Çekirdek Reaksiyonları

Çekirdek reaksiyonlar?nda çok büyük enerji aç??a ç?kmas? fisyon ve füzyon tep-kimeleriyle gerçekle?ir.



F?SYON (Çekirdek Bölünmesi)



Uranyum ya da plütonyum çekirde?i gibi a??r bir atom çekirde?inin hemen he-men e?it kütleli iki parçaya bölünmesi. Çekirdek bölünmesinde çok büyük mik-tarda enerji aç??a ç?kar.



Do?ada geçerli temel ilkelerden biri, her sistemin, engelleyici bir etki bulunma-d??? sürece, potansiyel enerjisinin en alçak düzeyde olaca?? biçimi alaca??n? ön-görür.



Örne?in,bir da??n tepesinde bulunan su,engellenmedi?i sürece, a?a?? do?ru akar

Böylece potansiyel enerjisi giderek azal?r ve kinetik enerjiye dönü?ür. 1905’ te

Einstein, enerji ve kütlenin ayn? fiziksel niceli?in farkl? görünümleri oldu?u ve birbirlerine dönü?ebilece?ini ortaya koydu. Bir a??r elementin (atom numaras? demirinkinden daha yüksek olan elementler) atomunun çekirde?i iki parçaya bö-lünürse, olu?acak iki çekirde?in kütlelerinin toplam?, bölünen çekirde?in kütle-sinden daha küçük olur ; bir ba?ka deyi?le iki çekirdekten olu?an yeni sistem da-ha az enerjiye sahiptir (aradaki kütle fark?, bölünme s?ras?nda enerji olarak aç??a ç?kar). Bir çekirdek, yine de hemen bölünüp iki parçaya ayr?lmaz. Bunun nedeni

çekirde?i olu?turan nükleonlar(protonlar ve nötronlar)aras?ndaki etkile?imi olu?-turan iki tür kuvvet aras?ndaki büyük nitelik fark?d?r. Protonlar ve nötronlar ara-s?nda etkiyen ve çok k?sa erimli bir çekme kuvveti olan çekirdek kuvvetiyle yal-n?zca protonlar aras?nda etkiyen daha uzun erimli elektrostatik (Coulomb) itme

kuvveti, çekirdek bölünmesinin gerçekle?ebilmesi için a??lmas? gereken bir po-tansiyel duvar? olu?mas?na yol açar.Önüne set çekilen suyun a?a?? do?ru akama-mas?na benzeyen bu olguda, a??lmas? gereken bu potansiyel duvar?na (bölünme-ye u?rayabilmesi için çekirde?e verilmesi gereken ek enerjiye)“bölünme engeli”

denir. Periyodik tabloda yukar? do?ru ç?k?ld?kça, bir ba?ka de?i?le daha a??r ele-mentlere do?ru gidildikçe bu engel alçald???ndan, a??r çekirdeklerin bölünmesi

daha kolay gerçekle?ebilir.



Bir çekirde?in bölünmeye u?ramas? iki yolla gerçekle?ebilir. Suyun a?a?? ak???-n? engelleyen duvarda bir delik aç?lmas?na benzetilebilecek olan “kendili?inden

çekirdek bölünmesi” olay?, do?ada kendili?inden ama çok seyrek olarak gerçek-le?ir. Bölünme için gereken ek enerjinin çekirde?e d??ardan, örne?in çekirde?in so?uraca?? bir nötron arac?l???yla verilmesi yoluyla gerçekle?tirilebilen bölünme

ise,suyun düzeyinin,önündeki seti a?abilecek biçimde biraz yükseltilmesine ben-zetilebilir.Bu tür bölünme,nötron so?urulmas?yla sa?lanabilece?i gibi,ba?ka par-





çac?klar?n (örnek: proton, alfa parçac???, gama ???n?) so?urulmas? yoluyla da ger-çekle?ebilir.



