1. FİSYON NEDİR ?
Atom fiziğinde çekirdek fisyonu, bir atom çekirdeğinin daha küçük çekirdeklere bölündüğü çekirdek reaksiyonudur. Ağır metallerin fisyonu sonrasında gama ışınları ve çok hızlı parçacıklar olarak büyük miktarlarda enerji açığa çıkar. Çıkan enerji, kimyasal reaksiyonlarda ortaya çıkan enerjiden çok büyüktür. Fisyon, nükleer santrallerde ve atom silahlarında kullanılır.
2. FÜSYON NEDİR ?
Nükleer kaynaşma (füzyon), fizyonun (nükleer parçalanma) tersine, farklı iki element çekirdeğinin birleşerek daha ağır bir element atom çekirdeği oluşturmasıdır. Çekirdek Tepkimesi olarak da bilinen bu tepkimenin sonucunda çok büyük miktarda enerji açığa çıkar.
* Faydalı füzyon reaksiyonları
- D-T (döteryum-trityum) füzyon reaksiyonu
- D-D (döteryum-döteryum) füzyon reaksiyonu
* Füzyon için sağlanması gerekn şartlar
- Sıcaklık
- Hapsetme
- Lawson Kriteri
* Plazmanın Hapsedilmesi Metotları
* Magnetik Hapsetme
* Eylemsiz Hapsetme
FÜZYON REAKSİYONLARI
Bir füzyon reaksiyonundan öngörülen enerjinin elde edilmesi için
* reaksiyon düşük sıcaklıkta oluşmalı
* yüksek enerji açığa çıkmalı
* büyük bir tesir kesitine sahip olmalıdır
* tepkimeye girecek olan maddeler kolayca bulunabilmelidir
* plazmanın yeniden ısıtılması için yüklü parçacıklar elde edilemli
* farklı etkileşmeleri önlemek için enerjisi yüksek olan nötronlar açığa çıkmamalıdır
D-T Reaksiyonu
Döteryum bir proton ve bir nötrondan oluşan hidrojen çekirdeğinin bir izotopudur. Bilindiği gibi izotop proton sayısı aynı nötron sayısı farklı olan atom çekirdekleri için kullanılan bir tanımdır. Simgesel olarak 12H ţeklinde gösterilir.
Trityum bir proton ve iki nötrondan oluşan Hidrojen çekirdeğinin bir diğer izotopudur. Simgesel olarak 13H ţeklinde gösterilir. Döteryum- Trityum füzyon tepkimesi aşağıdaki şekilde meydana gelir.
Bu tepkimenin özellikleri :
* Büyük tesir kesitine sahiptir
* Gerekli olan sıcaklık 4.4 keV�dir. 1 eV yaklaşık olarak 11600 K� dir. Yaklaşık olarak bu sıcaklık değeri 51040000 K� lik bir sıcaklık demektir.
* Ortaya çıkan enerji 17.6 MeV gibi yüksek bir enerjidir.
* 3.5 MeV� lik enerjiye sahip olan Helyum çekirdeği başka bir deyişle alfa parçacığı plazmanın yeniden ısıtılması için kullanılır.
D-T reaksiyonunun gerçekleştirilmesinde aşağıdaki problemlerle karşılaşılır.
* Trityum kolayca bulunan bir yakıt değildir. Oldukça ender bulunan Lityum çekirdeği izotoplarından aşağıdaki reaksiyonlar sonucu elde edilir.
Bu tepkimeler füzyon reaktörünü çevreleyen bir lityum tabakası ile nötronların etkileşmesi sonucu elde edilir ve ürünler direk olarak tepkimeye sokulabilir.
* D-T reaksiyonu sonucu açığa çıkan enerjisi yüksek olan nötronların rekatör ile etkileşmeye girerek reaktöre zarar vermesi maliyetin artmasına neden olur.
