Fizik Öğretmeni

Nükleer enerji bilindiği gibi, atomun çekirdeğiyle ilgili bir olay olup, iki şekilde elde edilebiliyor. Bunlardan birincisi, iki küçük çekirdeğin birleştirilmesi, yani füzyon; ikincisi ise büyük bir çekirdeğin parçalanması, yani fisyon. Her iki halde de, reaksiyondan açığa çıkan enerji ısıya dönüştürülebilir, bu enerji ile su kaynatılıp buhar elde edilebilir. Sonra da bu buhar, tıpkı termik santrallerde olduğu gibi, yüksek basınç altında bir türbine gönderilir ve türbin dönerken, kendisine bağlı bir elektrik jeneratörünü de döndürünce, elektrik enerjisi üretilir.

Uranyum: Dünyada halen aktif olan 430’dan fazla nükleer santral, fisyona dayalı olarak çalışıyor ve başlangıç yakıtı olarak uranyum kullanıyor. Doğada bulunan uranyum, hemen tamamen, iki tip izotoptan oluşur. Bunlardan birisindeki proton ve nötronların toplam sayısı 235, diğerindekilerin ise 238. U-235 ve U-238 notasyonuyla gösterilen bu çekirdeklerin her ikisindeki proton sayısı da aynı ve 92, fakat ikincisindeki nötron sayısı, birincisindekinden üç daha fazla. U-235 izotopları, yavaş bir nötron çarptığında parçalanmaya çok daha yatkındırlar ve parçalandıklarında iki veya üç de nötron çıkarırlar. Bu yüzden, ‘kolayca parçalanabilir’ anlamında ‘fisil’ oldukları söylenir.
Dolayısıyla bir uranyum kütlesi alıp, içine bir avuç nötron salarsak; bu nötronlardan bazıları U-235 çekirdeklerine çarpıp, bu izotopların parçalanmasına yol açacak, parçalanmalardan açığa çıkan nötronlar, gidip başka fisil çekirdeklere çarpacak, buradan yine nötronlar çıkacak vs. Yani kütle uygun şekil ve büyüklükte seçilirse, içinde bir zincirleme reaksiyon yer alabilir ve sürekli olarak açığa enerji çıkabilir.
Kritik kütle: Kütlenin uygun büyüklük, şekil ve kompozisyonda seçilmesi önemlidir. Çünkü santrallerden açığa çıkan nötronların bir kısmı, ilgisiz çekirdeklerde yutularak veya kütlenin cidarından dışarı kaçarak, bir bakıma ziyan olmaktadır. Kütle küçükse, nötron kaçakları çok fazla olur ve zincirleme reaksiyon, daha başlayamadan durur. Öte yandan yeterince büyük bir uranyum kütlesinin içine, dışardan nötron atmak da gerekmez. Çünkü uranyum çekirdeklerinden bazıları, kendilerine çarpan nötronlar bulunmadığı zaman dahi, durup dururken parçalanmakta, çok yavaş bir şekilde de olsa, kendiliklerinden santrallere uğrayıp nötron salmaktadır.

‘Atom bombası’ da denilen fisyona dayalı patlayıcılar, uranyum parçaları halinde hazırlanıp
son anda bir araya getirilirler. Orijinal parçaların her biri, zincirleme reaksiyonu başlatamayacak
kadar küçük, fakat hepsi bir araya geldiğinde oluşan kütle, bunu fazlasıyla başaracak kadar
büyüktür. Yani ‘süperkritik’tir. Bu ‘süperkritik kütle’, orijinal parçaların etrafına yerleştirilen
konvansiyonel patlayıcıların patlatılması sonucu sıkıştırılıp bir araya getirildiğinde, zincirleme reaksiyon başlar. Buradaki olay, saniyenin milyonda biri kadar kısa bir süre içerisinde, kütledeki fisil çekirdeklerin hemen tamamının parçalanmasını ve sonuç olarak da açığa, yüzlerce kiloton TNT eşdeğerinde enerji çıkmasını sağlar.

