Bugün öğrendim ki: Nükleer Fisyon ilk olarak 1934 yılında Enrico Fermi tarafından tesadüfen başarıldı, atomu parçaladığını fark etmesi 2 Alman kimyacının 4 yılını aldı
Bir atomun, birden fazla parçaya bölünmesini sağlayan nükleer reaksiyon
"Atomun Bölünmesi" buraya yönlendirir. Noisia albümü için bkz. Atomu Böl.
Nükleer füzyonla karıştırılmamalıdır.
Nükleer fisyon, bir atomun çekirdeğinin iki veya daha fazla daha küçük çekirdeğe bölündüğü bir reaksiyondur. Fisyon süreci genellikle gama fotonları üretir ve radyoaktif bozunmanın enerjik standartlarına göre bile çok büyük miktarda enerji açığa çıkarır.
Nükleer fisyon, kimyagerler Otto Hahn ve Fritz Strassmann ile fizikçiler Lise Meitner ve Otto Robert Frisch tarafından keşfedilmiştir. Hahn ve Strassmann, 19 Aralık 1938'de bir fisyon reaksiyonunun gerçekleştiğini kanıtladı ve Meitner ve yeğeni Frisch, 1939'un Ocak ayında bunu teorik olarak açıkladı. Frisch, bu süreci, canlı hücrelerin biyolojik fisyonuna benzeterek "fisyon" adını verdi. 1939'un Şubat ayında nükleer fisyon üzerine ikinci yayınlarında, Hahn ve Strassmann, fisyon sürecinde ek nötronların varlığını ve salınımını öngördüler, bu da nükleer zincir reaksiyon olasılığını açtı.
Ağır nükleitler için, hem elektromanyetik radyasyon hem de parçaların kinetik enerjisi (fisyonun gerçekleştiği toplu malzemenin ısınması) şeklinde büyük miktarda enerji açığa çıkarabilen ekzotermik bir reaksiyondur. Nükleer füzyon gibi, fisyonun enerji üretebilmesi için sonuç ürünlerinin toplam bağlanma enerjisinin başlangıç elemanınınkinden daha büyük olması gerekir.
Fisyon, sonuç parçalarının (veya kız çekirdeklerinin) orijinal ana atomla aynı element olmadığı için bir tür nükleer dönüşümdür. Üretilen iki (veya daha fazla) çekirdek genellikle karşılaştırılabilir ancak biraz farklı boyutlarda, genellikle ürünlerin yaklaşık 3 ile 2 arasındaki bir kütle oranına sahiptir. Çoğu fisyon ikili fisyondur (iki yüklü parçacık üretir), ancak bazen (1000 olaydan 2 ila 4 kez) üç pozitif yüklü parçacık üçlü fisyonda üretilir. Üçlü süreçlerdeki en küçük parçacıkların boyutu bir proton'dan argon çekirdeğine kadar değişir.
Dışsal bir nötron tarafından indüklenen, insanlar tarafından ele geçirilen ve kullanılan fisyona ek olarak, dışsal bir nötrona ihtiyaç duymayan (çünkü çekirdek zaten aşırı nötrona sahip) kendiliğinden radyoaktif bozunma biçimine de fisyon denir ve özellikle çok yüksek kütle numaralı izotoplarda meydana gelir. Kendiliğinden fisyon, 1940 yılında Moskova'da Flyorov, Petrzhak ve Kurchatov tarafından, nötron bombardımanı olmaksızın uranyumun fisyon hızının Niels Bohr tarafından tahmin edildiği gibi ihmal edilebilir olduğunu doğrulamak amacıyla yapılan bir deneyde keşfedilmiştir; ihmal edilebilir değildi. Kendiliğinden fisyon olasılığına rağmen, yıldızların enerji üretimi için hiçbir rol oynamaz. Nükleer füzyon yıldızların oluşumunu ve gelişimini yönlendirirken, nükleer fisyonu evrenin evrimi için ihmal edilebilir olarak kabul edilebilir. Dolayısıyla (bazı istisnalar, "kendiliğinden fisyon"a bakınız) güneş sistemlerinin, gezegenlerin ve tüm yaşam biçimlerinin oluşumu için önemli olan tüm elementler fisyon ürünleri değil, füzyon süreçlerinin sonuçlarıdır.
