NÜKLEER ENERJİ Doç.Dr.M.Azmi AKTACİR Harran Üniversitesi Makine Mühendisliği Bölümü 2018- Bu sunu ders notu olarak hazırlanmıştır. Dr. M. Azmi Aktacir 2018 1
Enerji Herhangi bir hareketi yapan ya da yapmaya hazır olan kabiliyete Enerji denir. Kısaca iş yapma yeteneği olarak da tanımlanabilir. Enerji çeşitli şekillerde bulunabilir. Fakat bu şekillerin tamamı iki ana başlığa incelenebilir. Bunlar kinetik enerji ve potansiyel enerjidir. 2
Enerji Türleri Potansiyel enerji: Bir nesnenin konumundan dolayı, diğer nesnelere bağlı olan enerjisidir. Depolanmış enerji Isı sebebi ile oluşan enerji olup, aslında molekül ve atomların kinetik enerjisi olarak da adlandırılır. 1- Yer çekimi Potansiyel Enerjisi: Bir kütle, bulunduğu yerden düşey konumdaki alt bir noktaya göre yüksekte ise, sahip olduğu enerjiye denir 3
Enerji Türleri 2- Isıl (Termal) Potansiyel Enerji: Kömür, petrol, doğalgaz gibi yakıtların yakılmasıyla ısı enerjisi ortaya çıkmaktadır. Elde edilen ısı enerjisi ilk önce türbinler yardımıyla mekanik enerjiye, daha sonra da jeneratörler yardımıyla elektrik enerjisine dönüştürülebilmektedir. 3- Elektrik Potansiyel Enerjisi: Elektrik yüklemesi sebebi ile ortaya çıkan enerjidir. Yüklenmiş partiküllerin hareket enerjisidir. 4
Enerji Türleri 4. Kimyasal Enerji: Kimyasal tepkime sonucunda ortaya çıkan enerjiye kimyasal enerji adı vermekteyiz. Bunun en temel örneği yanan odun, kömür, petrol gibi fosil yakıtlar,kağıt vb. gibi birçok malzemelerdeki molekül ile havadaki oksijen molekülünün birleşerek ortaya çıkardığı ısıl enerjidir.günlük hayatımızda sıkça kullandığımız pil ve aküler kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine dönüştüren düzeneklerdir. Pil ve akülerde elektrik enerjisinin depolanması kimyasal yöntemlerle yapılmaktadır. Kimyasal enerji; mekanik, ısı ve ışık enerjisine dönüştürülebilmektedir. 5. Nükleer Enerji: Atom çekirdeklerinin kararsızlığı nedeni ile oluşan enerjidir 5
Enerji Türleri 6. Manyetik Enerji:Mıknatısın manyetik kuvvetinden dolayı oluşan enerjidir. 7. Elastik Potansiyel Enerji:Bir yay, lastik gibi esnek cisimlerin sıkıştırılması veya esnetilmesiyle depolanan enerjiye "elastik potansiyel enerji" denir. 6
Enerji Türleri Kinetik enerji: Bir cismin hareketinden dolayı sahip olduğu enerjiye Kinetik Enerji denir. Mekanik Enerji: Faydalı iş yapabilen hareket enerjisidir. Hareket enerjisi (kinetik enerji) bir iş yaptığında mekanik enerji olarak ortaya çıkmaktadır. Elektrik santrallerinde türbine çarpan suyun mekanik enerjiye dönüştüğü gibi pense ile kablo keserken, tornavida ile vida sıkarken vb. durumlarda da mekanik enerji üretilmiş olmaktadır. Elde edilen mekanik enerji ile herhangi bir iş yapılabileceği gibi elektrik enerjisi de üretilebilmektedir. 7
Elektrik enerji üretim kaynakları Elektrik enerjisi üretim kaynakları İKİ ana başlık altında ifade edilir. 1. Ana enerji kaynakları. 2. Yenilenebilir (Alternatif) enerji kaynakları. Ana enerji kaynakları 3 çeşittir. Su enerjisine hidrolik, Kömür,petrol ve gaz enerjisine termik, Çekirdek enerjisine de nükleer enerji denilmektedir. Alternatif (yenilenebilir) enerji kaynakları ise çok çeşitlidir. Rüzgar, güneş, jeotermal, biomas, güneş pilleri,vb. 8
Enerji kaynakları kısaca, bir maddenin iş yapabilme yeteneği için tanımlanan enerji nin elde edildiği kaynaklara denir. Enerji kaynakları herhangi bir yöntemle enerji üretilmesini sağlayan kaynaklardır. Dünyadaki enerji kaynakları, oluşumlarına bağlı olarak yenilenebilir ve yenilenemez enerji kaynakları olmak üzere ikiye ayrılır. 9
Enerji Kaynaklarının Sınıflandırılması Yenilenemez enerji kaynakları, Kömür, Petrol, Doğalgaz, Nükleer. Yenilenebilir enerji kaynakları, Güneş enerjisi, Rüzgar enerjisi, Hidrolik enerjisi, Jeotermal enerji, Dalga enerjisi, Biyokütle enerjisi. 10
Yenilenemez Enerji Kaynakları Nelerdir? Yenilenemez enerji kısaca tükenebilir enerji demektir. Yani, bu enerji kaynağını elde etmek için tükenebilir yakıt kullanılması gerekmektedir. Ve genelde yenilenemez enerji kaynaklarıkullanımı zararlıdır. Çünkü, bu kaynakların kullanımı için kullanılan yakıtlar yakıldığı zaman, doğaya zararlı atıklar ve gazlar salmaktadır. 11
Kömür En eski enerji kaynakları olarak kömür söylenebilir. Özellikle buharlı makinelerin icadından sonra kömür kullanımı ciddi artış göstermiştir. İlk olarak 1860 lı yıllarda kömür enerji kaynağı olarak kullanılmaya başlanmıştır. Kömürden elektrik elde etmek için termik santrallerkullanılmaktadır. Kömür ülkemizdeki enerji kaynakları arasında kullanım yoğunluğu olarak çok büyük paya sahiptir. Yenilenemez enerji kaynakları arasında olan kömür fosil yakıtlar arasındadır. 12
Petrol Dünyada petrol üretimi 1900 lü yıllarda başlamıştır. O yıllardan bugüne, petrol kullanımının artması ile doğru orantılı olarak, petrol üretimi de sürekli artmıştır. Petrol çok önemli bir enerji kaynağıdır. Hem petrolün yakılması ile elektrik üretilir. Hem de jeneratör, araba gibi araçlar başta olmak üzere, aklınıza gelebilecek neredeyse tüm alanlarda petrol kullanılmaktadır. Günümüzde KKTC (kuzey kıbrıs türk cumhuriyeti) elektrik üretmek için petrol kaynağını çok yoğun kullanmaktadır. Ayrıca, tükenebilir enerji kaynakları arasında olan petrolün yaklaşık 50 yıllık rezervi kaldığı da bilinmektedir. Petrol de fosil yakıtlar arasında bulunmaktadır. Yani hayvan ve bitkilerin zamanla fosilleşmesi sonucu meydana gelen kaynaklar arasındadır. Dr.M.Azmi Aktacir 2018 13
Doğalgaz Doğalgaz yenilenemez enerji kaynakları içerisinde çok önemli bir kaynaktır. Hatta ülkemiz açısından da çok önemlidir. Çünkü türkiye günümüzde doğalgaz ile elektrik üretimini çok yoğun kullanmaktadır. İlk olarak 1950 li yıllarda doğalgaz enerji kaynağı olarak kullanılmaya başlanmıştır. Dünyada ki doğalgaz rezervinin yaklaşık 8100 tcf olduğu bilinmektedir. Günümüzde yıllık 68 tcfdoğalgaz kullanılmaktadır. Yıllık tüketilen doğalgaz miktarı hesaba katıldığında, dünya nın 120 yıllık doğalgaz rezervinin kaldığı söylenebilir. Not: 1 tcf (kübik feet) = 28,32cm 3 1m 3 =35,3 kübik feet 14