D-D Reaksiyonu
İki döteryum çekirdeğinin direk olarak reaksiyona girmesiyle meydana gelen füzyon reaksiyonudur. Ve aşağıda gösterildiği şekilde meydana gelir.
* D-T reaksiyonundan daha düţük bir tesir kesiti yan
i reaksiyon oranına sahiptir. Ve dolaylı olarak bu olumsuz bir durumdur.
* 48 keV gibi yüksek bir sıcaklıkta meydana gelir.
* Füzyon reaksiyonu başına açığa çıkan enerji yaklaşık olarak 4 MeV kadardır.
* Yakıt deniz suyundan kolayca elde edilebilir.
D-D ve D-T füzyon reaksiyonlarının kıyaslanması
* D-T reaksiyonunun tesir kesiti D-D reaksiyonuna kıyasla daha büyüktür.
* D-T reaksiyonu daha düşük sıcaklıkta meydana gelir.
* Ticari olarak düţünülen füzyon tepkimesi maliyeti düţük olduđ
undan D-D reaksiyonudur.
Lawson Kriteri
* Plazmanın dağılmadan hapsedilmesi için gerekli zamanın ve plazma yoğunluğunun ilişkisini tanımlar
* Plazmanın dağılmaması için �Dışarı Çıkan Güç� =�İçeri Giren Güç� olmalıdır.
* D-T plazması için
nd döteryum iyonları yoğunluğu ve nt trityum iyonları yoğunluğu toplamının ne elektron yoğunluğu toplamına eşit olması gerekir.
nD+nT=ne ve nT=nD olmalıdır. Bu son eşitlik plazmanın toplam elektriksel yük açısından nötr olması gerekliliğinden sağlanması gerekir,
* Plazma içinde üretilen güce karşı resaksiyonu başlatmak için plazmayı ısıtmakta kullanılan güç dengeli olmalıdır.
- Plazma içindeki reaksiyon oranı G =nD+nT ile tanımlanır.
- Eğer her füzyonda E kadarlık enerji üretilirse plazma içinde üretilen füzyon gücü;
Pfüzyon=(n/2)(n/2)s VE=(n2/4)s E j/s/cm3 olmalıdır bu plazma içinden dışarı çıkan güçtür.
- Eğer plazma bir T sıcaklığına sahipse toplam enerjisi
Etermal=(ne+nD+nT)(3/2)kT=3nkT dir.
Plazma enerjisinde bir t hapsetme süresi boyunca düzenli oranda kaybedilen enerji
Pkayıp=(3nkT)/t j/s/cm3 �dir.
Bu durumda içeri giren güç ve dışarı çıkan güç için sahip olunan ifadeler
Pfüzyon>Pkayıp ise nt >(12kT)/ (sVE)
Bu eşitsizlik Lawson Kriteri olarak anılır. Bu ifade plazmanın dağılması için gereken hapsedilme süresini ve hapsedilmesi gereken parçacık sayı yoğunluğunu verir.
* D-T reaksiyonu için nt >3.1020 sn/cm3�dür.
* D-D reaksiyonu için bu değer nt
>1022 sn/cm3 mertebesindedir.
Füzyon tepkimeleri Güneş'te her an doğal olarak gerçekleşmektedir. Güneş'ten gelen ısı ve ışık, hidrojen çekirdeklerinin birleşerek helyuma dönüşmesi ve bu dönüşüm sırasında kütle kaybı karşılığı enerjinin ortaya çıkması sayesinde meydana gelmektedir. Kütle kaybının karşılığı enerjinin büyüklüğü Einstein'in ünlü E = mc² formülüyle rahatlıkla hesaplanabilir.
