Fisyon ve Füzyon Nedir? Aralarındaki Farklar Nelerdir?

Tarih | 6 Nisan 2018

Bu yazımızda “Fisyon ve Füzyon Nedir? Aralarındaki Farklar Nelerdir?” Sorusuna yanıt vermeye çalışacağız. Ancak bundan önce bazı temel kavramlar konusunda kısaca bilgi vermeye çalışalım.

Atom: Bir elementin kimyasal özelliklerini taşıyan en küçük parçasına atom denir. Evrende bilinen bütün maddeler (kozmik madde, yüksek enerjili madde ve anti madde hariç), pozitif yüklü bir çekirdek ve etrafında dönen negatif yüklü elektronlardan oluşan yaklaşık 100 farklı atomdan meydana gelmektedirler. Atomun çekirdeği ise nükleon olarak adlandırılan ve elektronlara göre yaklaşık 2000 kat daha ağır olan, artı yüklü proton ve yüksüz nötronlardan oluşmaktadır. Dolayısıyla bu üç parçacık, etrafımızdaki sonsuz çeşitlilikteki maddenin temel yapı taşlarıdır. Şu andaki bilgilerimize göre elektronlar, kendilerini oluşturan alt parçacıklar olmadığından temel parçacık olarak kabul edilirler. Nükleonlar ise, elektronun “-1” yüklü olduğu varsayıldığında, “+2/3” veya “-1/3” elektrik yükünde olan quark adı verilen üç alt parçacıkdan oluşmuşlardır.

Molekül: Doğada atomlar genellikle daha kararlı enerji seviyelerinde bulunmak amacıyla yörüngelerinde bulunan elektronları başka atomlarla paylaşırlar. Atomların bir araya gelmesi ile moleküller oluşur. Bir elementte aynı cins atomlar tek olarak veya moleküller halinde biraradadır.

Kimyasal Tepkime: İki veya daha fazla sayıda madde biraraya geldiğinde, moleküllerdeki atomların aralarında yeniden düzenlenmesine kimyasal tepkime denir. Bu sırada elektronların paylaşılması da değişir. Kimyasal tepkimelerin bir özelliği, ilgili atomların çekirdeklerinde bulunan parçacık sayısının tepkime sırasında değişmemesidir.

Çekirdek Tepkimesi: Kimyasal reaksiyonların aksine atomların çekirdeklerinde bulunan parçacıkların kendi aralarında veya dışarıdan gelen bir etki sonucunda değişimleri sonucunda çekirdek tepkimeleri oluşur. Çekirdek tepkimesi sonucunda eğer proton sayısı değişiyor ise farklı bir elemente ait bir atom oluşmuş olur.

Ağır radyoaktif (Uranyum, Toryum gibi) atomların bir nötronun çarpması ile daha küçük atomlara bölünmesi (fisyon) veya hafif radyoaktif atomların birleşerek daha ağır atomları oluşturması (füzyon) sonucu çok büyük bir miktarda enerji açığa çıkar. Bu enerjiye nükleer enerji denir.

Fisyon (Çekirdek Parçalanması) Nedir?

Fisyon bir nötronun, uranyum gibi ağır bir element atomunun çekirdeğine çarparak yutulması, bunun sonucunda bu atomun kararsız hale gelerek daha küçük iki veya daha fazla farklı çekirdeğe bölünmesi reaksiyonudur. Dolayısıyla Fisyon, bir çekirdek tepkimesidir. Parçalanma sonucunda ortaya çıkan atomlara fisyon ürünleri denir. Bunların bazıları radyoaktiftir. Bir nötron yutulması ile başlayan fisyon tepkimesi sonucunda, büyük miktarda enerji ile birlikte, birden fazla nötron ortaya çıkar. Çekirdek tepkimeleri sonucunda açığa çıkan enerji, kimyasal tepkimelere göre yaklaşık bir milyon kat düzeyinde daha fazladır.

Zincirleme Reaksiyon: Fisyon sonucunda ortaya çıkan nötronların, ortamda bulunan diğer fisyon yapabilen atom çekirdekleri tarafından yutularak, onları da aynı reaksiyona sokması ve bunun ardışık olarak tekrarlanmasıdır. Kontrolsuz bir zincirleme reaksiyon, çok çok kısa bir süre içinde çok büyük bir enerjinin ortaya çıkmasına neden olur. Atom bombasının patlaması bu şekildedir. Nükleer santrallarda ise zincirleme reaksiyon kontrollu bir şekilde yapılır. Bu kontrolun kaybedilerek nükleer yakıtın bir bomba haline dönüşmesi fiziksel olarak olanaksızdır.

