Çekirdek Reaksiyonları

Çekirdek reaksiyonlarında çok büyük enerji açığa çıkması fisyon ve füzyon tep-kimeleriyle gerçekleşir.

FİSYON (Çekirdek Bölünmesi)

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

Doğada geçerli temel ilkelerden biri, her sistemin, engelleyici bir etki bulunma-dığı sürece, potansiyel enerjisinin en alçak düzeyde olacağı biçimi alacağını ön-görür.

Örneğin,bir dağın tepesinde bulunan su,engellenmediği sürece, aşağı doğru akar
Böylece potansiyel enerjisi giderek azalır ve kinetik enerjiye dönüşür. 1905' te
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 bö-lünürse, oluşacak iki çekirdeğin kütlelerinin toplamı, bölünen çekirdeğin kütle-sinden daha küçük olur ; bir başka deyişle iki çekirdekten oluşan yeni sistem da-ha 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 oluş-turan iki tür kuvvet arasındaki büyük nitelik farkıdır. Protonlar ve nötronlar ara-sında etkiyen ve çok kısa erimli bir çekme kuvveti olan çekirdek kuvvetiyle yal-nızca protonlar arasında etkiyen daha uzun erimli elektrostatik (Coulomb) itme
kuvveti, çekirdek bölünmesinin gerçekleşebilmesi için aşılması gereken bir po-tansiyel duvarı oluşmasına yol açar.Önüne set çekilen suyun aşağı doğru akama-masına benzeyen bu olguda, aşılması gereken bu potansiyel duvarına (bölünme-ye uğrayabilmesi için çekirdeğe verilmesi gereken ek enerjiye)“bölünme engeli”
denir. Periyodik tabloda yukarı doğru çıkıldıkça, bir başka değişle daha ağır ele-mentlere doğru gidildikçe bu engel alçaldığından, ağır çekirdeklerin bölünmesi
daha kolay gerçekleşebilir.

Bir çekirdeğin bölünmeye uğraması iki yolla gerçekleşebilir. Suyun aşağı akışı-nı engelleyen duvarda bir delik açılmasına benzetilebilecek olan “kendiliğinden
çekirdek bölünmesi” olayı, doğada kendiliğinden ama çok seyrek olarak gerçek-leşir. Bölünme için gereken ek enerjinin çekirdeğe dışardan, örneğin çekirdeğin soğuracağı bir nötron aracılığıyla verilmesi yoluyla gerçekleştirilebilen bölünme
ise,suyun düzeyinin,önündeki seti aşabilecek biçimde biraz yükseltilmesine ben-zetilebilir.Bu tür bölünme,nötron soğurulmasıyla sağlanabileceği gibi,başka par-


çacıkların (örnek: proton, alfa parçacığı, gama ışını) soğurulması yoluyla da ger-çekleşebilir.

Çekirdek bölünmesinde yer alan olaylar dizisi altı aşamada ele alınabilir. Ağır çekirdek, bir parçacık (örnek: bir nötron) soğurarak ek enerji alır, bu da çekirde-ğin biçiminde hızlı değişmelere yol açar (1. aşama). Bu titreşimler sonucunda,
çekirdek, adı verilen uzamış bir biçim alır (2. aşama). Bu aşamada çekirdekteki
kuvvetler geçici bir denge durumundadır ; çekirdek eğer biraz büzülürse, bölün-mez ve fazla enerjisinin, örneğin gama ışınımı 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 bö-lünme parçaları, önemli düzeyde enerji fazlası içerirler ve ilkin “gecikmesiz nöt-ron” olarak adlandırılan nötronlar sağarak (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 adlandırıl-ması, bunları, daha sonra ortaya çıkanlardan ayırt edebilecek içindir. Ortaya çı-kan 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 ge-cikmiş nötronlar salarak, birkaç saniye ile birkaç yıl arasında değişen bir süre i-çinde, karalım izotoplara dönüşürler (6.aşama). Çekirdek bölünmesi, ağır çekir-değe gerekli enerji fazlasını verebilen herhangi bir parçacık yardımıyla gerçek-leştirilebilir. Pozitif yüklü çekirdeğe en kolay girebilen parçacılar, elektrik yükü
taşıyan nötronlardır. Bölünmenin enerji açığa çıkaran bir süreç olmasının nede-ni ise,bölünmede ortaya çıkan gecikmesiz nötronlardır, çekirdeklere girerek yeni
bölünmelere yol açarlar. Böylece bir kez başlatılan bölünme süreci kesintisiz sü-
rebilir. Bu süreç zincirleme tepkime olarak adlandırılır. Bir uranyum -235 çekir-değinin bir ısıl nötron soğurarak 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 oluşabil-mesi için çoğalma çarpanın 1' den büyük olması gerekir. Eğer bu sayı 1' den e-peyce büyükse (örnek: 2 ise), çekirdek bölünmelerinin sayısı yaklaşık her 10 sa-niyede ikiye katlanır ve bir nükleer patlama ortaya çıkar ; bu, atom bombasının
temelini oluşturur. Çekirdek enerjisinin denetimli olarak elde edildiği nükleer re-aktörlerde 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 miktar-daki enerjidir.Bir çekirdeğin bölünmesinde yaklaşık 2.10 eV'lik (elektro voltluk)


enerji açığa çıkar ; bu, 1 gram uranyum -235' ten, bölünme yoluyla elde edilebi-lecek enerjinin 20.000 kilovat-saat dolayında olması anlamına gelir. Çekirdek bölünmesi,büyük ölçekli enerji açığa çıkaran üç tür çekirdek tepkimesinden biri-dir. Öteki iki tepkime türü, radyoaktif bozunum ve çekirdek kaynaşmasıdır. Bö-lünme enerjisinden, elektrik üretiminde, tıp, sanayi ve başka alanlarda radyoak-tif izotopların elde edilmesinde geniş ölçüde yararlanılmaktadır.Çekirdek bölün-mesi, 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 yüz-de 0,7' sini oluşturan uranyum -235 izotopunda gerçekleştiğini belirledi ;bu bul-gu sonradan deneysel olarak doğrulandı.