Nükleer reaktörler: Bir nükleer reaktörde ise bu zincirleme reaksiyon, çok daha yavaş ve kontrollü olarak gerçekleşir. Reaktörün yapısı biraz daha karmaşıktır ve uranyum haricinde, bazı destek unsurları da barındırır. Örneğin, fisyon sonucu açığa çıkan nötronlar hızlıdır. Hâlbuki yavaş hareket eden nötronlar, U–235 çekirdeklerini daha kolay parçalayabilir. Dolayısıyla hızlı nötronların yavaşlatılması gerekir ve bunu da, reaktör kalbine konulan sudaki hidrojen atomları becerir. Hidrojenlerle çarpışan hızlı nötronlar yavaşlar. Bu durumda, fisyondan yeni çıkmış olan hızlı nötronun, yavaşlamak için hidrojen atomlarıyla çarpışması, bunun için de içinde doğduğu uranyumdan çıkıp, bir süre için su içerisinde dolaşması gerekir. Bu amaçla uranyum metal veya oksidi, çubuklar halinde imal edilip, aralarından su geçirilir ve hidrojen içeren suyun bir yavaşlatıcı’ görevi gördüğü söylenir. Hem, fisyon sonucu açığa çıkan enerjiyi emmek için zaten bir de soğutucuya ihtiyaç vardır ve su, bu işlevi de üstlenir. Böylelikle bir taşla iki kuş vurulmuş ve hem nötronlar yavaşlatılıp, hem de reaktör kalbi soğutulmuş olur.
Uranyum zenginleştirme işlemi: Ayrıca, reaktör kalbine konulan uranyum çoğu kez, doğada bulunan uranyum değildir. Çünkü doğal uranyumda az miktarda fisil izotop bulunur. Öyle ki; doğal uranyumun her bin atomundan sadece, yaklaşık 7′si fisildir. Hal böyle olunca, zincirleme reaksiyon için gerekli olan nötron üretim hızlarına erişmek güçleşir ve doğal uranyumun zenginleştirilmesi gerekir. Bu adeta, bir parça doğal uranyum alıp, içindeki U–238 çekirdeklerini ayıklayıp atmaya ve geride, U-238’lere oranla daha fazla sayıda U–235 çekirdeği bırakmaya benzer. Fakat söz konusu ‘izotop zenginleştirme’ işlemi, o kadar da basit olmayıp, yavaş çalışan pahalı işlemler gerektirir.
Demek ki doğal uranyumun yüzde birinden azı, nükleer enerji üretimi açısından doğrudan
işe yarayan ‘fisil’ çekirdeklerden oluşuyor. Bu çekirdeklerin 1 gramı, yaklaşık 2.5 ton kömürünkine eşdeğer enerji potansiyeline sahiptir. Fakat uranyum, ‘nadir toprak metalleri’ sınıfında yer alır. Yani yer kabuğundaki mevcut miktarı, ‘nadir’ denecek kadar azdır. Dolayısıyla, dünyamızın ‘fisil uranyum çekirdeği’ stoğu, enerji ihtiyacımızı uzun bir süre karşılayabilmekten uzak, yaklaşık 200 yıl yetecek kadardır. Yeni santrallerin kurulması halinde, bu süre daha da kısalır.
Fakat fisil olmayan U-238 çekirdekleri, tümüyle işe yaramaz değildir. Çünkü bir nötron yutmaları
halinde, radyoaktif hale gelirler ve iki ışımadan sonra, fisil olan bir plutonyum izotopuna, Pu-39’a dönüşebilirler. Dolayısıyla, zenginleştirme işlemi sırasında ayıklanan U–238 çekirdekleri, bir köşeye atılmayıp, reaktör kalbinde uygun bir yere konabilir ve nötron yutarak Pu-239’a dönüşmeleri sağlanabilir. Eğer kalpteki nötron üretim hızı yeterince yüksek ise, hem U–235 çekirdeklerinin parçalanması sonucu enerji üretmek, bir yandan da U-238’leri, fisil Pu-239’lara dönüştürmek mümkündür. Hatta uygun bir tasarımla reaktör, birim zamanda tükettiğinden daha fazla fisil çekirdek üretebilir. Bu durumda reaktörün, net olarak yakıt üretmekte olduğu söylenir.
Kaynak: Bilim Teknik – Yeni Ufuklara Ağustos 2004 eki