Çekirdek bölünmesinde yer alan olaylar dizisi alt? a?amada ele al?nabilir. A??r çekirdek, bir parçac?k (örnek: bir nötron) so?urarak ek enerji al?r, bu da çekirde-?in biçiminde h?zl? de?i?melere yol açar (1. a?ama). Bu titre?imler sonucunda,

çekirdek, ad? verilen uzam?? bir biçim al?r (2. a?ama). Bu a?amada çekirdekteki

kuvvetler geçici bir denge durumundad?r ; çekirdek e?er biraz büzülürse, bölün-mez ve fazla enerjisinin, örne?in gama ???n?m? salarak giderip özgün durumuna dönebilir ; ama e?er çekirdek biraz daha uzarsa, ikiye ayr?l?r (3. a?ama).Sonuçta,

“bölünme parçalar?” ad? verilen iki çekirdek ortaya ç?kar.Ayr?ca birkaç nötronda

sal?nabilir. ?kisi de pozitif yüklü olduklar?ndan birbirlerinden h?zla uzakla?an bö-lünme parçalar?, önemli düzeyde enerji fazlas? içerirler ve ilkin “gecikmesiz nöt-ron” olarak adland?r?lan nötronlar sa?arak (4. a?ama), daha sonradan gecikmesiz gama ???nlar? salarak (5. a?ama) bu enerjinin büyük bölümünü d??ar? verirler. Bu a?amalarda sal?nan nötronlar? ve gama ???nlar?n?n “gecikmesiz”olarak adland?r?l-mas?, bunlar?, daha sonra ortaya ç?kanlardan ay?rt edebilecek içindir. Ortaya ç?-kan iki çekirdek, ilk uyar?mdan gama ???n? sal?nmas?na de?in geçen yakla??k 10

saniyelik süreden sonra, durgunlu?a eri?irler. “Çekirdek bölünmesi” ürünü ad?

verilen bu çekirdekler, radyoaktif bozunum yoluyla gama ve beta ???nlar? ile ge-cikmi? nötronlar salarak, birkaç saniye ile birkaç y?l aras?nda de?i?en bir süre i-çinde, karal?m izotoplara dönü?ürler (6.a?ama). Çekirdek bölünmesi, a??r çekir-de?e gerekli enerji fazlas?n? verebilen herhangi bir parçac?k yard?m?yla gerçek-le?tirilebilir. Pozitif yüklü çekirde?e en kolay girebilen parçac?lar, elektrik yükü

ta??yan nötronlard?r. Bölünmenin enerji aç??a ç?karan bir süreç olmas?n?n nede-ni ise,bölünmede ortaya ç?kan gecikmesiz nötronlard?r, çekirdeklere girerek yeni

bölünmelere yol açarlar. Böylece bir kez ba?lat?lan bölünme süreci kesintisiz sü-

rebilir. Bu süreç zincirleme tepkime olarak adland?r?l?r. Bir uranyum –235 çekir-de?inin bir ?s?l nötron so?urarak bölünmesinden ortalama olarak yakla??k 2,5

nötron ortaya ç?kar. Bunlar?n ancak bir bölümü yeni çekirdek bölünmelerine yol

açarlar. Bir bölünmede aç??a ç?kan nötronlar?n yeni bölünmelere yol açanlar?n?n ortalama say?s?na “ço?alma çarpan?” ad? verilir. Zincirleme tepkimenin olu?abil-mesi için ço?alma çarpan?n 1’ den büyük olmas? gerekir. E?er bu say? 1’ den e-peyce büyükse (örnek: 2 ise), çekirdek bölünmelerinin say?s? yakla??k her 10 sa-niyede ikiye katlan?r ve bir nükleer patlama ortaya ç?kar ; bu, atom bombas?n?n

temelini olu?turur. Çekirdek enerjisinin denetimli olarak elde edildi?i nükleer re-aktörlerde ise, bölünmede ortaya ç?kan nötronlardan ancak bir bölümünün yeni çekirdek bölünmelerine yol açmas?n? sa?layan ve böylece ço?alma çarpan?n? 1 dolay?nda tutan yava?lat?c?lar kullan?l?r.

Çekirdek bölünmesinin temel önemi,bölünmede ortaya ç?kan çok büyük miktar-daki enerjidir.Bir çekirde?in bölünmesinde yakla??k 2.10 eV’lik (elektro voltluk)



enerji aç??a ç?kar ; bu, 1 gram uranyum –235’ ten, bölünme yoluyla elde edilebi-lecek enerjinin 20.000 kilovat-saat dolay?nda olmas? anlam?na gelir. Çekirdek bölünmesi,büyük ölçekli enerji aç??a ç?karan üç tür çekirdek tepkimesinden biri-dir. Öteki iki tepkime türü, radyoaktif bozunum ve çekirdek kayna?mas?d?r. Bö-lünme enerjisinden, elektrik üretiminde, t?p, sanayi ve ba?ka alanlarda radyoak-tif izotoplar?n elde edilmesinde geni? ölçüde yararlan?lmaktad?r.Çekirdek bölün-mesi, atom ve nötron bombalar?nda aç??a ç?kan çok büyük enerjininde kayna??n? olu?turur.



Bohr ve Wheeler’ in ara?t?rmalar?, uranyumda gözlenen çekirdek bölünmesinin, do?ada bol olarak bulunan uranyum –238’de de?il, do?al uranyumun ancak yüz-de 0,7’ sini olu?turan uranyum –235 izotopunda gerçekle?ti?ini belirledi ;bu bul-gu sonradan deneysel olarak do?ruland?.



Uranyum –235 yan? s?ra, plütonyum –239 ve uranyum –233’ ün bölünme tepki-mesine girebildikleri daha sonra belirlendi.













FÜZYON (Çekirdek Kayna?mas?)



Hafif elementlerin atom çekirdeklerinin daha a??r bir elementin çekirde?ini olu?

turmak üzere birle?mesi. Birle?en çekirdeklerin, küçük atom numaral? elementle

rin çekirdekleri olmas? durumunda, önemli ölçüde enerji aç??a ç?kar.



Çekirdek kayna?mas? yoluyla enerji üretimine göre çe?itli üstünlükleri vard?r. Çekirdek kayna?mas? ürünleri gibi radyoaktif olmad?klar?ndan, çevreye zararl? et

kide bulunmazlar. Ayr?ca, çekirdek kayna?mas?nda kullan?lacak temel yak?t olan döteryum, çekirdek birle?mesinde kullan?lan yak?tlara göre daha boldur. Uzman-lar çekirdek kayna?mas?ndan enerji üretimine ili?kin teknik güçlüklerin a??lmas? için daha y?llar gerekece?i kan?s?ndad?rlar.



Çekirdek kayna?malar? genel olarak iki türe ayr?l?r. Birinci türden çekirdek kay-na?mas?nda, hafif çekirdeklerdeki proton ve nötronlar, yeni bir grupla?mayla da-ha a??r çekirde?i olu?tururlar.



Örne?in, 2 tane döteron (döteryumun, yani hidrojen-2’ nin bir protonla bir nöt-rondan olu?an çekirde?i) kayna?arak bir helyum-3 çekirde?i olu?turur ve bir nöt-ron aç??a ç?kar. Ya da yine 2 tane döteron kayna?arak bir triton (trityumun, yani hidrojen-3’ ün bir protonla 2 nötrondan olu?an çekirde?i) olu?turur ve 1 proton aç??a ç?kar. Bu tepkimelerin birincisinde 3,3 milyon elektron volt (MeV), ikinci-sinde ise 4 MeV’ luk bir nerji aç??a ç?kar. Bu 1 gr döteryumdaki çekirdeklerin tü

