FİSYON. Ağır çekirdekler nötronla bombardıman edildiklerinde bölünürler.

Transkript

1 FİSYON Ağır çekirdekler nötronla bombardıman edildiklerinde bölünürler. Fisyon ilk defa 1934 te Ida Noddack tarafından önerilmiştir. Otto Hahn & Fritz Strassman Berlin (1938) de yaptıkları deneylerde hızlı nötronlarla bombardıman edilen Uranyumdan Baryum üretildiğini gözlediler. Hahn bu bilgiyi Nazi Almanyasından kaçan Meitner e sızdırdı. Meitner bu olayı nükleer fisyon olarak açıkladı ve 1939 yılında İngiliz Nature dergisinde yayınladı: 92 U Ba+ 36 Kr+birkaç nötron+enerji Otto Hahn Hahn 1944 yılında bu orijinal buluşuyla Kimya Nobel ödülüne layık görüldü. Fakat zincirleme reaksiyon olayını ilk fark eden kişi Meitner di ve ilk atom bombası da 6 yıl sonra patlatıldı. Lisa Meitner

2 Demirden büyük çekirdekler için protonlar arasındaki Coulomb itmesi damla modelindeki çekici terimden daha hızlı artar. Coulomb itmesi Daha ağır çekirdeklerin fisyonla daha hafif dolayısıyla daha kararlı çekirdeklere bölünmesi enerji açısından tercih edilir. Yarı ampirik kütle formülü ağır çekirdek (örneğin 235 U ) iki eşit parçaya bölündüğünde açığa çıkan enerjinin maksimum olduğunu öngörür, fakat bu genellikle gözlenmez. 2

3 FİSYON ÜRÜNLERİNİN KÜTLE DAĞILIMI Sıvı damlası modeli iki eşit kütleli kız çekirdek öngörür. Fakat deneylerde asimetrik fisyon gözlenmiştir. Sıvı damlası modeli gerçekte yetersizdir. Fakat, kabuk modeli asimetrik fisyon öngörür: A 1 A 2 olasılığı A1 95 ve A göre 1/600 dır. Encyclopaedia Britannica Bir ürünün A ~ ve diğerinin A ~ olduğu çekirdekleri üretmeye güçlü eğilim vardır; Bu bölgeler bir sihirli (N=50) ve çift sihirli (N=82, Z=50) çekirdeklere yakındır. 3

4 Potensiyel bariyeri ve aktivasyon enerjisi - Fisyon ağır çekirdekler için enerji açısından uygundur. - O halde fisyonun kendiliğinden olmasını ne engeller? (1) (2) (3) Potansiyel bariyeri nereden kaynaklanır: (1) Küre yarı-ampirik kütle formülünde yüzey terimini en küçük yapar. (2) Deforme, oval çekirdek hacmi sabit kalacak şekilde yüzey alanı terimini arttırır fakat Coulom terimini azaltır. Başlangıçta, yüzey terimi kazanır: toplam potansiyel enerji artar (bağlanma enerjisi azalır). (3) Deformasyon artarken, çekirdek iki parçaya ayrılırken Coulomb itmesinin azalmasından dolayı potansiyel enerji azalır, potansiyeli azaltmak bağlanma enerjisini artırır. Fakat çekirdek öncelikle fisyon bariyerini yenmelidir. 4

5 Nötron sayısı tek olan çekirdekler Genellikle daha çok enerji açığa çıkar: Ek nötron çiftlenme enerjisi 235 U un fisyonu için aktivasyon enerjisi ~ 5 MeV Nötron için ek bir kinetik enerji gerekmeksizin fisyon gerçekleşebilir. Yavaş nötronlar da kullanılabilir, bu tip nötronlar termal nötron olarak adlandırılır. Böyle materyaller fisyon maddesi olarak adlandırılır. Herhangi bir nötronun varlığında kolaylıkla fisyona uğrarlar ve enerji yayınlarlar. fisyonda yayımlanan enerjiye ne olur? 235 U in fisyonu için, Yarı Amp. Küt. Formülüne göre ~ 200 MeV enerji serbest hale geçer. Bu enerjinin çoğu ürünlerin kinetik enerjisi olarak yayımlanır: 1) Ürünün kinetik enerjisi ortalama ~ 165 MeV dir. 2) Kız çekirdek çoğunlukla uyarılmış durumdadır: γ-ışınları yayımlanır ~ 7 MeV 3) Ürün çekirdekte nötron fazlalığı vardır takip eden bozunumlarda ~ 25 MeV enerji yayımlanır. 4) Genellikle serbest nötronlar da yayımlanır ~ 5 MeV: Bu özellikle zincirleme 5 reaksiyonlar için önemlidir.

