Çekirdek Enerjisi Nedir

Çekirdek Enerjisi Nedir

Çekirdek Enerjisi NedirEnerji olmaksızın doğanın etkinlik göstermesi, insanların çaba harcıyabilmeleri olanaksızdır. Enerjinin birçok türleri vardır. Bu enerji türlerinin her biri birbirine dönüşebilir. İnsanlar, canlı yaşamın diğer biçimlerinden ya da doğanın kullandığı enerjiden daha fazla enerji kullanır. Vücut gereksinimini karşılamak için gerekli enerji besin yoluyla alınır. Bunun dışında, ısınma ve aydınlatma, makinelerin işletilmesi ve benzer etkinlikler için enerji kullanılır. İnsanların enerjiye olan istekleri arttıkça ve enerji kaynakları tükenmeye yüz tuttukça, yeni enerji kaynaklarının bulunması sorunu ortaya çıkar. Şimdiye kadar bulunan en büyük enerji kaynaklarından biri, bazen atom enerjisi ve nükleer enerji olarak da adlandırılan çekirdek enerjisidir.

Çekirdek enerjisinin kaynağı atomdur. Atomlar, maddenin en küçük tanecikleridir. XX. yüzyıla kadar atomlar konusunda çok az şey biliniyordu. Nitekim çekirdek enerjisi de son zamanlarda bulunmuştur. Atomlar, küçük taneciklerden oluşurlar. Her atomda eksi elektrikle yüklü elektronlarla çevrili bir çekirdek vardır. Çekirdek, çok sıkı bir biçimde birbirlerine yapışık durumda olan proton ve nötron adlı tanecikler topluluğudur.
Protonlar, artı elektrikle yüklüdür, nötronlar ise yüksüzdürler.

Atom içindeki tanecikler, çok güçlü çekirdek kuvvetleri tarafından birbirleri ile sıkı bir biçimde bağlıdırlar. Protonların artı yükü, elektronların eksi yükünü dengeler. Böylelikle atomlar, bir bütün olarak yüksüzdürler.

Bölünme ve birleşme: Atom çekirdeğinden enerji elde etmenin iki yolu vardır. Bazı çekirdekler bölünerek enerji verebilirler. Buna bölünme adı verilir. Bazı çekirdekler ise yeni çekirdekler oluşturacak biçimde birleşirler ve bunun sonucunda enerji verirler. Bu sürece de birleşme adı verilir. Bölünme ve birleşme iki farklı süreç olmasına karşın her ikisi de büyük çapta enerji verir. Bölünme, birleşmeye oranla daha basit bir süreçtir ve daha önce bulunmuştur. Birleşme yoluyle enerji elde etmede karşılaşılan güçlükler henüz giderilememiştir. Günümüzde, çekirdek enerjisi üretiminde kullanılan başlıca yöntem bölünmedir.

Bölünme yönteminde, çekirdek nötron bombardımanına tutularak parçalanır. Nötron elektrik yüklü olmadığı için çekirdeğe kolaylıkla isabet eder. Çekirdeğin parçalanmasıyla yeni tanecikler ortaya çıkar. Bunlardan bazıları eski çekirdeğin enerjisinden daha az enerjisi olan yeni çekirdeklerdir. Diğerleri ise eski’ çekirdekten çıkan nötronlardır.

Parçalanan çekirdekteki enerjinin bir kısmı yeni çekirdeklere, bir kısmı da yeni nötronlara gider. Yeni nötronların enerjisine kinetik enerji, veya hareket enerjisi adı verilir. Nötronların kinetik enerjisi hemen ısı enerjisi biçiminde çevredeki atomlara geçer. Isı enerjisi, atomların kinetik enerjisinden başka birşey değildir.

Birleşmede ise, iki küçük atom çekirdeği birbirleri ile çarpışma sonunda birleşerek yeni bir çekirdek oluştururlar. Birleşmenin olabilmesi için atomlardaki elektronun uzaklaştırılarak atom çekirdeğinin yalnız bırakılması gerekir. Bunun için bir gazın atomları yüksek bir sıcaklığa ısıtılır. Bu durumda atomlar çok hızlı hareket ederler ve birbirlerine çarparak elektronlarını atarlar. Bunun sonucunda protonların varlığı nedeniyle çekirdek artı yüklü olur. Artı kutupların birbirlerini itmeleri nedeniyle yeni çekirdekler kolay kolay birbirleri ile çarpışamazlar. Ancak sıcaklık çok fazlaysa çekirdekler birbirleri ile çarpacak biçimde hızla hareket ederler ve birleşerek yeni çekirdekler oluştururlar.
Birleşme sonucunda nötronlar da oluşur. Bunlar hızla hareket ederler. Bu nedenle, nötronların arzulanan düzeyde kinetik enerjileri vardır. Birleşme, genellikle “termonükleer tepkime” olarak da adlandırılır; çünkü bu süreci başlatmak için ısıya gerek vardır (termo, ısı anlamına gelir).