Uranyum en temel fisyon yakıtı olup birkaç izotoptan meydana gelmektedir. Bu izotoplar tabiattaki uranyum içerisinde %0.7 oranında bulunan 235U ve %99.3 oranında bulunan 238U dur. 235U çok büyük bir olasılıkla fisyon yaptığı için bugünkü reaktörlerin asıl yakıtı konumundadır. 238U nun çok az bir kısmı plutonyuma dönüşmekte ve fisyon yoluyla değerlendirilmektedir. Böylece, nükleer reaktöre konulan yakıtın ancak %1 i yakılmakta, %99 ise kül olarak alınmaktadır. Yüksek derecede radyoaktif olan bu artık çok özel tekniklerle uzun süre saklanmalıdır.

Fisyon, bugünkü nükleer reaktör teknolojisinde elektrik enerjisi elde etmek için kullanılan bir yöntemdir. Birbirinden bağımsız birkaç emniyet sistemi reaktörde kazanın oluşmasına engel olmaktadır. Reaktörden çıkan radyoaktif malzeme ise camlama, kurşun zırh, tuz mağaralarına gömme gibi yöntemlerle yıllarca dayanacak tekniklerle saklanabilmektedir.

Toryum, plütonyum ve uranyum gibi radyoaktif elementlerin atomlarının, nükleer santrallerin reaktörlerinde kontrollü bir şekilde parçalanması sonucu meydana gelen ısı enerjisinden, elektrik enerjisi üretilmesi için kullanılan bir kaynaktır.

Füzyon (Çekirdek Birleşmesi) Nedir?

Hafif radyoaktif atom çekirdeklerinin birleşerek daha ağır atom çekirdeklerini meydana getirmesi olayıdır. Füzyon tepkimesinde ortaya çıkan sıcaklık çok daha büyüktür. Güneşteki tepkimeler bu gruba girer.

Füzyon reaksiyonu en hafif iki element olan hidrojen ve helyum arasında en kolay meydana gelir. Hidrojenin 3, helyumun ise 2 izotopu mevcuttur. Hidrojenin (H) 2. iztopu döteryum (D) 3. izotopu ise trityum (T) olarak bilinmektedir. D ve T arasındaki füzyon olasılığı çok yüksektir. İlave olarak D ve D arasında da füzyon kabiliyeti yeterince yüksektir. Bu nedenle gelecekteki füzyon reaktörlerinin yakıtı D ve T olacaktır. D tabii su içerisinde 1/6000 oranında bulunmaktadır. Dolayısıyla sudan ayrılarak elde edilebilir. Yeryüzündeki tüm suyun yarısının içinden D ayrıştırılırsa 23 tirilyon tonluk bir potansiyel elde edilir. Bu potansiyel şimdiki dünyanın yıllık enerji tüketiminin 16 milyar katıdır. Dolayısıyla gelecekteki füzyon reaktörleri yakıt darboğazına düşmeyecektir. Trityum (T) ise lityumun nötronlarla bombardımanından üretilir. Dünyada bilinen lityum rezervlerin T ye dönüştürülmesi bugünkü dünyanın yıllık enerji tüketiminin 2000 katı potansiyel meydana gelmiş olur. Füzyon enerjisinin öneminin anlaşılması için şu kriterede bakmak gerekir. Bir litre suda varolan D ayrılıp füzyona tabii tutulsa 300 litre benzinin yanmasıyla oluşan enerjiye eşdeğer enerji elde edilir. Ancak Füzyon reaksiyonun meydana gelmesi için çok yüksek sıcaklığa sahip plazma ortamı (≈ 100 milyon o C) gereklidir. Teknolojik malzemeler bu sıcaklığa dayanamaz. Bu nedenle plazmayı boşlukta askıya alan yöntemler üzerinde çalışmalar devam etmektedir. Araştırma amaçlı bazı prototipler başarılı neticeler vermektedir. Çok pahalı ve çok özel teknoloji isteyen bu sürecin 30-50 yıl kadar daha devam edeceği tahmin edilmektedir. Bazı problemlerin çözümü için süper iletken teknolojisi, materyal problemi ve daha ekonomik performans şartlarının sağlanması gerekmektedir. Bugün kullanılan nükleer reaktörlere yapılan itirazları ve riskleri taşımayan füzyon reaktörleri gelecekte tek başına insanlığın enerji ihtiyacını binlerce yıl karşılayabilir. Hatta ekonomik olarak güçlü ülkelerin bu sahadaki araştırma fonlarını büyütmeleri daha kısa zamanda füzyon elektriğine geçişi sağlayacaktır.

Kaynak: