Nükleer Fisyon

Nükleon başına daha küçük bağlanma enerjilerine sahip birçok ağır element, ara kütle numaralarına ve nükleon başına daha büyük bağlanma enerjilerine sahip —yani, 56’ya yakın bağlanma enerjisi grafiğinin ‘zirvesine’ daha yakın olan nükleon başına kütle numaraları ve bağlanma enerjileri— daha kararlı elementlere ayrışabilir. Bazen nötronlar da üretilir. Büyük bir çekirdeğin daha küçük parçalara ayrışmasına fisyon denir. Kırılma, çok sayıda farklı ürünün oluşumu ile oldukça rastgeledir. Fisyon genellikle doğal olarak meydana gelmez, ancak nötronlarla bombardımanla indüklenir.

Ağır elementlerin bölünmesiyle muazzam miktarda enerji üretilir. Örneğin, U-235’in bir molü fisyona maruz kaldığında, ürünler reaktanlardan yaklaşık 0,2 gram daha az ağırlığa sahip olur; bu ‘kayıp’ kütle çok büyük miktarda enerjiye —U-235’in her bir molü başına yaklaşık 1,8 × 10¹⁰ kJ— dönüştürülür. Nükleer fisyon reaksiyonları, kimyasal reaksiyonlara kıyasla inanılmaz derecede büyük miktarda enerji üretir. Örneğin, 1 kilogram uranyum-235’in parçalanması, 1 kilogram kömürün yakılmasıyla elde edilenden yaklaşık 2,5 milyon kat daha fazla enerji üretir.

Fisyona girerken, U-235 iki ‘orta boy’ çekirdek ve iki veya üç nötron üretir. Bu nötronlar daha sonra diğer uranyum-235 atomlarının fisyonuna neden olabilir, bu da daha fazla çekirdeğin fisyonuna neden olabilecek daha fazla nötron sağlar. Bu gerçekleşirse, bir nükleer zincir reaksiyonumuz oluşur. Öte yandan, çok fazla nötron, bir çekirdekle etkileşime girmeden dökme malzemeden kaçarsa, hiçbir zincir reaksiyonu gerçekleşmez.

Herhangi bir nötron bombardımanı sonucu fisyona maruz kalabilen malzemeye fisyonlanabilir denir; yavaş hareket eden termal nötronlar tarafından bombardıman sonucu fisyona maruz kalabilen malzemeye ek olarak bölünebilir denir.

Nükleer fisyon, fisyon tarafından üretilen nötron sayısı, bölünen çekirdekler tarafından emilen nötron sayısına ve çevreye kaçan sayıya eşit olduğunda veya aştığında kendi kendini devam ettirir. Kendi kendini devam ettiren bir zincir reaksiyonunu destekleyecek bölünebilir bir malzemenin miktarı kritik bir kütledir. Bir zincir reaksiyonunu sürdüremeyen bölünebilir malzeme miktarı subkritik bir kütledir. Artan bir fisyon oranının olduğu bir malzeme miktarı, süperkritik bir kütle olarak bilinir.

Kritik kütle, malzemenin türüne bağlıdır: saflığı, sıcaklığı, numunenin şekli ve nötron reaksiyonlarının nasıl kontrol edildiği. Malzemeler tipik olarak daha yüksek sıcaklıklarda daha az yoğunlaşır ve nötronların daha kolay kaçmasına izin verir. Düz bir nesnenin merkezinden başlayan nötronlar, küresel bir nesnenin merkezinden başlayan nötronlardan daha kolay yüzeye ulaşabilir. Malzeme grafit gibi nötron yansıtan bir malzemeden yapılmış bir kap içine alınmışsa, çok daha az nötron kaçabilir, bu da kritik bir kütleye ulaşmak için bölünebilir malzemenin çok daha azının gerekli olduğu anlamına gelir.

Bu metin bu kaynaktan uyarlanmıştır: Openstax, Chemistry 2e, Section 21.4: Transmutation and Nuclear Energy.