Uranyum -235 yanı sıra, plütonyum -239 ve uranyum -233' ün bölünme tepki-mesine girebildikleri daha sonra belirlendi.

FÜZYON (Çekirdek Kaynaşması)


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


Çekirdek kaynaşması yoluyla enerji üretimine göre çeşitli üstünlükleri vardır. Çekirdek kaynaşması ürünleri gibi radyoaktif olmadıklarından, çevreye zararlı et
kide bulunmazlar. Ayrıca, çekirdek kaynaşmasında kullanılacak temel yakıt olan döteryum, çekirdek birleşmesinde kullanılan yakıtlara göre daha boldur. Uzman-lar çekirdek kaynaşmasından enerji üretimine ilişkin teknik güçlüklerin aşılması için daha yıllar gerekeceği kanısındadırlar.


Çekirdek kaynaşmaları genel olarak iki türe ayrılır. Birinci türden çekirdek kay-naşmasında, hafif çekirdeklerdeki proton ve nötronlar, yeni bir gruplaşmayla da-ha ağır çekirdeği oluştururlar.

Örneğin, 2 tane döteron (döteryumun, yani hidrojen-2' nin bir protonla bir nöt-rondan oluşan çekirdeği) kaynaşarak bir helyum-3 çekirdeği oluşturur ve bir nöt-ron açığa çıkar. Ya da yine 2 tane döteron kaynaşarak 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), ikinci-sinde ise 4 MeV' luk bir nerji açığa çıkar. Bu 1 gr döteryumdaki çekirdeklerin tü
münün kaynaşarak helyum-3 oluşturması durumunda ortaya çıkacak enerjinin 22.000 kW-sa dolayında olacağı anlamına gelir. İkinci türden çekirdek kaynaş-masında protonlar ile nötronların birbirlerine dönüşmesi söz konusudur. Bu tür-den tepkimeye örnek olarak 2 hidrojen çekirdeğinin (bir başka deyişle 2 proto-nun) kaynaşarak bir döteryum çekirdeği oluşturması ve bir pozitron (pozitif elek
tron) ile bir nötrinonun açığa çıkmasıdır. Burada, tepkimeye giren protonlardan
bir tanesi nötrona dönüşürken, bir pozitron ile nötrino oluşmaktadır. Kaynaşma tepkimesi ancak iki çekirdeğin, birbirlerine, aralarındaki uzaklık 10 cm olacak
kadar yaklaşmasıyla gerçekleşebilir. Çok kısa erimli olan çekirdek kuvvetlerinin
her ikisi de pozitif yüklü olan çekirdekler arasındaki elektrostatik itme kuvvetini yenebilmesi ancak böylece olanaklı olur. Bu itme kuvvetinin çekirdeklerin birbir
lerine yaklaşmalarını engellemedeki etkinliği nedeniyle, denetimli çekirdek kay-naşması, ancak elektriksel yükü en küçük olan döteryum ve trityum çekirdekleri
için söz konusudur. Denetimli ısı veren kaynaşma tepkimeleri döteryumdan ya
da döteryum-trityum karışımından oluşan bir plazmayı (pozitif yüklü çekirdekler
ile elektronlardan oluşan gaz) milyonlarca Kelvin dereceli bir sıcaklığa yükselt-mekle gerçekleştirilebilir.Böylesine yüksek bir sıcaklıkta plazma, kendisini oluş-turan parçacıkların ısıl 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 siste-min kapalı bir hacimde sınırlanması gereklidir ; ama böylesine yüksek sıcaklık-lara dayanıklı bir yapı malzemesi bugüne değin geliştirilememiştir. 1989' da, e-lektrokimyasal bir pil içinde düşük sıcaklık ve basınç koşullarında çekirdek kay-naşması tepkimesinin gerçekleştirildiği öne sürülmüş, ama soğuk füzyon olarak
adlandırılan bu olgu, henüz kanıtlanamayan bir iddia olarak kalmıştır.

ÇEKİRDEK REKSİYONLARIYLA KİMYASAL REAKSİYONLAR 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 tep-
kimeleri için böyle bir ihtiyaç yoktur.

1. Ekzotermik tepkimeleri genellikle kendiliğinden gerçekleşen tepkimeler-

dir. Endotermik tepkimeler dışardan ısı alarak gerçekleşen tepkimelerdir.

1. Fisyon ve füzyon gerçekleştiği ortama enerji verir.

1. Ekzotermik gerçekleştiği kabın sıcaklığını arttırırken, endotermik sıcaklı-

ğını azaltır.
5. Füzyon tepkimesinin aktifleşme enerjisi > Fisyon tepkimesinin aktifleş-
me enerjisi
5. Endotermik tepkimenin ileri aktifleşme enerjisi > Ekzotermik tepkimenin
geri aktifleşme enerjisi