Çekirdek bölünmesinde,
serbest bir nötronla çarpışma sonucu atom çekirdeği çeşitli parçacıklara
ayrılır. Bütün bu parçacıkların toplam kütlesi, başlangıçta "hedef"
alınan atom ile buna çarpan nötronun toplam kütlesinden daha azdır. Aradaki
fark enerji biçiminde açığa çıkar. Bu olguyu ilk olarak 1905'te Albert Einstein
belirledi ve E^mc2 formülüyle tanımladı. Bu formüle göre, açığa çıkan
enerji (£"), kaybolan kütle (m) ile ışık hızının karesinin (c2)
çarpımına eşittir. Işık hızı (c) çok büyük olduğundan, kütle kaybı çok küçük
olsa bile açığa çıkan enerji miktarı çok fazladır.
Atom
çekirdeği bölünebilen elementlere "bölünebilir element" denir. Doğada
bulunan tek bölünebilir element uranyumdur. 1938'de iki Alman bilimci, Otto Hahn ve
Fritz Strassmann, nötronlarla bombardıman ederek (döverek) uranyum atomunu
bölıpeyi başardılar. Gene Alman bilimciler Lise Meitner ve Otto Frisch ise, uranyum
çekirdeğinin iki parçaya bölündüğünü kanıtladılar. Bir süre sonra bir grup
Fransız bilimci, çekirdek bölünmesi sonucunda yalnızca daha hafif iki element
ile çok miktarda radyoaktif ışıma (radyasyon) değil, bunların yanı sıra başka
serbest nötronların da ortaya çıktığını buldu. Bu nötronların bu kez çevredeki
öbür uranyum atomlarında çekirdek bölünmesine yol açacağı, böylece ortaya çıkacak
yeni nötronların bütün uranyum atomlarına yayılacak bir "zincirleme
tepkime" yaratabileceği ve sonuçta çok büyük bir enerj iin ortaya
çıkacağı anlaşıldı.
Çekirdek
bölünmesi sonucunda açığa çıkan enerjinin etkisiyle parçacıklar çok büyük bir
hız kazanır; bu parçacıklar çevredeki maddenin atomlarıyla çarpıştıkça
yavaşlarlar ve böylece hareket enerjileri ısıya dönüşür. Bu ısı denetim altına
alınabilir ve örneğin bir elektrik santralındaki türbinlerin çalıştırılmasında
kullanılabilir ya da atom bombası ve nükleer savaş başlıklarında olduğu gibi,
büyük yıkıma neden olacak bir patlamayla çevreye salınabilir.
Uranyum doğada iki ana
biçiminin (izotopunun) bir karışımı halinde bulunur. Bu karışımın yüzde
99'undan çoğunu uranyum-238 (U-238), yüzde l'den daha azını da uranyum-235
(IJ-235) oluşturur. Buradaki rakamlar kütle numarasını, yani çekirdekteki
proton ve nötron sayılarının toplamını göstermektedir. U-238'in çekirdeğinde
üç nötron fazlası vardır ve bu nedenle iki izotop farklı fiziksel özelliklere
sahiptir. Yalnızca U-235'in atomları bölünebilir; U- 238'in atomları ise
doğurgandır, yani kolayca bölünmeye uğramazlar, ama yüksek hızdaki nötronları
soğurarak, daha ağır bir element olan plütonyum-239 atomlarına dönüşürler.
Plütonyumun bu izotopu ise bölünebilir özelliktedir. Hem uranyum, hem de
plütonyum nükleer reaktörlerde yakıt olarak kullanılır.
Yukarıda açıklandığı gibi,
uranyum atomlarının serbest nötronlarla dövülerek bölünmesi daha çok nötronun
oluşmasına neden olur ve bu da bir zincirleme tepkime biçiminde yeni çekirdek
bölünmelerine yol açar. Bu tür bir zincirleme tepkimeyi başlatabilecek en küçük
uranyum parçasına kritik kütle denir. Eğer,
her ikisi de kritik kütleden daha küçük iki uranyum parçası, kritik kütleden
daha büyük tek bir parça oluşturacak biçimde bir araya getirilirse, bunun
sonucunda olağanüstü boyutta bir patlama olur. Atom bombasının yapımı buna
dayanır.
Ama bir
zincirleme tepkime nükleer reaktörde denetim altına alınabilir. Bu tür ilk
reaktörü 1942'de İtalyan asıllı ABD'li fizikçi Enrico Fermi, Chicago
Üniversitesi'nde kurdu; kendi kendine ilerleyen ilk yapay zincirleme tepkime
de burada gerçekleştirildi. Bu reaktörde, zincirleme tepkimenin gerçekleştiği
bölüme reaktör kalbi adı verilmişti; katışıksız
bir karbon türü olan grafitten yapılmış reaktör kalbine, ince alüminyum
kapların içine yerleştirilmiş uranyum metali çubukları daldırılmıştı. Bir
çubuktan salınan nötronlar, grafitteki karbon atomlarıyla çarpışarak yavaşlıyor
ve yeniden başka bir çubuğa girerek bölünme tepkimesini sürdürüyordu. Kullanılan
malzemelerin o günden bugüne oldukça değişmesine karşılık, bir zincirleme
çekirdek tepkimesini denetim altında tutmanın temel ilkeleri, 1942'de Fermi'nin
uyguladıklarıyla hemen hemen aynı kaldı.
Nükleer Enerji Santralları
Nükleer enerji santralları,
kömürle çalışan termik santrallardan pek farklı değildir. Termik santrallarda
kömür yakılarak su kaynatılır, böylece elde edilen buhar gücüyle bir türbin
döndürülür ve türbin elektrik üretir. Nükleer enerji santrallarında ise,
gerekli ısı atomların bir reaktörde bölünmesiyle üretilir.
Reaktör Tipleri. Kullanılabilir miktarda enerji
üreten ilk reaktörler 1950'lerde İngiltere'deki Calder Hall'da kuruldu. Bu
reaktörler aslında askeri amaçla plütonyum üretmek ve nükleer enerji konusunda
deneyim kazanmak için kurulmuştu; bunlarda elektrik üretimine 1956'da başlandı.
Bu reaktörlerin yavaşlatıcıları, Fermi'nin reaktöründe olduğu gibi grafitti;
yakıt olarak, magnezyum alaşımından bir kap içine yerleştirilmiş doğal uranyum
metali kullanılıyor ve sistem basınçlı karbon dioksitle soğutuluyordu. Tepkime
sırasında oluşan ısıyı emen karbon dioksit bunu ısı değiştiricilerine taşıyor
ve ısı burada, elektrik üretmeye yarayan türbo alternatörleri çalıştıracak buharı
elde etmek için kullanılıyordu. Bu reaktörlere "magnox" tipi reaktör
denirdi; daha sonra bunların benzeri başka reaktörler yapıldı ve Geliştirilmiş Gaz Soğutmalı Reaktör (AGR) tipi
ortaya çıktı.
1950'lerin
başlarında ABD'li bilimciler, denizaltılarda güç kaynağı olarak kullanılmak
üzere küçük reaktörler geliştirme çabasına giriştiler. ABD'li yetkililerin
elinde çok miktarda zenginleştirilmiş uranyum (U-235 oranı artırılmış uranyum)
vardı; yavaşlatıcı olarak da grafit yerine su kullanmayı düşündüler. Aslında su
nötronları soğurur, yani içinde tutar ve zincirleme tepkimeyi sürdürmeye
yarayan nötronların sayıca azalmasına neden olur; ama nötronları yavaşlatmakta
grafitten daha etkilidir. Denizaltılar için küçük reaktörler yapmayı başaran
ABD'li bilimciler daha sonra, ucuz elektrik üretebilecek bir reaktör
geliştirmenin yollarını aramaya başladılar. Bu çalışmaların sonucunda iki ana
reaktör tipi tasarımı geliştirildi: Basınçlı Su
Soğutmalı Reaktör (PWR) ve Kaynar Sulu
Reaktör (BWR).
PWR tipi
reaktörlerde yakıt olarak, yaklaşık yüzde 3 oranında U-235 içerecek biçimde
zenginleştirilmiş ve özel alaşımdan yapılmış bir kutu içine yerleştirilmiş
uranyum dioksit kullanılır. Yavaşlatıcı ve soğutucu olarak da sudan
yararlanılır. Pompalanan su önce reaktörde dolaştırılır, sonra ısı
değiştiricisine aktarılır; reaktörde ısınan su, ısı değiştiricisindeki ikinci bir
su devresinde buhara dönüştürülür ve bu buhar elektrik üreten türbinleri
çalıştırır. BWR tipi reaktörde, reaktörün "kalp" bölümü, yani
zincirleme tepkimenin oluştuğu bölüm PWR'ninkiyle aynıdır; ama bunlarda ikinci
bir su sistemi yoktur ve reaktörün soğutma devresinden çıkan buhar doğrudan
türbinlere beslenir. Nükleer enerji üretmekte olan ülkelerin pek çoğunda PWR ya
da BWR tipi reaktörler kullanılır.
Reaktörün İçi. Modern nükleer reaktörlerde, yakıt
elemanları olan uranyum çubukları reaktörün içine demetler halinde
yerleştirilir. Çubuklar kafes biçiminde düzenlenir; böylece soğutma sıvısı ya
da gazının bunların arasından akarak ısıyı emmesi ve taşıması sağlanır. Yakıt
elemanlarının arasındaki kanallara, kolayca nötron soğurabilen ve böylece
zincirleme tepkimeleri durdurabilen bir maddeden (örneğin bordan) yapılmış
"denetim" çubukları yerleştirilir. Bu çubuklar bulundukları
kanallarda yükseltilip alçaltılarak enerji üretim miktarı denetim altında
tutulabilir. Bütün yakıt elemanları ve denetim çubukları yavaşlatıcı olarak
kullanılan malzemeye gömülmüş durumdadır. Yavaşlatıcı olarak grafit, su ya da
ağır su (bir hidrojen izotopu olan döteryum bakımından zengin su)
kullanılabilir. Reaktörün bu kalp bölümü, çekirdek bölünmesi sırasında ortaya
çıkan ışınımın (radyasyonun) dışarı sızmasını engellemek amacıyla çok kalın
bir beton ya da çelik kalkanla çevrilidir.
"Hızlı" Reaktörler. Her uranyum çekirdek
bölünmesi tepkimesinde iki ya da üç nötron serbest kalır. Oysa zincirleme
çekirdek bölünmesi tepkimesini sürdürebilmek için bunlardan yalnızca birine
gerek vardır ve sonuçta çok sayıda nötron "yedek" olarak kalır. Yedeklerden
bazıları kaçar; ama bunlar reaktör kalkanı, yavaşlatıcı ve çekirdeği
bölünemeyen U-238 tarafından tutulur. Geriye kalanlar da denetim çubuklarıyla
"temizlenir".
Daha önce
açıklandığı gibi, U-238'de tutulan nötronlar bu uranyum izotopunun çekirdeği
bölünebilir plütonyuma dönüşmesine neden olur. Plütonyum bir atık değil,
potansiyel değeri U-235'inkinden daha büyük olan bir yakıttır. Oluşan
plütonyumun bir bölümü, ısıl (yani ısı üreten, termik) reaktörlerde çekirdek
bölünmesine uğrar; ama kalanı, kullanılmış yakıtın yeniden işlenmesi sırasında
ayrılıp geri kazanılabilir. Ayrılan bu plütonyum taze yakıt çubukları haline
getirilebilir ve "hızlı" reaktörlerde kullanılabilir. Bu tür
reaktörlerin yavaşlatıcıları olmadığı için, bunlarda nötronların
yavaşlatılması söz konusu değildir. Ama plütonyum çok tehlikeli bir maddedir ve
taşınırken büyük özen gösterilmesi gerekir.
Hızlı
reaktörlerde aynı miktar uranyumla, "konvansiyonel" ısıl
reaktörlerdekine oranla 50-60 kat daha fazla enerji üretilebilir. Hızlı
reaktörlerde, ısıl nükleer reaktörlerden bir yan ürün olarak çıkan plütonyum
yakılabildiği gibi, çekirdeği bölünebilir olmayan ve ısıl reaktörlerce
"yakılamayan" U-238 de plütonyuma dönüştürülebilir; bu nedenle bu
tip reaktöre hızlı üretken reaktör de denir.
İlk
ticari amaçlı hızlı reaktör Fransa'nın güneybatısındaki Creys-Malville'de
kuruldu; Süper Phenix (Süper Anka) adı verilen bu reaktörde soğutucu olarak
sıvı sodyum kullanılmaktadır. SSCB ve İngiltere'de de elektrik enerjisi üreten
hızlı üretken reaktörler vardır.
Teknik
Güvenlik
Çekirdek bölünmesi olduğu
zaman bir dizi radyoaktif parçacık ortaya çıkar. Bu parçacıklar bozunur (parçalanır) ve ışınım (radyasyon)
yayarlar. Yayılan ışınım kansere ve gelecek kuşaklarda gen bozukluklarına yol
açabilir; vücuttaki dokuları tahrip ederek ölümlere neden olabilir. Nükleer reaktörler hem tesiste
çalışanların ışınıma uğrama tehlikesini hem de atmosfere ışınım sızmasını
olabildiğince azaltacak biçimde tasarımlanır ve yapılır. Ama gene de ışınım
sızıntıları olmuştur. Örneğin, İngiltere'nin kuzeyindeki Cumbria'da kurulu olan
Sellafield santralındaki sızıntılar, İrlanda Denizi'nde 1950'lerden bu yana ciddi
radyoaktif kirlenmeye yol açmıştır.
Yakın
zamanlarda ABD ve SSCB'de son derece ciddi nükleer santral kazaları oldu.
1979'da ABD'nin Pennsylvania eyaletindeki Harrisburg'ta kurulu olan Three Mile
Island reaktöründe, aşırı ısınmadan kaynaklanan kısmi bir kalp erimesi oldu ve
radyoaktif gazlar atmosfere kaçtı. Bundan daha da kötüsü, Nisan 1986'da SSCB'de
Kiev yakınlarındaki Çernobil reaktöründe ortaya çıkan patlamadır. Hasar gören
reaktörden kaçan radyoaktif parçacıkların oluşturduğu dev bir bulut Avrupa'nın
içlerine, 2.000 kilometrelik bir uzaklığa yayıldı. SSCB'de 31 kişinin öldüğü,
200 bin kadar kişinin de evlerini terk etmek zorunda kaldığı bildirildi.
Önümüzdeki yıllarda daha da çok kişinin ışınımın yol açtığı hastalıkların
kurbanı olacağından korkulmaktadır. Çernobil kazasında anında ortaya çıkan bir
başka etki de, atmosferden yer yüzeyine inen radyoaktif parçacıkların SSCB'de
ve çevre ülkelerde toprağın ve suyun kirlenmesine neden olmasıydı.
Nükleer Atıklar. Birkaç yıl geçtikten sonra
reaktördeki kullanılmış yakıtın yenisiyle değiştirilmesi gerekir. Nükleer bir
reaktörde kullanılmış yakıt çubukları yaklaşık olarak yüzde 97 oranında
yanmamış uranyum, yüzde 2 oranında atık ürünler ve yüzde 1 oranında da
plütonyumdan oluşur. Bazı çekirdek bölünmesi ürünlerinin zamanla bozunabilmesi
için, bu çubuklar birkaç yıl suyun altında tutulur. Sonra da, yüksek düzeydeki
radyoaktifliklerini hâlâ korur durumdayken yeniden işlenir; uranyum geri
kazanılır, plütonyum ayrılır, geriye atık ürünler kalır.
Radyoaktif
atıkların pek çoğu duvarları çok katlı tanklarda depolanır. Atıklar bir tür
camsı madde içine "yerleştirilerek" yeraltına da gömülebilir. Birçok
atık ürün son derece yavaş bozunduğundan, bunların radyoaktifliği binlerce yıl
boyunca sürer; bu da uzun süreli bir tehlike oluşturur.
Çekirdek Kaynaşması
Günümüzde kullanılan
reaktörlerde, ağır atomların parçalanmasıyla açığa çıkan çekirdek bölünmesi
enerjisinden yararlanılmaktadır. Ama çekirdek kaynaşması, yani hafif atomların
çekirdeklerini bir araya getirip kaynaştırarak da nükleer enerji elde
edilebilir. Güneş ve başka yıldızların enerjisi bu tür bir tepkimeden
kaynaklanır; çekirdek kaynaşması hidrojen bombasının da temelini oluşturur.
Çekirdek kaynaşmasına dayalı enerji santrallarında, tepkimenin güvenilebilir ve
denetlenebilir koşullar altında gerçekleştirilmesi gerekir.
En iyi
sonuç veren kaynaşma, iki hidrojen izotopu (döteryum ve trityum) arasında gerçekleşenidir.
Döteryum ve trityum çekirdekleri kaynaşarak, bir helyum çekirdeği ile
birlikte bir nötron oluştururlar ve bu sırada devasa miktarda enerji açığa
çıkar. Deniz suyu sınırsız bir döteryum kaynağıdır; trityum da, gene bol
bulunan ve hafif bir element olan lityumdan elde edilebilir.
Ne var
ki, çekirdek kaynaşmasını gerçekleştirmek çekirdek bölünmesini gerçekleştirmekten
daha zordur. Bu güçlük, içerdikleri protonlar nedeniyle artı elektrik yüklü iki
çekirdeğin birbirini kuvvetle itmesi ve bir araya çok güç
getirilebilmelerinden kaynaklanır. Bu doğal engeli aşmak için iki çekirdeğin
hızla birbirine yaklaştırılması gerekir. Bunu gerçekleştirmenin bir yolu, gaz
halindeki yakıtı ısıtmaktır. Eğer bir gaz yeterince yüksek bir sıcaklığa kadar
ısıtılırsa (burada söz konusu olan milyonlarca derece santigratlık bir sıcaklık
düzeyidir), atomlarındaki elektronlar çekirdeğin çekim etkisinden
kurtulabilecekleri bir hıza ("kurtulma hızı"na) ulaşır ve serbest
kalırlar. Böylece, elektriksel olarak nötr durumda bulunan gaz, hızla hareket
eden yüklü parçacıklardan oluşan ve plazma denen bir yapıya dönüşür. Plazma ne
denli sıcaksa, çekirdekler de o ölçüde hızlı hareket eder.
Normal
hava yoğunluğunun yüz binde birinden daha az bir yoğunluğu olan plazmanın
içerdiği madde miktarı da doğal olarak çok azdır. Eğer bu sıcaklık ve
yoğunluktaki plazma bulunduğu kapla temas ederse kabın duvarları erir, plazma
soğur ve tepkime durur.
Sorun, sıcak plazmayı bulunduğu kabın duvarlarından
uzak tutmaktır.
Bu, magnetik alanlardan yararlanılarak başarılabilir.
Plazma elektrikle yüklü parçacıklardan oluştuğu için hem elektriksel, hem de
magnetik kuvvetlerden etkilenir. Böylece plazma, magnetik alan yardımıyla,
sınırlı bir bölgede tutulabilir. Bunu gerçekleştirmek için gaz,
"halka" (torus) denen, otomobil lastiği biçiminde
ve bir dizi magnetik bobinle kuşatılmış bir vakum kabına konur. İçinden geçirilen
elektrik akımı gazı ısıtır ve aynı zamanda da bir magnetik alan yaratır. Dışta
bulunan mıknatıslarla birlikte bu alan, tepkimeye giren karışımı halkanın iç
duvarlarından uzakta tutar.
Plazma, uğraşılması oldukça güç bir maddedir;
bu nedenle bilim adamları bir başka çekirdek kaynaşması yöntemi araştırmaya
girişmişlerdir. Üzerinde çalışılan yöntemlerden biri
laser füzyonu'dur; bu yöntemde çekirdekleri kaynaştırılacak
maddeler (döteryum ya da trityum) güçlü bir laser bombardımanına tutulur.
1989'da gerçekleştirildiği ileri sürülen bir başka yöntem de
soğuk füzyon'duv. Bazı bilim adamları hiç ısı kullanmadan,
laboratuvarda bir kap içinde döteryum döteryum kaynaşması sağladıklarını
açıklamışlardır. Ama bu yöntemin geçerliliği hâlâ tartışmalıdır.
Çekirdek kaynaşması araştırmaları 1950' lerden
beri sürmektedir. En gelişkin deney projelerinden biri Avrupa'da, Avrupa Atom
Enerjisi Topluluğu'nun (Euratom) denetiminde yürütülmektedir. Bu projenin
merkezi İngiltere'de Oxfordshire'daki Culham'da kurulu olan JET reaktörüdür.
Buna benzer reaktörler ABD, SSCB ve Japonya'da da kurulmaktadır.
Çekirdek kaynaşması tepkimesiyle üretilebilecek
enerji miktarı, çekirdek bölünmesiyle elde edilenden çok daha büyüktür. Eğer
füzyon güvenli bir biçimde gerçekleştirilebilirse, geleceğin füzyon reaktörleri
çok az nükleer yakıta gereksinim gösterecek ve o ölçüde de az atık üretecektir.
Hiç yorum yok:
Yorum Gönder