Nükleer enerji

Bilgibank, Hoşgeldiniz
(Nükleer sayfasından yönlendirildi)
Gezinti kısmına atla Arama kısmına atla

Nükleer Enerji

Nükleer enerji üretimi, atomun çekirdeğiyle ilgili bir süreç olup, 2 şekilde gerçekleştirilebilir. Birincisi ağır bir çekirdeğin parçalanması, yani ‘fisyon’, ikincisi ise, 2 küçük çekirdeğin birleştirilmesi, yani ‘füsyon’...

Atomun Yapısı

Atomun çekirdeği, ‘çekirdekçik’ de denilen proton ve nötronlardan oluşan, hareketli ve karmaşık bir yapıya sahip. Çekirdekçiklerin de, ‘kuark’ üçlülerinden oluşan birer iç yapısı var. Proton 2 ‘yukarı’ ve bir ‘aşağı’ kuarktan, nötron ise 2 aşağı ve bir yukarı kuarktan oluşur. Kuarklar, tıpkı elektron gibi, iç yapısı olmayan ‘temel’ parçacıklardır.

Proton artı yüklü, nötron yüksüzdür. Dolayısıyla, çekirdeğin toplam yükü; protonların yüklerinin toplamına eşittir. Bilindiği gibi, benzer yükler birbirini iter, zıt yükler çeker. Bu ‘elektrostatik’ kuvvete, ‘Coulomb kuvveti’ de denir. Çekirdekteki protonlar, benzer yüklü olduklarından birbirini itmektedir. Buna rağmen çekirdeği bir arada tutan, çekirdekçikler arasındaki, sadece çekici olan ‘güçlü kuvvet’tir.

Atomda ayrıca, çekirdeğin etrafında elektron bulutları dolaşır. Elektronun yükü, protonunkinin negatifidir. Dolayısıyla, elektronları çekirdeğe bağlayan, artı yüklü çekirdeğin uyguladığı çekim kuvvetidir. Nötür bir atomun yörünge kabuklarındaki elektronların sayısı, çekirdeğindeki protonların sayısına eşittir. Nötür atomlar bu nedenle, net yük taşımaz. Ancak, kimyasal tepkimelere girip çıkarken elektron alıp verebilir; iyonlaşıp yüklü hale gelebilirler. Bir atomun diğer atomlarla ne gibi kimyasal tepkimelere gireceğini, yörünge kabuklarının yapısı ve kabuklardaki elektronların sayısı belirler. Kabukların yapısı, çekirdeğin yükü tarafından belirlenir. Elektron sayısı da, nötür bir atom için proton sayısına eşit olduğuna göre, bu sayı; atomun kimyasal davranışlarının temel belirleyicisidir. Bu yüzden, genelde Z ile gösterilen proton sayısına; atomun periyodik tablodaki hangi elemente ait olduğunu belirleyen sayı anlamında, ‘atom numarası’ da denir.

Boyut

Atomun yarıçapı, metrenin 10 milyarda biri, çekirdeğinki ise, atomunkinin 10 binde biri kadar. Bu yapılar için küresel şekiller düşünülecek olursa, yarıçapın küpüyle orantılı olan hacimler arasındaki oranlar, çok daha büyük oluyor. Örneğin atom, çekirdeğinin trilyon katı kadar hacme sahip. Yani çekirdek 1 cm3 hacmindaki bir bilye kadar olsaydı eğer, atom; 100x100x100 metre boyutlarındaki bir kapalı stadyumun, 1,000,000 m3'lük hacmine sahip olurdu: Maddenin neredeyse tamamı boşluk! Buna rağmen, el sıkışırken ellerimizin birbirinin içinden geçmemesinin nedeni, atomların dışındaki elektron bulutlarının birbirini itmesidir.

İzotop

Aynı elemente ait çekirdeklerin proton sayıları aynıdır. Fakat, nötron sayıları farklı olabilir. Belli bir elemente ait olup, nötron sayıları farklı olan çekirdeklere, o elementin ‘izotop’ları denir. O halde bir elementin farklı izotopları, aynı çekirdek yüküne, ama farklı kütlelere sahiptir. Nötronun kütlesi protonunkinden biraz daha büyük, fakat aradaki fark küçüktür. O halde çekirdeğin kütlesini, nötron ve proton sayılarının toplamından oluşan çekirdekçik sayısı, yaklaşık olarak belirler. Bu yüzden, A ile gösterilen bu sayıya, ‘çekirdeğin kütle numarası’ denir. Proton sayısı Z olduğuna göre, A-Z, nötron sayısını verir. Elektronun kütlesi görece çok küçük olduğundan, atomun toplam kütlesi kabaca, çekirdeğinkine eşittir. Bu yüzden, A’ya, ‘atomun kütle numarası’ da denir.

