Nükleer enerjinin temeli atomların gücünü kontrol altına alıp bu gücü kullanmaya dayanır. Hem fizyon hem de füzyon atomlar aracılığıyla enerji oluşturmak için değiştirilmiş nükleer süreçlerdir, ancak ikisi arasındaki fark nedir? Basitçe söylemek gerekirse, fisyon bir atomun ikiye bölünmesidir. Füzyon ise iki hafif atomun nükleer reaksiyonlar sonucu birleşerek daha ağır bir atom oluşturmasıdır. Bu nedenle fisyon ve füzyon birbirinden çok farklı olan karşıt süreçlerdir. Fisyon’ nun kelime anlamı “parçaların ayrılması ya da yarılması” dır. Nükleer fisyon’ da atomlar yarılarak ısı enerjisi açığa çıkarırlar. Bir çekirdek bölünmesi gerçekleştirmek için mümkün olan bu şaşırtıcı keşif Albert Einstein’ nın kütlenin enerjiye dönüştürülebileceği öngörüsüne dayanır. 1939 yılında bilim insanları deneyler yapmaya başladı ve bir yıl sonra ilk nükleer reaktör Enrico Fermi’ nin yürüttüğü bir proje sonucunda Amerika Birleşik Devletleri’ nin Chicago, Illinois kentinde kuruldu.
Kararsız izotoplar (proton sayıları aynı ancak nötron sayıları farklı atomlar) çok hızlı parçacıklar (çoğunlukla nötronlar) tarafından bombardımana tutulduğunda nükleer fisyon gerçekleşir. Bu nötronlar hızlandırılır ve daha sonra karasız izotopa çarparak fisyon’ a neden olur veya daha küçük parçacıklara ayrılırlar. Bu işlem boyunca nötron hızlandırılıp hedef çekirdeğe çarpar. Bu hedef çoğunlukla nükleer güç reaktöründeki Uranyum-235’ dir. İşlem sonucunda hedef çekirdek bölünüp, üç tane yüksek hızlı nötrona ve daha küçük iki izotopa (fisyon ürünleri) ayrılır ve çok miktarda da enerji açığa çıkarır. Bu ortaya çıkan enerji daha sonra nükleer reaktörde su ısıtmak için kullanılır ve sonuç olarak elektrik üretir. Reaksiyon sonucu ortaya çıkan yüksek hızlı elektronlar diğer fisyon reaksiyonları veya zincir reaksiyonları başlatan mermiler haline gelir.
Füzyon’ nun kelime anlamı “bir bütün olan ayrı parçaların birleşmesi” dir. Nükleer füzyon “atomik çekirdeklerin birleşerek daha ağır çekirdekler oluşturması sonucu çok büyük miktarda enerjinin serbest bırakılması” olarak tanımlanır. Son derece büyük basınç ve sıcaklık altında düşük kütleli izotopların, tipik olarak hidrojen izotopları, birleşmesiyle füzyon olayı meydana gelir. Füzyon güneşte ortaya çıkan enerjinin kaynağıdır. Trityum ve döteryum atomları (hidrojenin izotopları: hidrojen-3 ve hidrojen-2) bir helyum izotopu ve bir nötron oluşturmak için çok yüksek basınç ve sıcaklık altında birleşirler. Bununla yanısıra, muazzam miktarda enerji açığa çıkar.
Fisyon ağır, kararsız bir çekirdeğin daha hafif iki çekirdeğe parçalanmasıdır ve füzyon ise iki hafif çekirdeğin birleşip büyük miktarda enerji açığa çıkardığı bir süreçtir.
Cevabın daha iyi anlaşılması için yaptığım tanımlama kısmını bitirdikten sonra şimdi sorunun cevabını verelim.
Birbirine zıt iki durum olan füzyon ve fisyonda açığa çıkan nükleer enerjinin sebebi çekirdek tepkimeleridir yani nükleer reaksiyon.
Nükleer reaksiyon veya çekirdek tepkimesi, iki atom çekirdeğinin veya bir atom çekirdeğiyle atom dışından bir atomaltı parçacığın çarpışarak bir veya daha fazla yeni nüklide dönüşmeleri. Bu gibi reaksiyonlarda yer alan atomaltı parçacıklar proton, nötron veya yüksek enerjili elektron olabilir. Kimyasal reaksiyondan farkı, kimyasal reaksiyonların atomların elektronları arasında gerçekleşmesidir. Çekirdek tepkimesi sonucunda eğer proton sayısı değişiyor ise farklı bir elemente ait bir atom oluşmuş olur. Bir reaksiyonun nükleer reaksiyon sayılabilmesi için en az bir nüklidin başka bir nüklide dönüşmesi gerekir; böyle bir dönüşüm gerçekleşmezse yaşanan çarpışma sürecine saçılma adı verilir. Spontane olarak gerçekleşen radyoaktif bozunma, nüklit değişimine yol açsa da nükleer reaksiyon olarak kabul edilmez.
Nükleer reaksiyonların araştırılması nükleer fizik ve parçacık fiziği alanlarının konusudur. Nükleer reaksiyonlar enerji endüstrisinde (nükleer reaktörlerde) ve nükleer tıpta kullanılan radyonüklidleri oluşturmak için kullanılır. Fisyon reaksiyonlarında fisil materyalde zincirleme nükleer reaksiyon yaşanabilir. Doğal olarak gerçekleşen nükleer reaksiyonlar arasında yıldızların enerji üretimini sağlayan füzyon reaksiyonları bulunur.
Nükleer reaksiyonlar aşağıdaki şekilde ifade edilir:
Burada verilen reaksiyon, lityum-6 ve döteryum (hidrojen-2) arasında gerçekleşip iki lityum-4 atomunun oluşmasına yol açmaktadır. Bu ifade şeklinde iki tarafın elektriksel yükü ve baryon sayısı (nihai atomik kütle numarası) korunmalıdır.
Nükleer reaksiyonlar enerjinin korunumu yasasıyla sınırlanır. Ekzotermik bir reaksiyonda kinetik enerji salınımı yapılır, endotermik bir reaksiyonun gerçekleşmesi için sisteme kinetik enerji verilmesi gerekir. Bu sürecin hesaplaması parçacıkların duruk kütleleri kullanılarak yapılır. Yukarıdaki örnekte lityum-6 çekirdeğinin duruk kütlesi 6.015 atomik kütle birimidir ("u" olarak kısaltılır), döteryumunki 2.014u ve helyum-4'ünki 4.0026u'dur. Bu durumda:
reaksiyona giren iki çekirdeğin toplam duruk kütlesinin toplamı = 6.015u + 2.014u = 8.029u
iki helyum-4 çekirdeğinin duruk kütlesinin toplamı = 2 × 4.0026u = 8.0052u
"kayıp" duruk kütle = 8.029u – 8.0052u = 0.0238u
Enerjinin korunumu yasası çerçevesinde buradaki "kayıp" kütle reaksiyon sırasında kinetik enerji olarak salınmış olmalıdır. Bu enerjinin kaynağı nükleer bağ enerjisidir. Kayıp enerji kütle-enerji denkliği prensibi ve Albert Einstein'ın E = mc² formülü kullanılarak hesaplanabilir.
Kaynaklar
- Yazar Yok. Fizyon Ve Füzyon Arasındaki Fark Nedir ?. (5 Nisan 2020). Alındığı Tarih: 5 Nisan 2020. Alındığı Yer: Bağlantı | Arşiv Bağlantısı
- Yazar Yok. Çekirdek Tepkimesi. (5 Nisan 2020). Alındığı Tarih: 5 Nisan 2020. Alındığı Yer: Bağlantı | Arşiv Bağlantısı