Çekirdek reaksiyonları genel olarak bir kütle kaybı ile gerçekleşir ve bu kütle kaybı da, 1905 yılında Einstein tarafından önerilen meşhur E=mc2 eşitliğine göre(E:enerji, m:kütle, c:ışık hızı) enerjiye dönüşür. Bu enerji olağanüstü büyüklükte bir enerjidir. Mesela 1 g kütle enerjiye dönüşürse, 22x109 kcal’ye eşdeğer bir enerji açığa çıkar ki, bu enerji yaklaşık olarak 2500 ton iyi kaliteli kömürün (ısı değeri 8 000 kcal/kg) verebileceği enerjiye veya 20 ton TNT’nin patlamasıyla açığa çıkan enerjiye eşittir.
Nükleer silahlar nükleer enerjinin, büyük miktarlarda ve ani denilebilecek kısa sürelerde, kontrolsüz şekilde üretimine dayalıdır.Nükleer enerjiyse, çekirdek parçalanması (fisyon), ya da çekirdek birleşmesi (füzyon) yoluyla elde edilir. Fisyon olayında, örneğin U-235 gibi bir çekirdek, nötron bombardımanına tabi tutulduğunda, bir nötron tutarak parçalanır ve 2 ya da 3 nötron çıkarır.Böyle çekirdeklerin, parçalanabilir yada 8216;’fisil’’ olduğu söylenir.Açığa çıkan nötronlardan bazıları, ortamın dışına kaçarak ya da ilgisiz çekirdekler tarafından yutularak ‘ziyan’ olurken, bazıları diğer U-235 çekirdeklerine çapıp yeni fisyonlara yol açar.Eğer bir uranyum kütlesinde ortalama olarak, fisyona yol açan her nötron başına açığa çıkan nötronların; ‘birden fazlası, biri ya da birden azı’ tekrar fisyona yol açabiliyorsa, o uranyum kütlesinin ‘süperkritik, kritik ya da alt kritik’ olduğu söylenir. Geometrisine ve kimyasal bileşimine bağlı olarak, olası en küçük kritik kütle 7-8 kg düzeyindedir.Uygun bir şekilde hazırlanması gereken böyle bir kütlede, her fisyon bir yenisine yol açar ve ‘zincirleme reaksiyon’ aynı düzeyde devam eder.
Süperkritik bir kütledeyse, her fisyon birden fazla yenisine yol açtığından, fisyonların sayısı çığ gibi artar.Büyüyen bir ‘zincirleme reaksiyon’ oluşur ve fisyon başına açığa, 200 milyon elektronvolt enerji çıkar.Kömürün yanmasından elde edilen enerjiyse, karbon atomu başına 4 elektronvolt kadar.Dolayısıyla 1 gram U-235’in fisyonu, 2,5 ton kömüre eşdeğer.
Fakat doğada bulunan uranyumun, sadece %0.71 kadarı U-235’ten, kalanıysa, parçalanmayan bir izotop olan U-238’den oluşur.Dolayısıyla doğal uranyumdaki 235 bileşeninin, hele bomba yapılmak isteniyorsa, % 90’lar düzeyinde zenginleştirilmesi gerekiyor. Zenginleştirme yöntemlerinden birisi, ‘gaz difüzyonu’ yöntemi.Normal şartlar altında metal olan uranyum, UF6 gazı haline getirilir ve bir kabın, aralarında gözenekli bir zar bulunan iki bölmesinden birine konup, yüksek basınç altında sıkıştırılır.Gaz moleküllerinden U-235 içerenler, diğerlerine göre daha hafif olduklarından, herhangi bir sıcaklıkta daha hızlı hareket eder ve zarın diğer tarafına sızmakta daha başarılı olurlar.Dolayısıyla diğer bölmedeki U-235’li molekül konsantrayonu, az biraz artar.Kayda değer bir zenginleştirme için bu sürecin binlerce kez tekrarlanması, böylesine kaplardan binlercesinin art arda kullanılması gerekir.Böyle bir tesiste, yılda tonlarca zenginleştirilmiş uranyum üretilebilir.Fakat basınçlamanın gerektirdiği güç binlerce MW, kap sisteminin tesis maliyeti milyar dolar düzeyindedir.Oysa, bir nükleer bombanın yapımı için onlarca kilogram zengin uranyum gerekir.Zengin uranyumu az miktarlarda elde etmenin daha ucuz yolları vardır.
