hacimde sınırlanması gereklidir ; ama böylesine yüksek sıcaklıklara dayanıklı bir yapı malzemesi bugüne değin geliştirilememiştir. 1989’ da, elektrokimyasal bir pil içinde düşük sıcaklık ve basınç koşullarında çekirdek kaynaması tepkimesinin gerçekleştirildiği öne sürülmüş, ama soğuk füzyon olarak



adlandırılan bu olgu, henüz kanıtlanamayan bir iddia olarak kalmıştır.



ÇEK?RDEK REKS?YONLARIYLA K?MYASAL REAKS?YONLAR ARASINDAKİ TEMEL FARKLAR



1. Çekirdek reaksiyonlarında çok büyük miktarda enerji çıkar.



1. Kimyasal reaksiyonlarda ortamdan ısı alır veya verir.



2. Maddenin kimyasal haline bağlıdır.



2. Maddenin fiziksel haline bağlıdır.



3. Füzyon tepkimelerini başlatmak için yüksek enerji gerekirken, fisyon tepkimeleri için böyle bir ihtiyaç yoktur.



3. Ekzotermik tepkimeleri genellikle kendiliğinden gerçekleşen tepkimelerdir. Endotermik tepkimeler dışardan ısı alarak gerçekleşen tepkimelerdir.



4. Fisyon ve füzyon gerçekleştiği ortama enerji verir.



4. Ekzotermik gerçekleştiği kabın sıcaklığını arttırırken, endotermik sıcaklığını azaltır.



5. Füzyon tepkimesinin aktifleşme enerjisi > Fisyon tepkimesinin aktifleşme enejisi



6. Endotermik tepkimenin ileri aktifleşme enerjisi > Ekzotermik tepkimenin geri aktifleşme enerjisi