ÇEKİRDEK BÖLÜNMESİ:

Çekirdek bölünmesinde, serbest bir nötronla çarpışma sonucu atom çekirdeği çeşitli parçacıklara ayrılır. Bütün bu parçacıkların toplam kütlesi, başlangıçta hedef alınan atom ile buna çarpan nötronun kütlesinden daha azdır. Arasındaki fark enerji biçiminde açığa çıkar. Albert Einstein belirledi ve E = mc² formülüyle tanımladı. Bu formüle göre açığa çıkan enerji (E), kaybolan kütle(m) ile ışık hızının karesini(c²) çarpımına eşittir. Işık hızı (c) çok büyük olduğundan, kütle kaybı çok küçük olsa bile açığa çıkan enerji miktarı çok fazladır.

Atom çekirdeği bölünebilen elementlere “Bölünebilir element” denir. Doğada bulunan tek bölünebilir element Uranyum ’dur. 1938’de iki Alman bilimci Hahn ve Strassmann, nötronlarla bombardıman ederek uranyum atomunu bölmeyi başardılar. Gene Laman bilimci Meither ve Frisch ise uranyum çekirdeğinin iki parçaya bölündüğünü kanıtladılar. Bir süre sonra bir grup Fransız bilimci, çekirdek bölünmesi sonucunda yalnızca daha hafif iki element ile çok miktarda radyoaktif ışıma (radyasyon) değil, bunların yanında başka serbest nötronlarında ortaya çıktığını buldu. Bu nötronların bu kez çevredeki öbür uranyum atomların da bölünmesine yol açacağını, böylece ortaya çıkacak yeni nötronların bütün uranyum atomlarına yayılacak bir zincirleme tepkime yaratabileceği ve sonuçta çok büyük bir enerjinin ortaya çıkacağı anlaşıldı.

Çekirdek bölünmesi sonucunda açığa çıkan enerjinin etkisiyle parçacıklar çok büyük bir hız kazanır; bu parçacıklar çevredeki maddelerin atomlarıyla çarpıştıkça yavaşlarlar ve böylece hareket enerjileri ısıya dönüşür. Bu ısı denetim altına alınabilir ve örneğin bir elektrik santralindeki türbinlerin çalıştırılmasında kullanılabilir yada atom bombası ve nükleer savaş başlıklarında olduğu gibi büyük yıkama neden olabilecek bir patlamayla çevreye salınabilir.

URANYUM ÇEKİRDEĞİNİN BÖLÜNMESİ:

Uranyum doğada iki ana biçiminin (izotopunun) bir karışımı halinde bulunur. Bu karışımın % 99’dan çoğunu uranyum-238 (U-238) % 1’den daha azını da uranyum-235 (U-235) oluşturur. Buradaki rakamlar kütle numarasını, yani çekirdekteki proton ve nötron sayılarının toplamını göstermektedir. U-238’in çekirdeğinde üç nötron fazlası vardır ve bu nedenle iki izotop farklı fiziksel özelliklere sahiptir. Yalnızca U-235’in atomları bölünebilir; U-238’in atomları ise doğurgandır yani kolayca bölünmeye uğramazlar ama yüksek hızdaki nötronları soğurarak, daha ağır bir element olan plütonyum-239 atomuna dönüşürler. Plütonyumun bu izotopu ise bölünebilir özelliktedir. Hem uranyum, hem de plütonyum nükleer reaktörlerde yakıt olarak kullanılır.

ÇEKİRDEK KAYNAŞMASI:

Günümüzde kullanılan reaktörlerde ağır atomların parçalanmasıyla açığa çıkan çekirdek bölünmesi enerjisinden yararlanılmaktadır. Ama çekirdek kaynaşması yani hafif atomların çekirdeklerini bir araya getirip kaynaştırarak ta nükleer enerji elde edilebilir. Güneş ve başka yıldızların enerjisi bu tür bir tepkimeden kaynaklanır; çekirdek kaynaşması hidrojen bombasının da temelini oluşturur. Çekirdek kaynaşmasına dayalı enerji santrallerinde, tepkimenin güvenilebilir ve denetlenebilir koşullar altında gerçekleştirilmesi gerekir.