Ürünlerin tahmin edilemez bileşimi (geniş bir olasılıksal ve biraz kaotik bir şekilde değişir) fisyonu, her zaman aynı ürünleri veren proton salınımı, alfa bozunması ve küme bozunması gibi tamamen kuantum tüneli süreçlerinden ayırır. Nükleer fisyon, nükleer enerji için enerji üretir ve nükleer silahların patlamasını sağlar. Her iki kullanım da, bazı fisyon nötronları tarafından vurulduğunda fisyona uğrayan ve parçalandıklarında nötronlar yayan belirli maddeler olan nükleer yakıtlar nedeniyle mümkündür. Bu, nükleer bir reaktörde kontrollü bir hızda veya nükleer bir silahta çok hızlı, kontrollü olmayan bir hızda enerji açığa çıkaran kendini sürdüren bir nükleer zincir reaksiyonunu mümkün kılar.
Eşdeğer bir miktarda 235U'nun fisyonunda açığa çıkan serbest enerji miktarı, metan yanması veya hidrojen yakıt hücrelerinden açığa çıkan miktardan milyonlarca kat daha fazladır.
Ancak nükleer fisyon ürünleri, genellikle yakıt olarak işlenen ağır elementlerden çok daha fazla radyoaktiftir ve uzun süre boyunca radyoaktif kalır, bu da nükleer atık sorununa yol açar. Bununla birlikte, yedi uzun ömürlü fisyon ürünü, fisyon ürünlerinin yalnızca küçük bir kısmını oluşturmaktadır. Fisyona yol açmayan nötron soğurumu, plütonyum (238U'dan) ve küçük aktinitler (hem 235U hem de 238U'dan) üretir, bunların radyotoksikliği uzun ömürlü fisyon ürünlerinden çok daha yüksektir. Nükleer atık birikimi ve nükleer silahların yıkıcı potansiyeli, fisyonu bir enerji kaynağı olarak kullanma barışçıl arzusuna bir denge oluşturmaktadır. Toryum yakıt döngüsü neredeyse hiç plütonyum ve çok daha az minör aktinit üretir, ancak 232U - veya daha doğrusu bozunma ürünleri - önemli bir gama ışını yayıcısıdır. Tüm aktinitler verimli veya fisildir ve hızlı üretken reaktörler, bunların hepsini, ancak belirli konfigürasyonlarda fisyon yapabilir. Nükleer geri işleme, kullanılmış nükleer yakıttan kullanılabilir malzemenin geri kazanılmasını hem uranyum (ve toryum) tedariklerinin daha uzun süre dayanmasını hem de "atık" miktarını azaltmayı hedefler. Tüm veya neredeyse tüm aktinitleri fisyonlayan bir işlem için endüstriyel terim bir "kapalı yakıt döngüsüdür".
Fiziksel genel bakış
[düzenle]
Mekani̇zm
[düzenle]
Younes ve Loveland, fisyonu "...çekirdeği oluşturan protonların ve nötronların kolektif hareketini" ve bunun çekirdeği parçalayan diğer olaylardan farklı olduğunu tanımlar. Nükleer fisyon, bir ana çekirdeği iki veya daha fazla parçalanma çekirdeğine bölmeye yol açan büyük genlikli kolektif hareketin aşırı bir örneğidir. Fisyon süreci kendiliğinden meydana gelebilir veya bir olay parçacığı tarafından indüklenebilir." Fisyon reaksiyonundan gelen enerji, fisyon ürünlerinde üretilir, ancak büyük bir çoğunluğu, yaklaşık %85'i parçacık kinetik enerjisinde bulunurken, yaklaşık %6'sı ilk nötronlardan ve gama ışınlarından ve beta bozunmasından sonra yayılanlardan ve yaklaşık %3'ü bu bozunmanın ürünü olarak nötrinolardan gelir.
Radyoaktif bozunma
[düzenle]
Nötron bombardımanı olmaksızın, bir tür radyoaktif bozunma olarak nükleer fisyon meydana gelebilir. Bu tür fisyona kendiliğinden fisyon denir ve ilk kez 1940 yılında gözlemlenmiştir.
Nükleer reaksiyon
[düzenle]
İndüklenmiş fisyonda, olay parçacığı bir hedefle birleştiğinde bileşik bir sistem oluşur. Sonuçta oluşan uyarılmış enerji, nötronların, gama ışınlarının ve nükleer çatlakların salınımı için yeterli olabilir. İki parçaya bölünmeye ikili fisyon denir ve en yaygın nükleer reaksiyondur. En az sıklıkla meydana gelen üçlü fisyondur, burada üçüncü bir parçacık salınır. Bu üçüncü parçacık genellikle bir α parçacıktır. Nükleer fisyonda, çekirdek tarafından emilen nötrondan daha fazla nötron saldığından, bir zincir reaksiyonu mümkündür.
İkili fisyon, 95±15 ve 135±15 dalton olan fisyon ürünlerinden herhangi birini üretebilir. Ancak ikili işlem sadece en olası olduğu için gerçekleşir. Nükleer bir reaktörde her 1000 fisyondan 2 ile 4'ü arasında, üçlü fisyon üç pozitif yüklü parçacık (artı nötron) üretebilir ve bunlardan en küçüğü bir proton (Z = 1) kadar küçük bir yük ve kütleye veya argon çekirdeği (Z = 18) kadar büyük bir parçaya kadar değişebilir. Bununla birlikte, en yaygın küçük parçacıklar, alfa bozunmasından daha fazla enerjiye sahip %90 helyum-4 çekirdeğinden, daha fazla enerjiye sahip helyum-6 çekirdeğinden ve tritons'tan (trityum çekirdekleri) oluşur. İkili fisyondan daha az yaygın olsa da, hala modern nükleer reaktörlerin yakıt çubuklarında önemli bir helyum-4 ve trityum gazı birikimi üretmektedir.
Bohr ve Wheeler, sıvı damlacığı modelini, Arthur Jeffrey Dempster'ın paketleme fraksiyon eğrisini ve Eugene Feenberg'in çekirdek yarıçapı ve yüzey gerilimi tahminlerini kullanarak fisyonda ana ve kız ürünleri arasındaki kütle farklılıklarını tahmin ettiler. Daha sonra bu kütle farkını Einstein'ın kütle-enerji eşdeğerliği formülünü kullanarak enerjiye dönüştürdüler. Nötron bombardımanı sonrasında çekirdeğin uyarılması, yüzey gerilimi ve Coulomb kuvvetinin karşıt olduğu bir sıvı damlacığının titreşimlerine benzemekteydi. Bu iki enerjinin toplamını uzama şekli fonksiyonu olarak çizerek, oluşan enerji yüzeyinin eyer şekline sahip olduğunu belirlediler. Eyer, kritik enerji bariyeri adı verilen bir enerji bariyeri sağladı. Olay nötronu tarafından sağlanan yaklaşık 6 MeV enerji, çekirdeği fisyona zorlamak ve bariyeri aşmak için gereklidir. John Lilley'e göre, "Fisyona karşı bariyeri aşmak için gereken enerjiye aktivasyon enerjisi veya fisyon bariyeri denir ve A ≈ 240 için yaklaşık 6 MeV'dir. Aktivasyon enerjisinin A arttıkça azaldığı görülür. Sonunda, aktivasyon enerjisinin tamamen ortadan kalktığı bir noktaya ulaşılır... çok hızlı bir şekilde kendiliğinden fisyona uğrayacaktır."
Maria Goeppert Mayer daha sonra çekirdek için nükleer kabuk modelini önermiştir. Fisyon zincir reaksiyonunu sürdürebilen nükleitler, nükleer yakıt olarak kullanılmak üzere uygundur. En yaygın nükleer yakıtlar, 235U (nükleer reaktörlerde kullanılan 235 kütle numarasına sahip uranyum izotopu) ve 239Pu (239 kütle numarasına sahip plütonyum izotopu)dır. Bu yakıtlar, atom kütleleri 95 ve 135 dalton civarında olan iki modlu bir dizi kimyasal elemente ayrılır (fisyon ürünleri). Çoğu nükleer yakıt, ancak binlerce ile milyarlarca yıl süren bir alfa-beta bozunma zinciri yoluyla yavaşça kendiliğinden fisyona uğrar. Nükleer bir reaktör veya nükleer bir silahta, fisyon olaylarının ezici bir çoğunluğu, önceki fisyon olayları tarafından üretilen başka bir parçacık olan bir nötron bombardımanı ile indüklenir.
Uranyum-238 gibi fisyonlu izotoplar, termonükleer silahlarda nükleer füzyon tarafından üretilen hızlı nötronlar gibi ek enerji gerektirir. 238U'nun fisyonundan açığa çıkan nötronlardan bazıları 238U'da başka bir fisyona neden olacak kadar hızlı olsa da, çoğu değildir, bu da asla kritikliğe ulaşamayacağı anlamına gelir. 238U'da termal nötronun fisyona neden olma olasılığı çok azdır (ancak sıfırdan farklıdır), ancak nötron soğurulması çok daha olasıdır.
Enerjetikler
[düzenle]
Giriş
[düzenle]
Fisyon kesitleri, bir nükleer reaksiyonda fisyonun meydana gelme olasılığıyla ilgili ölçülebilir bir özelliktir. Kesitler olay nötron enerjisinin bir fonksiyonudur ve 235U ve 239Pu'nunkiler, daha düşük nötron enerji seviyelerinde 238U'dan milyonlarca kat daha yüksektir. Herhangi bir nötronun soğurulması, çekirdeğe yaklaşık 5,3 MeV'lik bir bağlanma enerjisi sağlar. 238U, kritik enerji bariyerini aşmak için gerekli ek 1 MeV'yi hızlı bir nötronla sağlar. Ancak 235U durumunda, 235U tek bir tekliden çiftli bir kütleye ayarlandığında bu ek enerji sağlanır. Younes ve Lovelace'ın sözleriyle, "...235U hedefindeki nötron absorpsiyonu, uyarılmış enerjisi kritik fisyon enerjisinden daha büyük olan bir 236U çekirdeği oluştururken, n + 238U durumunda, oluşan 239U çekirdeğinin uyarılmış enerjisi kritik fisyon enerjisinin altındadır."
Fisyon girdi enerjisinin yaklaşık 6 MeV'si, güçlü kuvvet aracılığıyla ağır çekirdeğe ek bir nötronun basit bağlanması ile sağlanır; ancak birçok fisyonlu izotopta bu enerji miktarı fisyon için yeterli değildir. Örneğin, uranyum-238, 1 MeV'den düşük enerjili nötronlar için neredeyse sıfır fisyon kesitine sahiptir. Başka bir mekanizma tarafından ek enerji sağlanmazsa, çekirdek fisyona uğramaz, ancak sadece nötronu soğurur, tıpkı 238U'nun yavaş ve hatta hızlı nötronların bir kısmını 239U olmak için soğurduğu gibi. Fisyon başlatmak için kalan enerji, iki başka mekanizma tarafından sağlanabilir: bunlardan biri gelen nötronun daha yüksek kinetik enerjisidir, bu da fisyonlu ağır bir çekirdeği 1 MeV veya daha fazla kinetik enerjiyi aştıkça giderek daha fazla fisyona uğratabilir (sözde hızlı nötronlar). Bu tür yüksek enerjili nötronlar, 238U'yu doğrudan fisyonlayabilir (uygulama için termonükleer silaha bakın, burada hızlı nötronlar nükleer füzyon tarafından sağlanır). Ancak bu işlem nükleer bir reaktörde büyük ölçüde gerçekleşemez, çünkü herhangi bir fisyon türünden üretilen fisyon nötronlarının çok küçük bir kısmı, 238U'yu verimli bir şekilde fisyonlamak için yeterince enerjiye sahiptir. (Örneğin, 235U'nun termal fisyonundan gelen nötronların ortalama enerjisi 2 MeV, orta enerjisi 1,6 MeV ve modu 0,75 MeV'dir ve hızlı fisyon için enerji spektrumu benzerdir.)
Ancak ağır aktinit elementler arasında, (örneğin 235U ile 143 nötron) gibi tek sayıda nötrona sahip izotoplar, aynı elementin çift sayıda nötrona sahip izotopundan (örneğin 238U ile 146 nötron) 1 ila 2 MeV daha fazla enerjiyle ek bir nötron bağlar. Bu ek bağlanma enerjisi, nötron çiftleme etkilerinin mekanizması nedeniyle mevcuttur, bu da kendisinin Pauli dışlama ilkesi nedeniyle kaynaklanır ve ek bir nötronun çekirdekteki son nötronla aynı çekirdek yörüngesinde yer almasına izin verir. Bu nedenle, bu izotoplarda, her iki yavaş veya hızlı türden herhangi bir nötronun soğurulmasıyla gerekli tüm enerji sağlandığından, nötron kinetik enerjisine gerek yoktur (birincisi, yavaş nötronlu nükleer reaktörlerde ve ikincisi, hızlı nötronlu reaktörlerde ve silahlarda kullanılır).
Younes ve Loveland'a göre, "0,25 meV termal nötronu emdikten sonra kolayca fisyona uğrayan 235U gibi aktinitlere fisil, termal nötronu emdiklerinde kolayca fisyona uğramayan 238U gibi aktinitlere ise fisyonlu denir."
Çıkış
[düzenle]
Bir olay parçacığı, ana çekirdekle birleştiğinde, uyarılmış enerji yeterliyse, çekirdek parçalar halinde parçalanır. Buna çatlak denir ve yaklaşık 10−20 saniyede gerçekleşir. Parçalar, 10−18 ile 10−15 saniye arasında anlık nötronlar yayabilir. Yaklaşık 10−11 saniyede, parçalar gama ışınları yayabilir. 10−3 saniyede β bozunması, β gecikmeli nötronlar ve gama ışınları bozunma ürünlerinden salınır.