Örneğin karbon elementi 6 protona sahiptir ve kimyada C simgesiyle gösterilir. Ancak, doğada bulunan karbon çekirdeklerinin çoğu 6 nötron içerirken, azında 7 nötron bulunur. Yani doğal karbon, kütle numaraları 12 ve 13 olan iki izotoptan oluşmaktadır. Karbonun bu izotoplarını ayırdetmek için, C simgesinden sonra ‘tire’ işaretiyle ayrılmış halde kütle numaraları yazılabilir: C-12, C-13. Yaygın kabul gören bir başka gösterim, diyelim X elementi için; atom numarasını simgenin sol alt, kütle numarasını da sağ üst köşesine yazarak elde edilir: ZXA. Örneğin, doğadaki hidrojen çekirdeklerinin hemen hepsi tek bir protondan oluşmaktadır. ‘Protiyum’ da denilen bu çekirdekler, 1H1 şeklinde gösterilir. Ancak, hidrojen çekirdeklerinin bazılarında 1, pek azında 2 de nötron vardır. Sırasıyla, ‘döteryum’ ve ‘trityum’ olarak adlandırılan bu çekirdekler, 1H2 ve 1H3 şeklinde gösterilir. Bir başka örnek, atom numarası 92 olan uranyum elementinin, doğadaki en bol izotopları olan 92U235 ve 92U238

Kütle

Standart kütle birimi kg, küçük cisimler için fazla büyüktür. Bu nedenle, atomların kütlesini ölçmekte, ‘atom kütle birimi’ denilen küçük bir birim kullanılır. Bu birimin tanımı, “durağan halde ve temel enerji düzeyindeki bir 6C12 izotopunun kütlesinin 12’de biri” şeklinde.

Bağ Enerjisi

İki parçacık bir araya gelip birbirine bağlandığında, toplam kütle azalır ve bu kütle azalması, Einstein’in E=mc2 eşitliği uyarınca, enerji olarak açığa çıkar. Parçacıkları birbirinden ayırmak için, bu enerjinin geri verilmesi gerekir. Bu yüzden, sözkonusu enerji miktarına ‘bağ enerjisi’ denir. Kütle azalması ne kadar büyükse, parçacıklar birbirine o kadar sıkı bağlanır. Daha genel olarak; bir çekirdek ya da atomun kütlesi, o çekirdek ya da atomu oluşturan parçacıkların kütlelerinin toplamından az olup, aradaki fark toplam bağ enerjisine eşdeğerdir.

Kabuk Modeli

Çekirdekteki protonlarla nötronların oluşturduğu yapı, atomdaki elektronların yörünge yapısına benzetilebilir. Çekirdeğin ‘kabuk modeli’ denilen bu tasarıma göre, çekirdekçikler, artan enerji düzeylerine karşılık gelen yörüngelerde oturur. Protonlar ve nötronlar, farklı parçacık türleri olduklarından, bağımsız yörünge kabuklarını doldurur. Enerji düzeyleri arasındaki farklar, atomlarda eV veya kesri kadar iken, çekirdeklerde keV, hatta MeV düzeyinde olabilir. Her iki çekirdekçik türünün de bu kabuk yapısını, alttan yukarıya doğru sıra atlatmaksızın doldurmaları halinde, çekirdek olası en düşük enerji düzeyindedir. Bu enerji düzeyi, ‘temel enerji durumu’na karşılık gelir. Çekirdekçiklerden bazılarının, temel enerji durumundaki dizilimin gerektirdiğinden daha yüksek enerji düzeylerinde bulunması durumunda, çekirdeğin ‘uyarılmış hal’de olduğu söylenir. Uyarılmış çekirdek, hızla foton ışıyarak temel enerji durumuna geçer. Atomların ışdığından çok daha yüksek enerjilere sahip olan bu fotonlar, gama ışını olarak adlandırılırlar.

Bozunma

Bazı izotoplar, zamanla değişmediklerinden, ‘kararlı’ sayılırlar. Bazıları ise, iç yapılarındaki kuvvetler dengelenmemiş olduğundan ‘kararsız’dır. Bunlar, çeşitli parçacıklar ışıyarak, değişik hızlarla bozunur ve aynı ya da başka bir elementle ait kararlı izotoplara doğru dönüşürler. Kararsız bir izotopun başlangıçtaki sayısının yarıya inmesi için geçen süreye ‘yarılanma ömrü’ denir. Yarılanma ömrü, saniyenin kesrinden milyarlarca yıla kadar değişir. Çekirdek bozunmasına radyoaktivite de denir ve bozunan çekirdeklerin radyoaktif olduğu söylenir. En sık karşılaşılan bozunma biçimleri; alfa (α), beta (β) ve gama (γ) bozunmalarıdır...