Her iki yöntemde de enerji üretimi için, farklı bir madde, ya da çekirdek yakıt kullanır. Bölünmede parçalanması güç olmayan bir çekirdek gerekir. Büyük çekirdekleri parçalamak, küçük çekirdekleri parçalamaktan daha kolaydır. Bunun nedeni çekirdek içindeki protonlar arasındaki itme kuvvetinin daha fazla oluşudur. Her protonun artı elektrik yükü, öbür protonların artı elektrik yükü tarafından itilir. Protonların çok olduğu büyük çekirdeklerde bu itme kuvveti daha fazladır. Bu nedenle bölünmede nispeten daha büyük çekirdek gerekir.

Birleşmede ise küçük çekirdekler gereklidir. Bu nedenle birleşme yöntemi için bölünmedekinden farklı bir malzeme kullanılır. Bölünme enerjisi, oldukça büyük olan uranyum atomlarının çekirdeklerinin kullanılması ile üretilir. Birleşme enerjisi ise atomların en küçüğü olan hidrojen atomlarından elde edilir. Hidrojen ve uranyum doğada bulunan birçok elementin iki örneğidir. Bölünmede çekirdeğin bölünmesi için hızla hareket eden nötronların olması gerekir. Birleşmede ise hızla hareket ederek birbirlerine çarpan çekirdekler gerekir. Her iki durumda da dışarıdan kinetik enerji sağlanır. Enerji, ilkin bir başka kaynaktan verilir. Sürecin başlamasından sonra ise, kendi kendine devam eder ve bir yandan kendine yetecek düzeyde enerjiyi üretirken bir yandan da bizim için gerekli enerjiyi üretir.

Kendi kendine devam eden bölünme sürecine zincirleme tepkime adı verilir. Bunun kendi kendine süreklilik kazanması, nötronlar tarafından parçalanan çekirdeğin kendi içinde bulunan nötronları salıvermesinin sonucudur. Daha sonra bu nötronlar başka çekirdekleri parçalamada kullanılır. Bu işlem de başka çekirdekleri parçalamaya yarıyan ek nötronlar ortaya çıkartır ve süreç bu biçimde aralıksız devam eder.

Nötron çok hızlı hareket ederse çekirdeği parçalamaz; çekirdeğe çarpmadan geçerek kaybolur. Bu durumda nötronların ya ortaya çıktıktan sonra yavaşlatılması, yada kaçıp kurtulmalarını engelleyecek kadar çok çekirdeğin olması gerekir. Çekirdek yakıtı parçaları, yavaşlatıcı adı verilen bir madde içine yerleştirilir. Çekirdek yakıtından elde edilen nötronlar, yavaşlatıcının atomlarına çarpar. Bunun sonucunda nötronların hızı yakıt çekirdeğini parçalayacak derecede azalır. Grafit ve su en çok kullanılan yavaşlatıcı maddelerdir. Belli bir yerde çok fazla çekirdek varsa, zincirleme tepkime, bir patlamaya yol açacak biçimde hız kazanır. Patlamanın ortaya çıkması için gerekli çekirdek yakıtı miktarına kritik kütle adı verilir.
Birleşme işlemi, yakıtın kritik sıcaklığa kadar ısıtılması durumunda kendi kendine devam eder. Bunun sonunda çekirdekler birleşir ve enerji ortaya çıkar. Bu enerjinin bir kısmı, yakıtın geri kalanını ısıtır. Böylelikle yakıt atomlarının hepsinin kullanılmasına kadar işlemin kendi kendine devam edebilmesi için gerekli ısı sağlanmış olur. Sıcaklığın milyonlarca derece olması gerektiğinden, tanecikler için özel bir kabın yapılması gerekir. Bilim adamları, manyetik alanlar kullanarak böyle kapların yapılmasına çalışmaktadır. Manyetik alan, elektrik yüklü taneciklerin hareketlerini denetleyebilir. Birleşme işleminde yer alan tanecikler, elektronlar ve çekirdeklerdir. Bunlar elektrik yüklüdür ve kuvvetli manyetik alanlar içinde tutulabilirler. Ancak bilim adamları İabo-ratuvarlarda böyle kapların yapılmasında bazı güçlüklerle karşılaşmaktadır.

Uzaydaki yıldızlarda birleşme işlemi kolaylıkla gerçekleşir. Yıldızların kütlesi çok büyüktür. Yıldızların merkezindeki maddeler büyük bir basınç altında sıkışmış durumdadır. Böylelikle tanecikler kaçamaz ve birleşme işlemi devam eder. Yıldızların ışığı atomlardaki çekirdeklerin birleşmesi sonunda ortaya çıkan enerjinin sonucudur.

Reaktörler ve yakıtlar: Çekirdek enerjisi üreten üreteçlere (jeneratörlere) reaktör denir. Bölünme işleminin yapıldığı reaktörler çeşitli kısımlardan oluşur. Reaktörün ortasında çekirdek yakıtı ve yavaşlatıcı madde bulunur. Bazı durumlarda bu kısımda nötronları soğuran bir maddeden yapılan denetleme çubukları bulunur. Reaktör içindeki tepkime, bu çubukların sokulması ile durdurulabilir. Bu çubukların biraz çekilmesi sonunda da tepkime başlatılabilir.

