Nükleer enerjinin çalışma prensibi

+ Yorum Gönder
Yudumla ve Soru(lar) ve Cevap(lar) Bölümünden Nükleer enerjinin çalışma prensibi ile ilgili Kısaca Bilgi
  1. 1
    Ziyaretçi


  2. 2
    Ensar
    Özel Üye





    Cevap: Nükleer enerji hakkında ansiklopedik bilgi

    Nükleer Enerji Atom çekirdeğinin değişimiyle ortaya çıkan enerji. Çekirdek değişimi başlıca fisyon veya füzyon olarak ortaya çıkar.

    Bir ağır
    elementin çekirdeğinin daha küçük iki çekirdeğe ayrılması, olayına “nükleer fisyon” denir. Buna karşılık hafif elementlerin iki çekirdeğinin, daha büyük bir çekirdek ortaya çıkarmak için kaynaşmasına “nükleer füzyon” denir.

    Nükleer fisyon ilk defa


    İkinci Dünya Savaşında kullanılmış ve daha sonra pekçok nükleer reaktörün çalışmasını sağlamıştır. Günümüzde bilim ve endüstride pekçok uygulaması mevcuttur. Kontrolsüz nükleer füzyon, bir atom bombasının başlattığı hidrojen bombasında ortaya çıkmıştır (Bkz.
    Hidrojen Bombası). Nükleer füzyon, henüz kontrollü olarak reaktörlerde gerçekleştirilememiştir.

    Nükleer enerji, üç nükleer reaksiyondan biri ile oluşur:

    #
    Füzyon: Atomik parçacıkların birleşme reaksiyonu.
    #


    Fisyon: Atom çekirdeğinin zorlanmış olarak parçalanması.
    # Yarılanma: Çekirdeğin parçalanarak daha kararlı hale geçmesi. Doğal (yavaş) fisyon (çekirdek parçalanması) olarak da tanımlanabilir.

    Nükleer enerji,


    1896 yılında
    Fransız fizikçi
    Henri Becquerel tarafından kazara,
    uranyum maddesinin
    fotoğraf plakaları ile yanyana durması ve karanlıkta yayılan
    X-Ray ışınlarının farkedilmesi ile keşfedilmiştir.

    26 Nisan 1986'da Ukrayna'daki Çernobil nükleer reaktöründe meydana gelen patlama ve sonucunda yayılan radyoaktif madde Ukrayna, Beyaz Rusya ve Rusya'da yaşayan 336.000 insanın tahliyesine, 56 kişinin ölümüne, 4.000 doğrudan ilişkili kanser vakasına ve 600.000 kişinin sağlığının ciddi şekilde etkilenmesine sebep olmuştur. Nükleer kalıntıların ürettiği radyoaktif bulut patlamadan sonra tüm Avrupa (Türkiye'de özellike Karadeniz bölgesi ve Trakya) üzerine yayılmış ve Çernobil'den yaklaşık 1100 km uzaklıktaki İsveç Formsmark Nükleer Reaktöründe çalışan 27 kişinin elbiselerinde radyoaktif parçacıklara rastlanmış ve yapılan araştırmada İsveç'teki reaktörün değil Çernobil'den gelen parçacıklar olduğu tespit edilmiştir.

    Bunun gibi nedenlerle günümüzde dünyanın birçok yerinde ve Türkiye'de de nükleer karşıtı gruplar oluşmuştur. Bunlardan en ünlüleri;

    Yeşil Barış (Greenpeace), Nükleer Karşıtı Platfom (NKP) ve Küresel Eylem Grubu (KEG) 'dir. Nükleer enerji santralı yapılması istenilen Sinop ve Akkuyu'da ayrıca yerel bazlı nükleer-karşıtı örgütlenmeler de mevcuttur. Nükleer enerjinin çevre sorununa hiçbir şekilde çözüm olmadığını bilimsel ve siyasi olarak da savunan bu grupların yanı sıra kömüre oranla daha az karbondioksit salınımına sebep olduğu için çevreci olduğunu iddia eden nükleer lobi grupları da mevcuttur.

    Uranyum ve nükleer enerji:

    Bugün, atom endüstrisinin esasını uranyum madeni teşkil etmektedir. Uranyum çok ağır bir madendir. Bileşikler halinde, yeryüzünün her tarafında bulunmaktadır. Radyoaktif bir metaldir (Bkz. Radyoaktivite). Uranyumunun atom numarası 92'dir. Yani uranyum atomu, 107 elementin, 91 tanesinin atomlarından daha büyüktür. Böyle olmakla beraber, bir gram uranyumda 3x1021 tane atom vardır. Bu miktarın kapladığı hacim ise, ancak 50 mm3tür. Bir uranyum atomunun çekirdeği ise bu atomdan yüzbin defa daha küçüktür. Çekirdek içinde 92 tane proton bulunur. Nötron adediyse bazı çekirdeklerde 142, bazısında 143 ve bazısında da 146'dır. Böylece uranyumun üç izotopu vardır. İzotop, Yunanca “aynı yer” demektir. Buna göre üç izotopun atom ağırlıkları, yani çekirdekteki proton ve nötron sayılarının toplamı 234, 235 ve 238'dir. Uranyum izotoplarının atom ağırlıkları, birbirinden az olmakla beraber farklı olduğundan, dışardan gelip, bunların çekirdeklerine çarpan bir nötrona karşı, farklı tesir ederler. Bunların içinde, 143 nötronlu olan 235 atom ağırlıklı uranyum izotopunun gösterdiği tesir çok mühimdir. Şöyle ki:


    Uranyum 235 izotopu çekirdeğine, hariçten (dışardan) bir
    nötron çarpınca, derhal (saniyenin birkaç milyonda bir anında) kırılıp, ikiye bölünür. Meydana gelen parçaların ikisi de, o an içinde, etrafa nötronlar ile gamma ışınları saçarlar. Uranyum 235 atomunun bu suretle parçalanmasına fisyon (inşikak= yarılma) denir ki, radyoaktiviteye hiç benzememektedir.

    Fisyona uğrayan uranyum izotopu, yalnız uranyum 235'tir. Yarılmadan, her zaman aynı iki parça meydana gelmez. Kırktan fazla çeşitli parça meydana gelmektedir. Bunların herbiri de dayanıksızdır. Yani radyoaktif olup, parçalanarak, zerreler ve enerji neşrederler. Bu zerreler de, tekrar parçalanır. Böylece sabit zerrelere ayrılıncaya kadar az veya çok uzun bir zaman parçalanmağa uğrarlar.

    Yarılmadan meydana gelen çiftlerden ikisine ait denklem,

    92U235+0n1®36Kr89+56Ba144+30n1+Enerji

    92U235+0n1®35Br85+57La148+30n1+Enerji

    şeklindedir.

    En çok rastlanan çiftler; Kripton-Baryum, Brom-Lantan, Stronsiyum-Ksenon ve Yitriyum-İyottur.

    Yukarıdaki yarılma denklemlerinde, sağ taraftaki kütleler toplamının, sol taraftaki kütleler toplamından noksan olduğu görülmektedir. Demek ki kütle kayboluyor, enerji haline dönüşüyor: Einstein hesabına göre bu enerji E= mc2 formülü ile verilir. m kaybolan kütle c2 ise ışık hızının karesidir. Bir tek uranyum çekirdeğinin yarılmasından, ikiyüz milyon elektron volt (200 MeV) miktarında enerji hasıl oluyor. 1 eV= 4,45x10-26-26 kwh'lik enerjidir. Yani, 1 kwh'lik enerji hasıl olması için, 1016 kere yarılma olması gerekir. Bu hesaba göre 1 kg uranyum maddesinin yarılması sonunda 8,21x1013 joule'lik enerji açığa çıkar ki, bu miktar yaklaşık 20.000 ton dinamitin patlaması esnasında ortaya çıkan enerjiye eşittir.

    Bu enerjinin % 4'ü, yarılma esnasındaki ışınlar halinde, % 16'sı meydana gelen parçaların radyoaktif ışın saçmaları ile, geri kalan % 80 kısmı da, parçaların kinetik enerjisi (süratleri) ile taşınır. Büyük süratle atılan bu parçalar, etraftaki uranyum atomlarına çarparak, bu enerjiyi de hararet şeklinde saçarlar. Atom cihazı (
    reaktör) kullanılarak, elektrik yapan dinamonun türbinini çevirmek için lazım olan su buharı, işte bu hararetle elde edilmektedir.

    Fakat, tabiatte mevcut uranyum parçalarında bulunan uranyum 235 miktarı pek azdır ve binde yedi kadardır. Geri kalan, binde 993 kısmı uranyum 238'dir ki, bu pek nadir yarılmaya uğrayabilir (uranyum 234 izotopu, pek az olduğu için önemli değildir). O halde, bir yarılmadan meydana gelen pek büyük bir hızla atılan bir nötronun, bir uranyum 235 çekirdeğine çarpması ihtimali pek az, hemen hemen hiç yok gibidir. Demek ki, bir uranyum parçasında başlayan yarılma reaksiyonlarının devam edebilecek bir infilak halini alabilmesi için bazı işlemler gereklidir.

    İlk işlem, uranyum parçasını çok dikkatle temizlemektir. Çünkü, kıymetli nötronlar, hemen hemen bütün cisimler tarafından tutulur. Bundan başka, uranyum 238 miktarı, uranyum 235 miktarından pek fazla bulunmakla kalmayıp, nötronları kendine daha kuvvetle çeker ve böylece, yarılmanın zincirleme reaksiyon olarak ilerlemesini durdurur.

    İkinci işlem, bir yarılmadan saçılan nötronların sürati pekçok olduğundan (yaklaşık 2 MeV) atom çekirdekleri tarafından tutulmasına vakit bulunamaz. Nötronların hızı azalıp orta süratli olunca, uranyum 238 atomları tarafından da yakalanırlar. Yakalanma ihtimali “rezonans enerjisi” halinde en fazladır. Uranyum 238 atomları, bir nötron alınca uranyum 239 haline dönüyor ki, bu cisim radyoaktif olup, beta ışınları saçar ve neptünyum 239 denilen yeni bir element şekline döner. Bu eleman da bir beta ışını neşrettiğinde plutonyum 239 cismi hasıl olur ki, bu cisim de nükleer reaktörler için ayrıca ehemmiyet taşımaktadır.

    Uranyum 235 saf olarak, pek güç ayrılabildiğinden, bugün ancak Brileşik Amerika ve Rusya'da ve pek az miktarda da İngiltere'de elde edilebilmektedir. Uranyum 235'in saflaştırılmasında gazların difuzyonu prensibi kullanılmaktadır. Bunun için uranyum, UF6 (uranyum hekzaflorür) gazı haline getirilmekte ve difüzyon kabında hafif olan 235 atomlarının üst kısma geçmesiyle 238 atomlarından ayrılması sağlanmaktadır. Bu saflaştırma yolu ile yüzde doksan üç değerinden daha fazla saflıkta uranyum 235 elde edilmiştir. Fakat, saf bir uran 235 parçasında parçanın kütlesi, kritik (tehlikeli) miktarı bulunca zincirleme reaksiyon bir anda hasıl olmaktadır. Bu suretle bir atom cihazı değil, bir atom bombası meydana gelir. Birleşik Amerika'da, az saflaştırılmış uran 235 kullanılmaktadır. Bu saflaştırma oranı % 2-4 arasında değişmektedir.

    1. Fisyonun prensipleri: Ocak 1939 da Otto Hahn ve Fritz Strassman yeni bir tür nükleer reaksiyon tespit etmişlerdir. Uranyum'un düşük enerjili nötronlarla bombardıman edilmesi halinde bazı nötronların uranyum atomlarının çekirdeği tarafından absorbe edildiğini (tutulduğunu) tespit etmişlerdir. Ayrıca, bu suretle zorlanan çekirdeğin yeni bir reaksiyonla baryum verdiğini görmüşlerdir. Lise Meitner ve Otto Robert Frisch tarafından aynı yıl, zorlanan çekirdeğin daha küçük kütlede iki çekirdeğe ayrıldığı da açıklanmıştır. Bu çekirdek ayrışması yani fisyon, bir su damlacığı benzeşimiyle açıklanabilir. Eğer bir damla bir kuvvetle titreşime zorlanırsa, ilk önce elipsoit şekli alır, daha sonra ortası daralır ve sonuç olarak iki küçük damlaya parçalanır.

