Atomu parçalamak hepimizin zaman zaman sohbet ortamlarında duyduğu bir cümle. Bu yazıda bilimsel açıdan ele alacağız. 1911 yılında atomun içindeki çekirdeğin keşfinin ardından, radyoaktif maddelerden elde edilen parçacıklarla bombardıman edilen bu atom çekirdeklerinin parçalanabileceği ve sonuçta da büyük miktarda enerji açığa çıkabileceği bulundu. En ağır çekirdeğe sahip uranyum ve izotopları nötronlar aracılığıyla parçalanmaktaydı. Otto Hahn (1879-1968) ve Lise Meitner (1878-1968), uranyum çekirdeğinin ikiye bölünebileceğini keşfettiler.
Atomu parçalamak
"Fisyon" adı verilen bu süreçte fazladan nötronlar da açığa çıkmakta ve bu nötronlar fisyon sürecinin devamına neden olmaktadır. 1942 yılında Enrico Fermi (1901-1954) önderliğindeki bir araştırma ekibi, dünyanın ilk nükleer reaktöründe bu zincirleme reaksiyonu yapmayı başardılar. Üç yıl sonra ise, bu zincirleme reaksiyon Japonya'nın Hiroşima ve Nagazaki kentlerini yok eden nükleer bombalarda kullanıldı.
Zincirleme reaksiyon
Bir nükleer reaksiyon ya da nükleer patlamadaki enerji kaynağı zincirleme gerçekleşen reaksiyonlardır. Bir uranyum ya da plütonyum çekirdeği fisyonla ikiye bölünür, ortaya yeni nötronlar çıkar ve bu nötronlar da başka çekirdek fisyonlarına neden olur. Bölünen parçaların enerjisi ve ışıması sonucu çok büyük miktarda ısı açığa çıkar. Bu ısı, reaktörlerde denetimli şekilde elektrik üretmek için kullanılır. Patlama sonucu ortaya çıkan ısı ise bundan çok daha şiddetlidir.
Bu süreci adım adım anlatalım:
- Başıboş nötronlar
Işımayla bombardıman edilen atomlardan nötron açığa çıkar. Bazen bozunan uranyum çekirdeklerinden de nötron açığa çıkabilir, fakat bu nötronlar çok nadiren uranyum çekirdekleriyle tepkimeye girerek bir zincirleme reaksiyona neden olurlar. Nükleer reaksiyonların çoğunda, radyoaktivitesi yüksek fakat az bulunan bir uranyum izotopu, uranyum-235 kullanılır.
- Çekirdek bölünmesi
Bir nötron başka bir uranyum çekirdeğine çarptığında, çekirdek neredeyse eşit olacak şekilde ikiye bölünür. Bu sırada, yüksek enerjili radyasyonun yanı sıra birkaç tane de nötron açığa çıkar. Bu nötronlar bir zincirleme reaksiyonla diğer çekirdek bölünmelerine neden olabilir. Bu nötronları yavaşlatmak için grafit ya da uranyumla ağır su kullanılır.
Aile desteğiyle atomu parçalamak
1917 yılında, Lise Meitner ve Otto Hahn uranyum cevherlerinde protaktinyum adını verdikleri yeni bir element keşfettiler. 1939 yılında ise, Meitner ve yeğeni Otto Frisch (1904-1979) uranyum fisyonunu gerçekleştirdiler. Otto Hahn, nötronlarla uranyum çekirdeklerinin parçalanması üzerinde çalıştı. Bu parçalanma sürecinin yan ürünleri arasında uranyum çekirdeklerinin yarısı ağırlığındaki baryum çekirdekleri de vardı. Atomu parçalamak denildiğinde bu aileyi hatırlayabilirsiniz.
Daha zengin bir yakıt: U-235
Yakıt çubukları, yüksek oranda uranyum-235 içeren ve uranyum dioksit adı verilen bir uranyum bileşiği parçalarından oluşur. Bu çubuklar Magnox reaktöründe ve İngiliz Gelişkin Gaz-Soğutmalı reaktörlerde (Advanced Gas-Cooled Reactor-AGR) kullanılır.
Kararsız Uranyum: uranyum-238 (U-238)
Uranyumun temel izotopu uranyum-238 (U-238)'dir. Çekirdeğinde, 92 adet proton ve 146 adet nötron olmak üzere toplam 238 adet parçacık bulunur. Nötronlar, çekirdekteki protonların artı yüklerden dolayı birbirlerini itmelerini engeller. Bununla birlikte, kararsız bir U-238 çekirdeği zaman zaman kendiliğinden bozunarak bir atom parçacığı yayar ve sonunda da toryum çekirdeğine dönüşür. Toryum çekirdeği de kararsızdır. Dolayısıyla bu zincirleme bozunma süreciyle o da değişik parçacıklar haline gelir ve süreç bir kurşun çekirdeği oluşana dek sürer.
Diğer uranyum izotopları da benzer zincirleme bozunum süreçlerinden geçerek, kurşunun farklı bir izotopuna dönüşür. Bu özellik, uranyum içeren kayaların radyoaktivitelerine bakılarak fark edilmesini sağlar. Uranyum, fisyon yoluyla da parçalanabilir, bu da bir zincirleme reaksiyona neden olabilir. Böyle bir zincirleme reaksiyon için özel koşulların sağlanması gerekir ve yeterli miktarda, görece daha saf uranyum kullanılmalıdır.
Atom bombasının habercisi
İlk nükleer patlamadan 40 yıl önce, 1905 yılında, Albert Einstein (1879-1955) Özel Görelilik Kuramı'nda, enerji ile kütlenin eşdeğer olduğunu ve birbirlerine dönüştürebileceğini göstermişti. 1939 yılında da, Amerikan başkanı Roosevelt'i uranyum zincirleme reaksiyonunun, çok güçlü bir bomba yapımında kullanılabileceği konusunda uyarmıştı.
Robert Oppenheimer (1904-1967) 1942 yılında ABD'nin atom bombası projesine katıldı ve daha sonradan ilk nükleer bombayı yapacak olan laboratuvarın başına geçti. 1954'te, güvenlik gerekçeleriyle görevinden alındıktan sonra, kendisinin atom araştırmaları da sona erdi.
Çerenkov Işıması
Bir nükleer reaktörün kalbinde bulunan bu büyülü mavi parlaklık ortamdan geçerken ışık yayan elektronlar nedeniyle olur. Bu tür reaktörlerde, zincirleme reaksiyon, kadmiyum gibi nötron soğuran malzemeler içeren çubuklar tarafından kontrol edilir. Reaktörün çekirdeğindeki şiddetli ısı gaz, sıvı metal ya da yüksek basınçlı su yardımıyla uzaklaştırılır.