Nükleer
Bir nükleer tepkimede, yani herhangi bir atom çekirdeğinde bazı değişikliklere yol açan bir tepkimede açığa çıkan enerjiye nükleer enerji ya da çekirdek enerjisi denir Normal bir kimyasal tepkimede, bu tepkimeye giren atomların yalnızca en dıştaki bazı elektronları arasında alışverişler gerçekleşir; yani, elementlerin atomları birbirleriyle birleşerek molekülleri oluştururken değişmeden kalırlar. Kimyasal tepkimeler sırasında, maddedeki atomların yerleşiminden kaynaklanan kimyasal enerjinin bir bölümü açığa çıkabilir; yanma olayı bu tür bir tepkimedir. Nükleer tepkimede ise, atomun tam ortasında bulunan, nötron ve protonlardan oluşan atom çekirdeği değişikliğe uğrar ve bu tür tepkime sırasında atom kütlesinin bir bölümü enerjiye dönüşür. Nükleer tepkimede, herhangi bir kimyasal tepkimede açığa çıkabilecek olanın milyonlarca katı kadar enerji açığa çıkar ve kimyasal tepkimeden farklı olarak, bir element bir başka elemente dönüşür.İki tür nükleer tepkime vardır: Çekirdek bölünmesi (nükleer fisyon ya da kısaca fis-yon) ve çekirdek kaynaşması (nükleer füzyon ya da kısaca füzyon).
Çekirdek Bölünmesi
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 toplam kütlesinden daha azdır. Aradaki fark enerji biçiminde açığa çıkar. Bu olguyu ilk olarak 1905'te Albert Einstein belirledi ve E=mc2 formülüyle tanımladı. Bu formüle göre, açığa çıkan enerji (£), kaybolan kütle (m) ile ışık hızının karesinin (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 uranyumdur. 1938'de iki Alman bilimci, Otto Hahn ve Fritz Strassmann, nötronlarla bom bardıman ederek (döverek) uranyum atomunu bölmeyi başardılar. Gene Alman bilimciler Lise Meitner ve Otto 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 yanı sıra başka serbest nötronların da ortaya çıktığını buldu. Bu nötronların bu kez çevredeki öbür uranyum atomlarında çekirdek bölünmesine yol açacağı, böylece ortaya çıkacak yeni nötronların bütün uranyum atomlarına yayılacak bir "zincirleme tepkime" yaratabileceği ve sonuçta çok büyük bir enerjiin ortaya çıkacağı anlaşıldı.
Çekirdek bölünmesi sonucunda açığa çıkan enerjinin etkisiyle parçacıklar çok büyük bir hız kazanır; bu parçacıklar çevredeki maddenin atomlarıyla çarpıştıkça yavaşlarlar ve böylece hareket enerjileri ısıya dönüşür. Bu ısı denetim altına alınabilir ve örneğin bir elektrik santralındaki türbinlerin çalıştırılmasında kullanılabilir ya da atom bombası ve nükleer savaş başlıklarında olduğu gibi, büyük yıkıma neden olacak bir patlamayla çevreye salınabilir.
Uranyum Çekirdeğinin Bölünmesi
Uranyum doğada iki ana biçiminin (izotopunun) bir karışımı halinde bulunur. (İzotop terimi ATOM ve NÖTRON maddelerinde açıklanmıştır.) Bu karışımın yüzde 99'undan çoğunu uranyum-238 (U-238), yüzde l'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 atomlarına dönüşürler. Plütonyumun bu izotopu ise bölünebilir özelliktedir. Hem uranyum, hem de plütonyum nükleer reaktörlerde yakıt olarak kullanılır.
Nükleer Reaktör
Yukarıda açıklandığı gibi, uranyum atomlarının serbest nötronlarla dövülerek bölünmesi daha çok nötronun oluşmasına neden olur ve bu da bir zincirleme tepkime biçiminde yeni çekirdek bölünmelerine yol açar. Bu tür bir zincirleme tepkimeyi başlatabilecek en küçük uranyum parçasına kritik kütle denir. Eğer, her ikisi de kritik kütleden daha küçük iki uranyum parçası, kritik kütleden daha büyük tek bir parça oluşturacak biçimde bir araya getirilirse, bunun sonucunda olağanüstü bo yutta bir patlama olur. Atom bombasının yapımı buna dayanır.
Ama bir zincirleme tepkime nükleer reaktörde denetim altına alınabilir. Bu tür. ilk reaktörü 1942'de İtalyan asıllı ABD'li fizikçi Enrico Fermi, Chicago Üniversitesi'nde kurdu; kendi kendine ilerleyen ilk yapay zincirleme tepkime de burada gerçekleştirildi. Bu reaktörde, zincirleme tepkimenin gerçekleştiği bölüme reaktör kalbi adı verilmişti; katışıksız bir karbon türü olan grafitten yapılmış reaktör kalbine, ince alüminyum kapların içine yerleştirilmiş uranyum metali çubukları daldırılmıştı. Bir çubuktan salınan nötronlar, grafitteki karbon atomlarıyla çarpışarak yavaşlıyor ve yeniden başka bir çubuğa girerek bölünme tepkimesini sürdürüyordu. Kullanılan malzemelerin o günden bugüne oldukça değişmesine karşılık, bir zincirleme çekirdek tepkimesini denetim altında tutmanın temel ilkeleri, 1942'de Fermi'nin uyguladıklarıyla hemen hemen aynı kaldı.
MsxLabs & TemelBritannica