münün kayna?arak helyum-3 olu?turmas? durumunda ortaya ç?kacak enerjinin 22.000 kW-sa dolay?nda olaca?? anlam?na gelir. ?kinci türden çekirdek kayna?-mas?nda protonlar ile nötronlar?n birbirlerine dönü?mesi söz konusudur. Bu tür-den tepkimeye örnek olarak 2 hidrojen çekirde?inin (bir ba?ka deyi?le 2 proto-nun) kayna?arak bir döteryum çekirde?i olu?turmas? ve bir pozitron (pozitif elek

tron) ile bir nötrinonun aç??a ç?kmas?d?r. Burada, tepkimeye giren protonlardan

bir tanesi nötrona dönü?ürken, bir pozitron ile nötrino olu?maktad?r. Kayna?ma tepkimesi ancak iki çekirde?in, birbirlerine, aralar?ndaki uzakl?k 10 cm olacak

kadar yakla?mas?yla gerçekle?ebilir. Çok k?sa erimli olan çekirdek kuvvetlerinin

her ikisi de pozitif yüklü olan çekirdekler aras?ndaki elektrostatik itme kuvvetini yenebilmesi ancak böylece olanakl? olur. Bu itme kuvvetinin çekirdeklerin birbir

lerine yakla?malar?n? engellemedeki etkinli?i nedeniyle, denetimli çekirdek kay-na?mas?, ancak elektriksel yükü en küçük olan döteryum ve trityum çekirdekleri

için söz konusudur. Denetimli ?s? veren kayna?ma tepkimeleri döteryumdan ya

da döteryum-trityum kar???m?ndan olu?an bir plazmay? (pozitif yüklü çekirdekler

ile elektronlardan olu?an gaz) milyonlarca Kelvin dereceli bir s?cakl??a yükselt-mekle gerçekle?tirilebilir.Böylesine yüksek bir s?cakl?kta plazma, kendisini olu?-turan parçac?klar?n ?s?l enerjisiyle tepkimeye girer. Bu enerji, tepkimenin kendi

kendine sürmesini sa?lamaya yeterlidir ve bu tepkimeden elektrik enerjisi elde edilir. Böyle bir zincirleme tepkimenin olu?abilmesi için, tepkimeye giren siste-min kapal? bir hacimde s?n?rlanmas? gereklidir ; ama böylesine yüksek s?cakl?k-lara dayan?kl? bir yap? malzemesi bugüne de?in geli?tirilememi?tir. 1989’ da, e-lektrokimyasal bir pil içinde dü?ük s?cakl?k ve bas?nç ko?ullar?nda çekirdek kay-na?mas? tepkimesinin gerçekle?tirildi?i öne sürülmü?, ama so?uk füzyon olarak

adland?r?lan bu olgu, henüz kan?tlanamayan bir iddia olarak kalm??t?r.











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

1. Çekirdek reaksiyonlar?nda çok büyük miktarda enerji ç?kar.

1. Kimyasal reaksiyonlarda ortamdan ?s? al?r veya verir.

2. Maddenin kimyasal haline ba?l?d?r.

2. Maddenin fiziksel haline ba?l?d?r.

3. Füzyon tepkimelerini ba?latmak için yüksek enerji gerekirken, fisyon tepkimeleri için böyle bir ihtiyaç yoktur.

3. Ekzotermik tepkimeleri genellikle kendili?inden gerçekle?en tepkimelerdir. Endotermik tepkimeler d??ardan ?s? alarak gerçekle?en tepkimelerdir.

4. Fisyon ve füzyon gerçekle?ti?i ortama enerji verir.

4. Ekzotermik gerçekle?ti?i kab?n s?cakl???n? artt?r?rken, endotermik s?cakl?-

??n? azalt?r.

5. Füzyon tepkimesinin aktifle?me enerjisi > Fisyon tepkimesinin aktifle?-

me enerjisi

5. Endotermik tepkimenin ileri aktifle?me enerjisi > Ekzotermik tepkimenin

geri aktifle?me enerjisi

[Constantin]

tskler