Gama bozunmasında, çekirdek bir enerji düzeyinden daha alttaki bir enerji düzeyine geçerken, yüksek enerjili bir foton ışır. Atom ve kütle numaraları aynı kalır.

Beta bozunmaları, β- ve β+ bozunması olarak ikiye ayrılır. β- bozunması daha çok, nötronca zengin olan çekirdeklerde görülür. Bu bozunmada, çekirdekteki nötronlardan birisi, bir elektron (β-) ışıyarak protona dönüşür. Sonuçta, izotopun kütle numarası değişmezken, atom numarası 1 artar.

β+ bozunması daha çok, proton zengini çekirdeklerde görülür. Bu bozunmada; çekirdek, ‘pozitron’ da denilen ‘artı yüklü bir elektron’ (β+) ışıyarak protonlarından birini nötrona dönüştürür. Bozunma sonucunda, izotopun kütle numarası değişmez, atom numarası 1 azalır, yani başka bir elemente dönüşür. Eğer atom tümüyle iyonlaşmamışsa ve çekirdeğin etrafında elektronlar varsa, bu bozunmaya paralel olarak bir de ‘elektron yakalama’ süreci çalışır. Bu süreçte çekirdek, yine protonlarından birini nötrona dönüştürmekte, fakat bunu yörünge elektronlarından birini yakalayarak yapmaktadır.

Alfa bozunmasında; çekirdek, iki proton ile iki nötrondan oluşan ve ‘alfa parçacığı’ da denilen bir helyum-4 çekirdeği ışıyarak bozunur. Bozunma sonrasında çekirdek bazen uyarılmış enerji düzeyinde kalır ve enerji fazlasını, bir gama fotonu olarak ışınlar. Sonuç olarak, çekirdeğin atom numarası 2, kütle numarası 4 azalır. Bu bozunma türü, hem nötron hem de protonca zengin olan ağır çekirdeklerde görülür.

Bozunma ürünü olan çekirdek, genellikle kararsızdır; hatta bazen bozunan çekirdekten daha bile kararsız olabilir. Ki bu durumda, kendisi de bozunur. Bozunmalar, kararlı bir çekirdekle son bulana kadar devam eder. Böyle, birbirini izleyen bozunma dizilerine ‘bozunma zinciri’ denir.

Doğal İzotoplar

Doğada, hidrojenden uranyuma kadar, 92 element var. Bunlar, her biri değişik sayılarda olmak üzere, toplam 307 izotopa sahip. Bu doğal izotoplardan, bilindiği kadarıyla 244’ü kararlı. Kalan 63’ü kararsız. Elementlerden 80’i, en az bir kararlı izotopa sahip. Bunlar, ilk 82 element arasında yer alıyor. Bir de insan yapımı, ‘yapay’ izotoplar var. Yapay veya doğal, bilinen tüm izotopların sayısı 2600 kadar...

Çekirdek Tepkimeleri

İki hafif çekirdek kaynaştığında, çekirdekçik başına bağ enerjisiyle birlikte, toplam bağ enerjisi artar. Dolayısıyla, kütle azalır. Toplam bağ enerjisindeki artışa eşdeğer olan bu kütle azalması, enerji olarak açığa çıkar. Ağır bir çekirdeğin, orta ağırlıkta iki çekirdeğe parçalanması halinde de yine; çekirdekçik başına bağ enerjisiyle birlikte, toplam bağ enerjisi artar; kütle azalır, enerji açığa çıkar. Çekirdek kaynaşmasına ‘füsyon’, parçalanmasına da ‘fisyon’ denir. Her iki durumda da, açığa çıkan enerji miktarı MeV düzeyindedir. Kimyasal tepkimelerin verdiği eV düzeyindeki enerjilerin milyon katı kadar...