En iyi sonuç veren kaynaşma iki hidrojen izotopu (Döteryum ve Trityum) arasında gerçekleşenidir. Döteryum ve trityum çekirdekleri kaynaşarak, bir helyum çekirdeği ile birlikte bir nötron oluştururlar ve bu sırada devasa miktarda enerji açığa çıkar. Deniz suyu sınırsız bir döteryum kaynağıdır; trityumda, gene bol bulunan ve hafif bir element olan lityumdan elde edilebilir.

Ne var ki, çekirdek kaynaşmasını gerçekleştirmek çekirdek bölünmesini gerçekleştirmekten daha zordur. Bu güçlük, içerdikleri protonlar nedeniyle artı elektrik yüklü iki çekirdeğin birbirini kuvvetle itmesi ve bir araya çok güç getirilebilmelerinden kaynaklanır. Bu doğal engeli aşmak için iki çekirdeğin hızla birbirlerine yaklaştırılması gerekir, bunu gerçekleştirmenin bir yolu, gaz halindeki yakıtı ısıtmaktır. Eğer bir gaz yeterince yüksek bir sıcaklığa kadar ısıtılırsa, atomlarındaki elektronlar çekirdeğin çekim etkisinden kurtulabilecekleri bir hıza ulaşır ve serbest kalırlar. Böylece, elektriksel olarak nötr durumda bulunan gaz, hızla hareket eden yüklü parçacıklardan oluşan ve plazma denen bir yapıya dönüşür. Plazma ne denli sıcaksa çekirdeklerde o ölçüde hızlı hareket eder.

Normal hava yoğunluğunu yüz binde birinden daha az bir yoğunluğu olan plazmanın içerdiği madde miktarı da doğal olarak çok azdır. Eğer bu sıcaklık ve yoğunluktaki plazma bulunduğu kapla temas ederse kabın duvarları erir, plazma soğur ve tepkime durur. Sorun, sıcak plazmayı bulunduğu kabın duvarlarından uzak tutmaktır.

Bu, manyetik alanlardan yararlanılarak başarılabilir. Plazma elektrik ile yüklü parçacıklardan oluştuğu için hem elektriksel hem de manyetik kuvvetlerden etkilenir. Böylece plazma manyetik alan yardımıyla, sınırlı bir bölgede tutulabilir. Bunu gerçekleştirmek için, gaz, “halka” (torus) denen, otomobil lastiği biçiminde ve bir dizi manyetik bobinle kuşatılmış bir vakum kabına konur. İçinden geçirilen elektrik akımı gazı ısıtır ve aynı zamanda da bir manyetik alan yaratır. Dışta bulunan mıknatıslarla birlikte bu alan, tepkimeye giren karışımı halkanın iç duvarlarından uzakta tutar.

Plazma uğraşılması oldukça güç bir maddedir; bu nedenle bilim adamları bir başka çekirdek yöntemi araştırmaya girişmişlerdir. Üzerinde çalışılan yöntemlerden biri Laser Füzyonu dur; bu yöntemde çekirdekleri kaynaştırılacak maddeler (Döteryum yada Trityum) güçlü bir laser bombardımanına tutulur. 1989’da gerçekleştirildiği ileri sürülen bir başka yöntem de soğuk füzyon dur. Bazı bilim adamları hiç ısı kullanmadan lâboratuarda bir kap içinde döteryum-döteryum kaynaşması sağladıklarını açıklamışlarıdır. Ama bu yöntemin geçerliliği hâlâ tartışmalıdır.

Çekirdek kaynaşması araştırmaları 1950’lerden beri sürmektedir. En geniş deney projelerinden biri Avrupa’da Avrupa Atom Enerji Topluluğunun (Euratom) denetiminde yürütülmektedir. Bu projenin merkezi İngiltere’de Oxfordshire’daki Culham’da kurulu olan jet reaktörüdür. Buna benzer reaktörler ABD, Rusya ve Japonya’da da kurulmaktadır.

Çekirdek kaynaşması tepkimesiyle üretilebilecek enerji miktarı, çekirdek bölünmesiyle elde edilenden çok daha büyüktür. Eğer füzyon güvenli bir biçimde gerçekleştirilebilirse, geleceğin füzyon reaktörleri çok az nükleer yakıta gereksinim gösterecek ve o ölçüde az atık üretecektir.