Tipik fisyon olayları, her bir fisyon olayı için yaklaşık iki yüz milyon eV (200 MeV) enerji açığa çıkarır, bu da yaklaşık >2 trilyon kelvin'e eşittir. Fisyona uğrayan tam izotop ve fisyonlu veya fisil olup olmadığı, açığa çıkan enerji miktarı üzerinde yalnızca küçük bir etkiye sahiptir. Bu, aktinit nükleitlerinin ortalama bağlanma enerjisinin uranyumla başlayan yerde yaklaşık 7.6 MeV/nükleon civarında olduğunu ve fisyon ürünlerinin kümelendiği yerde, fisyon ürünlerinin bağlanma enerjisinin yaklaşık 8,5 MeV/nükleon civarında olduğunu inceleyerek kolayca görülebilir. Dolayısıyla, aktinit kütle aralığındaki herhangi bir izotopun fisyon olayında, başlangıç elementinin yaklaşık 0,9 MeV/nükleon'u açığa çıkarılır. Yavaş bir nötron tarafından 235U'nun fisyonu, hızlı bir nötron tarafından 238U'nun fisyonuna yakın aynı enerjiyi verir. Bu enerji salınımı profili, toryum ve çeşitli minör aktinitler için de geçerlidir.
Bir uranyum çekirdeği iki kız çekirdek parçasına bölündüğünde, uranyum çekirdeğinin kütlesinin yaklaşık %0.1'i ~200 MeV'lik fisyon enerjisi olarak görünür. Uranyum-235 için (toplam ortalama fisyon enerjisi 202,79 MeV), tipik olarak ~169 MeV, Coulomb itmesi nedeniyle kız çekirdeklerin yaklaşık ışık hızının %3'ü hızla birbirlerinden uzaklaştıkları kinetik enerji olarak görünür. Ayrıca ortalama 2,5 nötron salınır, her nötron başına ortalama kinetik enerjisi ~2 MeV'dir (toplam 4,8 MeV). Fisyon reaksiyonu aynı zamanda yaklaşık 7 MeV anlık gama ışını fotonunda da açığa çıkarır. Son rakam, nükleer fisyon patlaması veya kritik olayda, enerjisinin yaklaşık %3,5'inin gama ışınları, %2,5'inden daha azının hızlı nötronlar (her iki tür radyasyonun toplamı ~6%) ve geri kalanının fisyon parçalarının kinetik enerjisi olarak açığa çıktığını gösterir (parçacıkların çevreleyen maddeyle etkileşimiyle basit ısı olarak neredeyse anında görünür).
Nötronları içeren bazı işlemler, soğurularak veya sonunda enerji vererek dikkate değerdir - örneğin, nötron kinetik enerjisi, bir uranyum-238 atomu tarafından plütonyum-239 üretmek için yakalanırsa hemen ısı üretmez, ancak plütonyum-239 daha sonra fisyona uğrarsa bu enerji salınır. Öte yandan, fisyon kız ürünleri tarafından birkaç dakikaya kadar yarılanma ömrüne sahip radyoaktif bozunma ürünleri olarak salınan sözde gecikmiş nötronlar, reaktör kontrolü için çok önemlidir çünkü zincir reaksiyonun toplam büyüklüğünü, reaksiyon özel olarak bu nötronlara dayalı bir süperkritik zincir reaksiyonuna (her fisyon döngüsünün soğurduğundan daha fazla nötron ürettiği bir reaksiyon) güvenen "gecikmeli kritik" bir bölgede çalıştırılırsa, iki katına çıkarmak için karakteristik bir "reaksiyon" süresi sağlarlar. Var olmadıkları takdirde, nükleer zincir reaksiyonu anında kritik olurdu ve insan müdahalesiyle kontrol edilebileceğinden daha hızlı büyürdü. Bu durumda, ilk deneysel atom reaktörleri, operatörleri manuel olarak kapatmadan önce tehlikeli ve karmaşık bir "anlık kritik reaksiyona" yol açmış olurdu (bu nedenle, tasarımcı Enrico Fermi, radyasyon sayacını tetikleyen kontrol çubuklarını elektromıknatıslarla asmış ve bunlar Chicago Pile-1'in merkezine otomatik olarak düşebilecek şekilde tasarlamıştı). Bu gecikmiş nötronlar fisyon üretmeden yakalanırsa, ısı da üretir.