Fisyona bir örnek, uranyumun U-235 izotopunun yavaş bir nötron yuttuktan sonra parçalanmasıdır. Sonuçta ortaya, ‘fisyon ürünleri’ denilen orta ağırlıkta iki çekirdekle, 2 veya 3 (ortalama 2,47) hızlı nötron çıkar. Örnek bir parçalanma;

0n1 + 92U235 → 56Ba141 + 36Kr92 + 3 0n1

şeklindedir. Gerçekleşen kütle azalması, 200 MeV eşdeğeri kadardır. Bu enerjinin 168 MeV kadarı fisyon ürünlerinin, 5 MeV kadarı da nötronların kinetik enerjisi şeklinde iken, kalanı gama ışınları veya diğer parçacıklar tarafından taşınır.

Örnek bir füsyon tepkimesi ise; hidrojenin bir nötron içeren döteryum izotopu (1D2) ile, iki nötron içeren trityum izotopu (1T3) arasında yer alır:

1D2 + 1T3 → 2He4 + 0n1

Gerçekleşen kütle azalması, 17,6 MeV eşdeğeri kadardır.

Nükleer Enerjinin Eldesi

Bir nükleer santral kurmak için zenginleştirilmiş Uranyuma ihtiyaç vardır. Uranyumun fisyon tepkimesine girerek bölünmesi sonucunda açığa çok yüksek miktarda enerji çıkar. Bu bölünme için, nötronlar yüksek bir hızla uranyum elementinin çekirdeğine çarpar. Bu çarpışma çekirdeğin kararsız hale geçmesine ve sonrasında büyük bir enerji açığa çıkartan fisyon tepkimesine neden olur. Gerçekleşen tetikleyici ilk fisyon tepkimesi sonucunda ortama nötronlar yayılır. Bu nötronlar diğer uranyum çekirdeklerine çarparak fisyonu elementin her atom çekirdeğinde gerçekleştirene kadar devam eder. Ortaya çıkan enerji kontrol edilmediği takdirde ölümcül boyutlardadır. Kontrol etmek için reaktörlerde fazla nötronları tutan ve tepkimeye girmesini engelleyen üniteler vardır. Bu sayede kontrollü bir fisyon tepkimesi zinciri sağlanır.

Nükleer Santrallerde Üretim

Nükleer santralin iç yapısına baktığımızda, uranyumun fisyon tepkimesine girmesiyle oluşan enerji su buharının çok yüksek sıcaklıklara kadar ısıtılmasını sağlar. Yüksek sıcaklıktaki bu buhar, elektrik jeneratörüne bağlı olan türbinlere verilir. Türbin kanatçıklarına çarpan yüksek enerjili buhar, bilinen şekilde türbin şaftını çevirir ve jeneratörün elektrik enerjisi üretmesi sağlanır. Jeneratörde oluşan elektrik ise iletim hatları denilen iletken teller ile kullanılacağı yere gönderilir. Türbinden çıkan basınç ve sıcaklığı düşmüş buhar, tekrar kullanılmak üzere yoğunlaştırıcıya gider ve su haline geldikten sonra tekrar bölünme ile açığa çıkan enerji ile ısıtılıp buhar haline getirilir ve döngü devam eder.

Sözlük [1]

  • Ağır su: Hidrojen yerine döteryum atomlarından oluşan su (D2O).
  • Alfa bozunması: Kararsız bir çekirdeğin helyum-4 çekirdeği ışıyarak bozunması.
  • Alfa ışını: Alfa parçacıklarından oluşan ışın.
  • Altkritik: Nötron sayısının nesilden nesile azalması hali.
  • Arka cephe: Nükleer yakıt döngüsünün, yakıtın reaktörde kullanılmasından sonraki aşamaları.
  • Atom kütle birimi: Durağan halde ve temel enerji düzeyindeki bir 6C12 izotopunun kütlesinin 12’de biri
  • Atom numarası: Çekirdekteki proton sayısı; Z ile gösterilir, çekirdeğin hangi elemente ait olduğunu belirler.
  • Bağ enerjisi: Bir sistemi parçalarına, örneğin bir çekirdeği proton ve nötronlarına ayırmak için gereken enerji miktarı.
  • Beta bozunması: Kararsız bir çekirdeğin elektron (e-) veya pozitron (e+) ışıyarak bozunması.
  • Beta ışını: Elektron veya pozitronlardan oluşan ışın.
  • BWR: Kaynar su reaktörü (‘Boiling Water Reactor’).
  • Çekirdekçik: Proton veya nötron.
  • Doğurgan çekirdek: Kendisi fisil olmamakla beraber, bir nötron yuttuktan sonra fisil olan bir başka çekirdeğe dönüşebilen çekirdek.
  • Elektron volt (eV): Bir elektronun, 1 voltluk gerilimin üzerinden düşürülmesi halinde kazandığı kinetik enerji miktarı.
  • Fisil çekirdek: Hızlı veya yavaş nötron isabetiyle parçalanabilen çekirdek.
  • Fizyon: Büyük bir çekirdeğin parçalanması.
  • Fizyon ürünü: Ağır bir çekirdeğin parçalanması sonucundan açığa çıkan, orta ağırlıkta iki çekirdek.
  • Füzyon: İki çekirdeğin kaynaşması.
  • Gama bozunması: Kararsız bir çekirdeğin yüksek enerjili bir foton ışıyarak bozunması.
  • Gama ışını: Yüksek enerjili foton.
  • GCR: Gaz soğutmalı reaktör (‘Gas Cooled Reactor’).
  • Güçlü kuvvet: Çekirdekteki nötronlarla protonları bir arada tutan kuvvet türü.
  • Hızlı reaktör: Nötronların ortalama enerjisinin yüksek olduğu reaktör.
  • Hızlı üretken: Tükettiğinden fazla fisil çekirdek üreten hızlı reaktör
  • İzotop: Aynı sayıda proton içerdiklerinden dolayı aynı elemente ait olmakla berabar, nötron sayıları farklı olan çekirdekler.
  • Kelvin: Büyüklüğü santigrad dereceye eşit olan (1 K = 1 °C), fakat başlangıç değeri -273,17 °C’ye karşılık gelen, mutlak sıcaklık ölçeği. (°C= K -273,15)
  • KeV: Kilo elektron volt.
  • Kontrol çubukları: Reaktördeki zincirleme tepkimenin seyrini yöneten, nötron soğurucu çubuklar.
  • Kritiklik: Nötron sayısının nesilde nesile aynı kalması hali.
  • Kuark: Maddenin yapısı modellerine göre, nötron ve protonları oluşturan temel parçacıklar.
  • Kullanılmış yakıt: Reaktörden çıkartılan yakıt.
  • Kütle numarası: Çekirdekteki protonlarla nötronların toplam sayısı, yani çekirdekçik sayısı.
  • LWR: Hafif su reaktörü (‘Light Water Reactor’).
  • MeV: Milyon elektron volt.
  • Nükleer radyasyon: Kararsız çekirdekler tarafından salınan alfa, beta veya gama ışınları.
  • Nükleer reaktör: Çekirdek tepkimelerine dayalı olarak enerji üreten sistem.
  • Ön cephe: Nükleer yakıt döngüsünün, yakıtın reaktörde kullanılmasına kadarki aşamaları.
  • PHWR: Basınçlı Ağır Su Reaktörü (‘Pressurized Heavy Water Reactor’).
  • PWR: Basınçlı Su Reaktörü (‘Pressurized Water Reactor’).
  • Plazma: Maddenin çok yüksek sıcaklıklardaki, artı yüklü çekirdeklerle eksi yüklü elektronlara ayrışmış gaz hali.
  • Pozitron: Artı yüklü elektron, e+ veya β+ ile gösterilir.
  • Radyasyon dozu: Radyasyonun yol açabileceği biyolojik hasarın düzeyinin ölçüsü.
  • Radyoaktif çekirdek: Kararsız olduğu için bozunan çekirdek.
  • Radyoaktivite: Kararsız çekirdeklerin bozunma süreci.
  • Sievert: Radyasyon dozunun birimi, Sv ile gösterilir. Binde biri mSv’tir.
  • Süperkritik: Nötron sayısının nesilden nesile artması hali.
  • Temel enerji durumu: Bir çekirdek ya da atomun, olası en düşük enerji düzeyinde olması hali.
  • Temel enerji düzeyi: Bir çekirdek ya da atomun, bulunabileceği en düşük enerji düzeyi.
  • Termal reaktör: Nötronların ortalama enerjisinin düşük olduğu reaktör.
  • Tokamak: Simit şeklindeki füzyon reaktörü tasarımı.
  • Uyarılmış hal: Bir çekirdek ya da atomun, olası en düşük enerji düzeyinden daha yüksek bir enerji düzeyinde olması hali.
  • Yarılanma ömrü: Kararsız bir çekirdek türü bozunurken, başlangıçtaki sayısının yarıya inmesine kadar geçen süre.
  • Yeniden işleme: Kullanılmış yakıtın içeriğindeki işe yarar izotopların ayrıştırılması süreci.
  • Zenginleştirme: Doğal uranyumdaki fisil uranyum-235 oranının arttırılması işlemi.
  • Zincirleme tepkime: Fizyondan çıkan nötronların tekrar fizyona yol açmasıyla yeni nötronların ortaya çıkması durumu.

Kaynakça