Bir başka zenginleştirme yöntemi, uranyum izotoplarının, aynı frekanstaki lazer atımları karşısında verdikleri farklı tepkiye dayanır.Buysa zahmetli ve yavaş çalışan bir yöntem. Malzemeyi küçük miktarlarda ve yavaş yavaş elde etmenin bir diğer yolu, uranyum izotoplarını iyonlanlaştırıp bir manyetik alanın üzerinden geçirmek.Aynı hızla hareket etmekte olan iyonlar manyetik alanldan geçerken, daha ağır olanlar daha küçük, hafif olanlarsa daha büyük yarıçaplı daireler üzerinden saptırılır ve karşıdaki bir ‘’ toplayıcı levha’ nın farklı yerlerine düşerler.Bu, fakirin zenginleştirme yöntemidir.Ancak sabır gerektirir.Çünkü gün boyunca hedef levhasında, gram düzeyinde az ürün birikir.
Parçalanmaya yakın bir diğer ‘fisil’ çekirdekse, Pu-239 izotopu.Ancak, pülütonyum doğal bie element değil.Nükleer reaktörlerde, U-238 izotopunun bir nötron yuttuktan sonra bozunması sonucu oluşur.Farklı bir element olduğundan, uranyumdan kimyasal yöntemlerle ayrıştırılabilir ve zenginleştirme işlemi gerektirmez.Fakat eldesi için, hazırda çalışan bir nükleer reaktörün bulunması ve yakıtına uygun zamanlamalarda müdahale edilmesi gerekir.Halbuki, bomba malzemesi olarak zenginleştirilmiş uranyum ya da plütonyum elde etmenin en kestirme yolu, bu malzemeyi, nükleer santralarla hizmet veren yakıt işleme tesislerinden almak ya da çalmak.
Fisil malzeme elde edildikten sonra bomba yapması, görece kolay bir iş. İlkel bir nükleer bomba, bir araya geldiklerinde süperkritik olacak olan iki altkritik uranyum kütlesini bir topun namlusuna yerleştirip, birini diğerine doğru ateşlemekle yapılabilir.Sonuç, büyük bir patlamaya yol açan süperkritik bir kütledir ve açığa çıkan toplam enerjiye ‘bombanın verimi’ denir.Hiroşima’ya atılmış olan bomba böyle bie düzenekten oluşmuştur.Ancak ‘top tipi bomba’ fazla uranyum gerektirir; ağır ve hantal, hem de düşük verimlidir.Bir diğer yöntem; süperkritik bir fisil malzeme küresinin etrafına güçlü patlayıcılar yerleştirip, bu patlayıcıları fevkalade simetrik bir eşzamanlı biçimde patlatarak, küreyi homojen bir şekilde, çok daha süperkritik küçük bir küreye ‘göçertmek’.Bu tip bir ‘göçertme aygıtı’nda, Pu-239 tercih edilmekle birlikte, U-235 de kullanılabilir.Yöntemin, fisil malzeme sağlamadan sonraki en zor tarafı, patlamaların eş zamanlılığını sağlayan elektronik devre elemanlarının yapımı ya da ele geçirilmesi.Fakat zahmetine de değer: Bomba küçük, verimi yüksek olur.
Füzyon olayıysa, hidrojen ya da hidrojenin izotopları olan döteryum ve trityum çekirdeklerinin birleşmesine dayalıdır.Bu çekirdeklerin kaynaşması, birim ağırlık başına fisyondan bile daha fazla enerji açığa çıkarır.O kadar ki, 1 gram hidrojen yaklaşık 50 ton kömüre eşdeğerdir.Ancak, çekirdeklerin kaynaştırılabilmeleri için, çok yüksek hızlarla çarpıştırılmaları gerekirYeterince yüksek sıcaklıktaki hidrojen gazında, her bir yöne doğru hareket etmekte olan atomlar, yeterince yüksek sıcaklıktaki hidrojen gazında, her bir yöne doğru hareket etmekte olan atomlar, yeterince yüksek hızlarla çarpışıp kaynaşabilirler. Nitekim, güneşin merkezindeki sıcaklık 15 milyon dereceyi buluyor ve buradaki hidrojen çekirdekleri, yüksek basıncında yardımıyla füzyona uğrayarak, güneşe ışıdığı enerjiyi sağlıyorlar.Ancak, yeryüzünde basınç çok daha düşük olduğundan, hidrojenin füzyonu için gereken sıcaklık çok daha yüksek ve 100 milyon derecenin üstüne çıkılması gerekiyor.Bu yüzden <<hidrojen bombası>>nın yapımında, füzyonu biraz daha kolay olan döteryumla trityum tercih edilir.Döteryum normal sudaki hidrojen atomları arasında, 1/66 oranında bulunuyor ve fiziko kimyasal yöntemlerle ayrıştırılabiliyor.
Trityum’sa Li-6 (lityum) izotopunun nötron bombardımanına tabi tutularak, helyum ve trityuma parçalanmasıyla elde edilebilir.Ancak tirtyum; normal şartlar altında uçucu, kaçıcı bir gaz.Hem de, görece kısa bir yarılanma ömrüyle kendiliğinden bozunuyor.Dolayısıyla, önceden üretilip saklanması yerine, kullanımının hemen öncesinde ve sırasında üretimi tercih ediliyor.Bu amaçla döteryum lityum’la karıştırılır ve her ikisi birlikte, strofor ambalaj malzemesiyle kaplanır.Patlama anı geldiğinde, lityum nötron bombardımanına tabi tutularak trityum üretilir, bu trityumlar da, içerdeki döteryumlarla çarpışıp füzyona yol açarlar.Ancak ; lityumun bombardımanı için nötronlar, füzyon için de yüksek sıcaklıklar gerekir.Bunlarsa ‘birincil’ denilen bir uranyum ya da Plütonyum bombasının patlatılmasıyla elde edilir.Bu bombanın ürettiği ısınma etkisi, yani termal şok, görece yavaş yayılır ve füzyon düzeneğine ulaşana kadar , düzeneğin dağılması olasılığı belirir.Halbuki, yayınlanan gama ışınları ışık hızıyla hareket eder. Ve strafor bunları emerek, içindeki karışımın ısınmasını sağlar.Bir yandan da, birincil bombanın basınç şoku füzyon karışımını dışardan ve her yandan homejen bir şekilde sıkıştırır, yaydığı nötronlar lityumu parçalayıp trityum açığa çıkarırlar.Karışımın sıcaklığı 100 milyon derecenin üstüne çıktığında , ‘ikincil’ füzyon bombası devreye girmiştir.
Nötron bombası, küçük bir hidrojen bombasıdır. Diğer nükleer silahlardan farkı, asıl öldürücü etkisinin, yaydığı nötronların yol açtığı radyasyon hasarından kaynaklanıyor olması. Bu özelliğiyle, ‘güçlendirilmiş radyasyon silahı’ olarakta adlandırılır. Patlamasının yol açacağı basınç ve ısı etkisi düşük olacak şekilde tasarlandığından, civardaki binalar ve sanayi tesisleri gibi fiziksel yapılar, patlamadan daha az etkilenir. Öte yandan, nötronlar fazla uzaklara yayılamadığından, bu silahın öldürücü menzili ötekilere göre kısadır.
Nükleer Silah Patlama Görüntüleri (Tam Boyutları İçin Resimlerin Üzerine Tıklayın) :