Bağlanma enerjisi
[düzenle]
Çekirdeğin bağlanma enerjisi, çekirdeğin dinlenme kütlesinin enerjisi ile nötron ve proton nükleonlarının dinlenme kütlesinin enerjisi arasındaki farktır. Bağlanma enerjisi formülü, üçü için deneysel olarak türetilmiş katsayılar içeren hacim, yüzey ve Coulomb enerji terimlerini, yüzey ve Coulomb terimleri için küresel bir forma göre deforme olmuş bir çekirdeğin enerji oranlarını içerir. Tahmini iyileştirmek için simetri, eşleştirme, nükleer kuvvetin sonlu menzili ve çekirdeklerdeki yük dağılımı gibi ek terimler de dahil edilebilir. Normalde bağlanma enerjisi, nükleon başına ortalama bağlanma enerjisi olarak ifade edilir ve çizilir.
Lilley'e göre, "Bir çekirdeğin bağlanma enerjisi, onu bileşen nötron ve protonlarına ayırmak için gereken enerjidir." burada A kütle numarası, Z atom numarası, mH bir hidrojen atomunun atom kütlesi, mn bir nötronun kütlesi ve c ışık hızıdır. Dolayısıyla, bir atomun kütlesi, elektronlarının ortalama bağlanma enerjisi ihmal edilebilir kabul edildiğinde, bileşen proton ve nötronlarının kütlesinden daha azdır. Bağlanma enerjisi B, Einstein'ın kütle-enerji eşdeğerliği ilişkisini kullanarak enerji birimlerinde ifade edilir. Bağlanma enerjisi ayrıca fisyondan açığa çıkan toplam enerjinin tahminini de sağlar.
Bağlanma enerjisi eğrisi, 8,6 MeV'de kütle numarası 60 civarında geniş bir maksimum ile karakterize edilir, daha sonra en yüksek kütle numaralarında 7.6 MeV'ye kademeli olarak düşer. 238'den büyük kütle numaralarına sahip kütleler nadirdir. Ölçekte daha hafif ucunda, helyum-4 ve çok katlılar gibi helyum-4, berilyum-8, karbon-12, oksijen-16, neon-20 ve magnezyum-24 için tepeler görülür. Nükleer kuvvet nedeniyle bağlanma enerjisi büyük A için sabit bir değere yaklaşır, ancak Coulomb daha büyük mesafelerde hareket eder, böylece proton başına elektrik potansiyel enerjisi Z arttıkça artar. A>120 olan çekirdekler parçalandığında fisyon enerjisi açığa çıkarılır. Daha hafif çekirdeklerin birleştiği yerde füzyon enerjisi açığa çıkarılır.
Carl Friedrich von Weizsäcker'in yarı deneysel kütle formülü, bağlanma enerjisini beş terimin toplamı olarak ifade edebilir: hacim enerjisi, yüzey düzeltmesi, Coulomb enerjisi, simetri terimi ve eşleştirme terimi: burada nükleer bağlanma enerjisi nükleer hacme orantılıdır, yüzeydeki nükleonlar daha az nükleonla etkileşir ve hacim teriminin etkisini azaltır. Lilley'e göre, "Tüm doğal çekirdekler için yüzey enerji terimi baskındır ve çekirdek denge durumunda bulunur." Protonların itme elektrik kuvvetinden kaynaklanan Coulomb enerjisi negatif katkıdadır. Simetri terimi, çekirdekteki etkili kuvvetlerin benzer nötron-proton çiftleri için değil, farklı nötron-nötron veya proton-proton çiftleri için daha güçlü olması nedeniyle oluşur. Eşleştirme terimi, benzer nükleonların aynı uzamsal durumda spin sıfır çiftler oluşturmasından kaynaklanır. Eşleştirme, N ve Z her ikisi de çift ise pozitiftir, bağlanma enerjisine eklenir.
Fisyonda, Z çiftli fisyon parçaları için bir tercihler vardır, bu da parçaların yük dağılımında tek-çift etkisidir. Bu, her bir fisyon ürününün deneysel parçalanma verilerinde görülebilir, çünkü Z çiftli ürünlerin verimi daha yüksektir. Ancak, A'ya göre parçalanma dağılımında tek-çift etkisi gözlenmemiştir. Bu sonuç, nükleon çift kırılmasına bağlanmıştır.
Nükleer fisyon olaylarında, çekirdekler herhangi bir hafif çekirdek kombinasyonuna bölünebilir, ancak en yaygın olay yaklaşık 120 kütleli eşit kütle çekirdeklerine fisyon değildir; en yaygın olay (izotopa ve sürece bağlı olarak), bir kız çekirdeğin kütlesinin yaklaşık 90 ila 100 dalton ve diğerinin kalan 130 ila 140 dalton olan hafifçe eşitsiz bir fisyondur.
Kararlı çekirdekler ve çok uzun yarı ömürlü kararsız çekirdekler, Z'nin N'ye karşı çizildiğinde görülebilen bir stabilite eğilimini izler. 20'den az olan daha hafif çekirdekler için çizginin eğimi N = Z iken, daha ağır çekirdekler kararlı kalmak için ek nötron gerektirir. Nötron veya proton bakımından zengin çekirdeklerde, kararlılık için aşırı bağlanma enerjisi mevcuttur ve aşırı enerji, bir nötronu protona veya bir protonu nötrona dönüştürebilir, bu bir beta bozunması olarak bilinen bir zayıf nükleer kuvvet sürecidir.
U-235'in nötronla indüklenen fisyonu, toplam 207 MeV enerji açığa çıkarır, bunlardan yaklaşık 200 MeV geri kazanılabilir. Anlık fisyon parçaları 168 MeV'ye kadar ulaşır, bu da kolaylıkla birkaç milimetre ile durdurulur. Anlık nötronlar toplamda 5 MeV'dir ve bu enerji, reaktördeki saçılma yoluyla ısı olarak geri kazanılır. Ancak birçok fisyon parçası nötron bakımından zengindir ve β emisyonları ile bozunur. Lilley'e göre, "fisyon zincirlerinden gelen radyoaktif bozunma enerjisi, fisyondan kaynaklanan ikinci enerji salınımıdır. Anlık enerjiden çok daha azdır, ancak önemli bir miktardır ve reaktörlerin kapatıldıktan sonra soğutulmaya devam etmesi ve atık ürünlerin dikkatli bir şekilde işlenip güvenli bir şekilde depolanması gerektiğinin nedenidir."
Zincir reaksiyonları
[düzenle]
John Lilley, "...nötronla indüklenen fisyon, sonraki jenerasyonda ve daha sonraki nesillerde fisyonu indükleyecek ek nötronlar üretir ve böylece bir zincir reaksiyonu yaratır. Zincir reaksiyonu, nötron çoğaltma katsayısı k ile karakterize edilir, bu da bir jenerasyondaki nötron sayısının önceki jenerasyondaki nötron sayısına oranı olarak tanımlanır. Bir reaktörde k birden küçükse, reaktör alt kritiktir, nötron sayısı azalır ve zincir reaksiyonu ölür. k>1 ise, reaktör süperkritiktir ve zincir reaksiyonu farklılaşır. Bu, fisyon bombasında büyümenin patlayıcı bir hızda olduğu durumdur. k tam olarak bire eşitse, reaksiyonlar sabit bir hızla devam eder ve reaktöre kritik denir. Doğal uranyum yakıtlı bir reaktörde kritikliğe ulaşmak, nötronların termal enerjilere etkili bir şekilde yavaşlatılması şartıyla mümkündür. Moderatörler arasında hafif su, ağır su ve grafit bulunur.
John C. Lee, "Çalışmakta olan ve geliştirilmekte olan tüm nükleer reaktörler için, nükleer yakıt döngüsü üç fisil madde, 235U, 233U ve 239Pu ve ilgili izotop zincirlerinden birine dayanmaktadır. Günümüz LWR'lerinin [Light Water Reactors] durumu, zenginleştirilmiş U'nun %2,5 ila %4,5'inin 235U'dan oluştuğu, bu da yakıt çubukları şeklinde UO2'ye dönüştürülür ve yakıt birleşimlerine yüklenir." der.
Lee, "Üç ana fisil nükleit olan 235U, 233U ve 239Pu için önemli bir karşılaştırma, üretme potansiyelleridir. Bir üretken, tanım gereği tükettiğinden daha fazla fisil malzeme üreten bir reaktördür ve fisil bir çekirdek tarafından emilen her nötron için en az iki nötron üretir. Dolayısıyla, genel olarak, dönüşüm oranı (CR), üretilen fisil malzemenin tüketilene oranı olarak tanımlanır... CR 1.0'dan büyük olduğunda, üretkenlik oranına (BR) dönüştürülür... 233U hem termal hem de hızlı reaktörler için daha üstün bir üretkenlik potansiyeline sahiptir, 239Pu ise hızlı reaktörler için daha üstün bir üretkenlik potansiyeline sahiptir."
Fisyon reaktörleri
[düzenle]
Ayrıca bakınız: Nükleer reaktör fiziği
Kritik fisyon reaktörleri, en yaygın nükleer reaktör türüdür. Kritik bir fisyon reaktöründe, yakıt atomlarının fisyonu tarafından üretilen nötronlar, kontrollü miktarda enerji salınımını sürdürmek için daha fazla fisyonu indüklemek üzere kullanılır. Mühendislik yoluyla, ancak kendi kendini sürdüremeyen fisyon reaksiyonları üreten cihazlar alt-kritik fisyon reaktörleridir. Bu tür cihazlar, radyoaktif bozunma veya parçacık hızlandırıcıları kullanarak fisyon tetikler.
Kritik fisyon reaktörleri, üç temel amaç için inşa edilir ve bunlar genellikle fisyon zincir reaksiyonundan üretilen ısıyı veya nötronları kullanmak için farklı mühendislik ödünleri içerir:
- enerji reaktörleri, bir enerji santrali parçası veya nükleer bir denizaltı gibi yerel bir güç sistemi olarak nükleer enerji için ısı üretmek için tasarlanmıştır.
- araştırma reaktörleri, bilimsel, tıbbi, mühendislik veya diğer araştırma amaçları için nötron ve/veya radyoaktif kaynaklar üretmek için tasarlanmıştır.
- üretken reaktörler, daha bol izotoplardan toplu olarak nükleer yakıt üretmek için tasarlanmıştır. Daha iyi bilinen hızlı üretken reaktör, doğal olarak bol miktarda bulunan 238U'dan (nükleer yakıt değil) 239Pu (bir nükleer yakıt) üretir. Daha önce 232Th'yi fisil izotop 233U'yu (toryum yakıt döngüsü) üretmek için test edilen termal üretken reaktörler hala araştırılmakta ve geliştirilmektedir.
Prensipte, tüm fisyon reaktörleri üç görevde de yer alabilir, ancak pratikte bu görevler çelişen mühendislik hedeflerine yol açar ve çoğu reaktör yukarıdakilerden sadece birini akılda tutarak inşa edilmiştir. (Birkaç erken karşı örnek vardır, örneğin artık devre dışı bırakılmış Hanford N reaktörü).
2019 itibariyle, dünya çapında 448 nükleer enerji santrali, basınçlı su reaktörleri veya kaynar su reaktörleri gibi yaklaşık %85'i hafif su soğutmalı reaktör olmak üzere 398 GWE kapasite sağladı. Fisyondan gelen enerji, nükleer reaktör soğutucusuna iletim veya konveksiyon yoluyla, daha sonra ısı değiştiricisine aktarılır ve oluşan buhar, türbini veya jeneratörü çalıştırmak için kullanılır.
Fisyon bombaları
[düzenle]
Atom bombasının amacı, Serber'e göre "...enerjinin nükleer fisyon gösteren malzemelerin birinde veya birkaçında hızlı bir nötron zincir reaksiyonu ile açığa çıkarıldığı" bir cihaz üretmektir. Rhodes'a göre, "Çıplak, kritik kütleye sahip bir bomba çekirdeği, zincir reaksiyonun ilerlemesini durduracak kadar genişlemeden önce nükleer maddesinin %1'inden daha azını tamamen fisyonlar. Tamper her zaman verimliliği artırmıştır: nötronları çekirdeğe yansıtmış ve ataleti... çekirdeğin genişlemesini yavaşlatmış ve çekirdek yüzeyinin uçuşmasını engellemeye yardımcı olmuştur." Çekirdek malzemesinin alt-kritik bileşenlerinin yeniden düzenlenmesi, etkin patlatmayı sağlamak için mümkün olan en hızlı şekilde ilerlemesi gerekiyordu. Ek olarak, üçüncü bir temel bileşen gerekli olmuştur, "... zincir reaksiyonu başlatmak için parçalar birleştiğinde nötronları püskürtmek için belki de çekirdeğin bir parçasına radyum veya polonyum ve diğerine berilyum eklenmiş bir Ra + Be veya daha iyi bir Po + Be kaynağı olan bir başlatıcı." Ancak herhangi bir bomba "yüzlerce ton uranyum cevheri bulundurmayı, çıkarmayı ve işlemeyi gerekli kılacaktır...", 235U ayrımı veya 239Pu üretimi ek endüstriyel kapasite gerektirebilir.
Tarih
[düzenle]
Nükleer fisyonun keşfi
[düzenle]
Ayrıca bakınız: Nükleer fisyonun keşfi
Nükleer fisyonun keşfi, 1938'de bugün