6 Hangi tip nötronlar fisyon yaratmak için en iyidir? Australian Uranium Association Yavaş nötronlar için tesir kesitleri hızlı nötronlardan çok daha büyüktür. - fisyon yaratmaları daha muhtemeldir. -termal nötron olarak adlandırılır. Hızlı nötronlar için tesir kesiti küçüktür. - fisyon reaksiyonlarında yaratılan nötronların enerjileri bu mertebededir. 6

7 Bölünebiler ve fisyona uğrayabilir materyaller 1) 238 U nin hızlı nötronlarla fisyonu: 2) 235 U in termal nötronlarla fisyonu: 238 U fisyonu sadece >1.7 MeV nötron enerjileri için gerçekleşir. Düşük yakalama tesir kesitleri Takip eden fisyon olayları çok seyrektir. Doğal Uranyum için durum nedir? 235 U bütün nötron enerjilerinde gerçekleşir. Fakat yakalama termal nötronlar için daha yüksektir. yayınlanan nötronlar yavaşlatılırsa zincirleme reaksiyonlar mümkündür 99.27% 238 U, 0.72% 235 U ( % 234 U) 100 nötrondan ~98 si 238 U tarafından yakalanır. Fakat sadece ~8 tanesi kendiliğinden fisyona uğrar. Diğer 2 nötron hemen hemen anında 235 U tarafından yakalanır, her ikisi de fisyona neden olur. Her fisyon olayında tipik olarak 2 3 nötron yayımlar: Dolayısıyla sadece ~ (8+2) x nötron ikinci generasyonda yayımlanır, dolayısıyla zincirleme reaksiyon sürdürülemez.

8 Uranyum zenginleştirme Zincirleme reaksiyonlar nadir bulunan 235 U izotopunun zenginleştirilmesini gerektirir. Güç reaktörleri sadece ~ 4% 235 U gerektirir: zincirleme reaksiyonu kontrolden çıkarmaya yeterlidir. Silah materyalinde ise saflık ~ 90% 235 Uolmalıdır : zincirleme reaksiyonu sürdürmek için yeterlidir. Uranyum zenginleştirme isotopik kütle farkına bağlıdır: 1) Elektromanyetik ayırma (kütle spektrometresindeki gibi) 2) Gaz/sıvı difizyonu veya katı bileşik formun santrifüjü 3) Daha şık metotlar, örneğin lazer ile uyarma gibi Hiroşima bombasında kullanılan 235 U Zenginleştirme fabrikaları Oak Ridge, Tennessee de inşa edildi. S-50 sıvı difüzyonu : İnşa 18 Haziran 1944; operasyon Mart 1945 de başladı; Eylül 1945 te kapatıldı; hemen yok edilldi Y-12 elektromanyetik ayırma: İnşa Şubat 1943 te başladı; Tam çalışma Kasım 1943; Hala çalışıyor. K-25 gaz difüzyonu: inşa Haziran 1943 te başladı; Tam çalışma 1945; operasyon 1987 de durduruldu; Yakında söküldü. 8

9 Plutonyum: Eser miktarda 244 Pu doğal olarak bulunur: t 1/2 = 8 x 10 7 yıl Diğer bütün izotoplar daha kısa ömre sahiptirler 239 Pu ilk defa Amerikalılar tarafından 1944 te sentez edildi: 1945 e kadar gizlendi 239 Pu nükleer silah üretimi için malzeme olarak kullanıldı 239 Pu 238 U reaktöründe yavaş nötron soğurulması ile sentez edilir: Plutonyum Beta bozunumunun nötronu protona dönüştürmesiyle elde edilir. Fakat ikinci nötronun soğurulması ile 240 Pu üretilir, bu da 239 Pu u zehirler. 240 Pu in yapılmasını engellemek için yakıt materyali düzenli olarak değiştirilmelidir. ( Hanford B reaktörünün içi) 9