    Bu şekildeki bir çekirdeğin fisyonunda, şekillenen ağır parçacıkların kütlesi, başlangıçtaki kütleden biraz daha azdır. Arada kaybolan kütle enerjiye dönüşür. Bu enerji, fisyon sonucu parçacıklarda çok büyük kinetik enerji ortaya çıkar.

    Fisyon işlemi değişik fisyon ürünlerinin ortaya çıktığı pekçok değişik şekillerde meydana gelebilir. Fisyon sonucu ortaya çıkan maddeler, başlangıçtaki maddeden daha düşük atom ağırlıklıdırlar ve genellikle elektron vererek bozunan kararsız izotoplardır. Uranyum -235 izotopunun fisyonunun sonucu, çıkan maddeler


    çinkodan (atom numarası 30)















    gadolinyuma (atom numarası 64) kadar uzanır.

    Uranyum,











    toryum ve benzerleri, gamma ışınları veya döteron ile çekirdeklerine yeterli enerji sağlandığında fisyona giderler. Bunun yanında uranyum-238'in de içinde bulunduğu ağır çekirdekler ani fisyon meydana getirirler. Atom numarası ilerledikçe ani fisyona gitme eğilimi de artar. Ancak bu tür fisyonlar, nötronla başlatılan fisyon ve bunu izleyen zincir reaksiyonlarına göre daha az öneme sahiptir.

    Zincir reaksiyonları: Frederic Joliot-Curie, Hans von Halban ve Lew Kowarski tarafından 1939'da keşfedilen, nükleer reaksiyonun kendi kendisini beslemesi zincir reaksiyonu olarak isimlendirilir. U-235'in düşük enerjili nötron tarafından sebep olunan fisyonunda ortalama 2,5 ilave nötron açığa çıkar. Bu nötronlar da başka fisyonlar başlatacaklarından hızla büyüyen bir enerji açığa çıkar. Bu tür olayda zincir reaksiyonları sürekli ve hızla artarak devam eder. Zincir reaksiyonunun devam etmesi için tek şart; her bir reaksiyonun daha sonra bir fisyon meydana getirebilecek bir nötron açığa çıkarmasıdır.

    Fisyondan meydana gelen nötronlar yüksek kinetik enerjiye sahip olup, “hızlı nötronlar” olarak isimlendirilir. Bu tür nötronlar enerjilerini çarpma ile grafit, berilyum veya ağır su gibi hafif maddelerin bulunduğu ortama verirler. Bu ana ortam tarafından yavaşlatılan nötronlar “termal nötronlar” olarak isimlendirilir. Bunların kinetik enerjileri hidrojen gazı moleküllerininkilere benzer. Hızlı ve yavaş nötronların her ikisi de fisyon meydana getirirlerse de yavaş olanlar U-233, U-235 ve Pu-239 gibi ağır elemanların bazı izotoplarında etkili olurlar.

    Fisyon sonucu meydana gelen nötronlar ya reaksiyon ortamından kaçar veya başka bir reaksiyon tarafından kullanılır. İlk duruma ait kayıp, büyük bir sistem kullanılmasıyla küçültülebilir.

    Bir nükleer reaktörün kritik büyüklüğünün daha altına inildiğinde sistemden pekçok nötron kaçtığı için zincir reaksiyonu durur. Bu kritik büyüklük, fisyona uğrayan maddeye ve enerji alan ortama bağlıdır. Uranyumu fisyon maddesi olarak ve grafiti ana ortam olarak kullanan bir reaktör en büyük kritik büyüklükte olup, en azından 28 ton uranyum ve 500 ton grafite ihtiyaç duyar.
    Kanada,
    Fransa ve
    Norveç'te inşa edilenlerde olduğu gibi ara ortamı ağır su olan uranyum reaktörleri 3 ton uranyum ve 6,5 ton ağır suya ihtiyaç gösterir.

    Termal nötronlar, reaktördeki izotoplar tarafından yakalanarak daha ağır izotopların meydana gelmesine ve gamma radyasyonuna yol açar. İyi bir reaktör sisteminde, bu tür olayın meydana gelmesi en az seviyede olur.







+ Yorum Gönder
5 üzerinden 5.00 | Toplam : 1 kişi