Bundan sonra reaktörün ortasında üretilen enerjinin toplandığı düzen gelir. Enerji, yeni ortaya çıkan nötronlardaki kinetik enerji biçimindedir. Nötronlar çevresindeki yakıt ve yavaşlatıcı maddelere çarparak onları ısıtır. Bu ısı suyu kaynatır ve bu şekilde elde edilen buhar bir elektrik üretecini çalıştırır.

Son olarak insanları reaktörden koruyacak bir kılıf gereklidir. Birleşme işlemi sonunda ortaya çıkan çok hızlı tanecikler ve başka ışınımlar çok tehlikelidir. Kalın bir beton tabakası iyi bir koruyucu kılıf oluşturur.

Yakıt çekirdeğinin parçalanmasından sonra ortaya çıkan yeni çekirdeklerin her biri genellikle radyoaktiftir. Bunlar da oldukça tehlikeli ışınımlar yaratırlar. Bu maddeler yavaş yavaş reaktörlerin içinde birikir. Bazı reaktörlerde bunlar, atılması gereken artık maddeler oluşturur. Zincirleme tepkimenin olduğu reaktörlerde ortaya çıkan bu maddeler yeniden çekirdek yakıtı olarak kullanılır. Ancak en sonunda bu yakıt da radyoaktif bir artık olur.
Radyoaktif artıkların atılması büyük bir sorun yaratır. Yeryüzünde reaktör sayısı arttıkça radyoaktif artıkların, insanlara zarar vermeyecek biçimde atılacak bir yerin bulunması giderek güçleşmektedir. Bugün bu artık maddeler, koruyucu bir kılıf içine sarılıp toprak altında yakılmaktadır. Birleşme işlemi, çevre kirlenmesine karşı bir önlem olarak değerlendirilebilir. Çünkü bu işlem sonunda hiç bir artık madde ortaya çıkmaz.

Reaktörler aynı zamanda oldukça fazla ısı kaybeder. Reaktörlerden kaybolan bu ısı, su aracılığı ile çevredeki göl veya nehirlere taşınır. Bunun sonunda balıkların ve bitkilerin yaşamını etkileyecek ölçüde sıcaklık değişiklikleri ortaya çıkar. Isısal kirlenme olarak adlandırılan bu durum çekirdek enerjisi ile uğraşan bilim adamlarının karşılaştıkları bir başka güçlüktür.

Çekirdek enerjisi üretimi gittikçe gelişen bir sanayidir. Kullanılan yakıtta belli oranda bir kimyasal element yanında, o elementin izotopunun da olması gerekir. Bir elementin farklı türde atomlara sahip çeşitlerine o elementin izotopu denir. Bir elementin izotopları, çekirdeklerindeki farklı nötron sayısı nedeniyle birbirlerinden farklıdır. Hidrojenin üç izotopu vardır. Bunlardan biri, suda bulunan adi hidrojendir, öbür iki izotop deteryum ve trityumdur. Bu iki izotop birleşme işleminde kullanılabilir. Bunlar doğada bulundukları için reaktörlere gerekli yakıt da kolaylıkla sağlanmış olur. Ortalama olarak 6 500 hidrojen atomundan biri, deteryum atomudur. Bu nedenle deniz suyunda oldukça fazla deteryum atomu vardır ve buradan elde edilecek deteryum atomları, birleştirme işlemi için bitmez tükenmez yakıt sağlıyacaktır.

Bölünme işleminde uranyum atomunun izotopu kullanılır. Bu izotopa, çekirdeğinde 235 nötron ve proton bulunduğu için uranyum 235 adı verilir. Uranyum 235 toprakta bulunan uranyumun içinde çok az ölçüde bulunur. Bunun, diğer izotoplardan ayrılması gerekir. Uranyum çekirdek enerjisi için çok önemli olduğundan bir çok ülke için çok kıymetli doğal bir kaynak olmuştur. Yer-yüzündeki uranyum kaynaklarının yarısı Amerika Birleşik Devletleri ve Kanada’dadır. Ancak yapı malzemesi olarak kullanılan granit taşında da uranyum vardır ve bölünme işlemi için sınırsız bir yakıt kaynağı oluşturur.

İlk çekirdek reaktörü 2. Dünya Savaşı sırasında kurulmuştur. İtalyan fizikçisi Enrico Fermi tarafından yönetilen Amerikan bilim adamları, grafiti yavaşlatıcı olarak kullanıp uranyum ile zincirleme tepkime yapmayı başardılar. O zamandan beri çeşitli amaçlarla yüzlerce bölünme reaktörü gerçekleştirildi. Bunlar elektrik, tıpta kullanılan radyoaktif maddeler ve araçlar için güç üretirler. Gelecekte uzun gezilerin yapılacağı uzay gemileri çekirdek enerjisi ile çalışabilecektir.

Isısal kirlenme, artık maddelerin atılması ve güvenlik nükleer enerji kullanımı konusunun büyük sorunlarıdır. Bilim adamları, bu sorunları çözüme bağladıktan sonra çekirdek enerjisi daha yaygınlaşacaktır.

Yorum yazın