Nükleer enerji, yenilenemez enerji kaynakları arasındadır. Fosil yakıt değildir. İlk nükleer santral 1950 yıllarında faaliyete geçmiştir. O yıllarda, nükleer enerjinin ne kadar verimli olduğu tespit edilmiş olup, günümüze kadar nükleer santral sayıları da sürekli artmıştır. Nükleer enerji santralleri oldukça yüksek verime sahiptir. Örneğin, 1 ton uranyum ile elde edilen enerji miktarı, 3.3 milyon ton kömür ile elde edilen enerji miktarına eşittir. Amerika ve rusya başta olmak üzere, nükleer enerjiyi en yoğun kullanan bölge avrupa dır. Dr.M.Azmi Aktacir 2010 15
Yenilenebilir Enerji Kaynakları Nelerdir? Yenilenebilir enerji kaynakları, fosil yakıtlar ve yenilenemez enerji kaynaklarına göre daha az zararlı veya zararı olmayan enerji kaynaklarına denir. Bu enerji kaynakları, kendisini doğada sürekli yenileyebilen enerji kaynakları dır. Tükenmeyen enerji kaynakları olarakta adlandırılır. 16
Nükleer Enerji Nedir? Nükleer enerji, atomun çekirdeğinden elde edilen bir enerji türüdür. Kütlenin enerjiye dönüşümünü ifade eden, Albert Einstein' a ait olan E=mc² (E: Enerji, m: kütle, c: Işığın sabit hızı) formülü ile ilişkilidir. Bununla beraber, kütle - enerji denklemi, tepkimenin nasıl oluştuğunu açıklamaz, bunu daha doğru olarak nükleer kuvvetler yapar. Nükleer enerjiyi zorlanmış olarak ortaya çıkarmak ve diğer enerji tiplerine dönüştürmek için nükleer reaktörler kullanılır. Dr. M. Azmi Aktacir 2018 17
Işınım (Radyasyon) Işık ışınları, ısı, X ışınları, radyoaktif maddelerin saldığı ışınlar ve evrenden gelen kozmik ışınların hepsi birer ışınım biçimidir. Radyoaktif maddelerin saldığı alfa ve beta ışınları ile yıldızlardan savrulan kozmik ışınlar parçacık biçiminde yayılan ışınımlardır. Gamma ışınları, X ışınları, morötesi (ultraviyole) ışınları, görünür ışık, kızılötesi (enfraruj) ışınım, radarlarda kullanılan mikrodalgalar ve radyo dalgaları elektromagnetik ışıma biçimleridir. Gamma ışınları hem uranyum ve radyum gibi doğal radyoaktif maddelerce, hem de bir nükleer reaktörde ya da bir atom bombası patladığında atom çekirdeklerinin parçalanmasıyla salınır. 18
Işık spektrumu 19
Dr.M.Azmi Aktacir 2010 20
Güneş ışınları, kızıl ötesi ışınlar(infraruj) (IR), gözle görülen ışınlar ve morötesi(ultra viyole) (UV) ışınlar olarak sınıflandırılır. Güneşten gelen enerjinin içinde UV ışınları % 6.3 gibi küçük bir paya sahip olmasına rağmen, farklı dalga boylarında önemli biyolojik etkileri (anti-bakteriyel etki, D vitamini sentezi, eritem oluşumu vb.) olduğu bilinmektedir. 21
Nükleer Teknolojinin Kullanım Alanları 22
Endüstride Nükleer Teknoloji Radyografi tekniğiyle, taşınabilir X veya gama radyasyonu yayan cihazlardan yararlanılarak röntgen filmleri çekilen endüstriyel ürünlerin ( kaynak yapılmış malzemeler, borular, buhar kazanları, her türlü makine aksamı, vb.) herhangi bir hata içerip içermedigi saptanabilmektedir. Demir, çelik, lastik, kâğıt, plastik, çimento, seker vb. birçok endüstri ürününün üretim aşamasındaki seviye, nem ve yoğunluk ölçümleri radyasyondan yararlanılarak yapılmaktadır. Kâğıt, tekstil ve kimya sanayi atık suları arıtma işleminin minimum düzeyde kimyasal madde kullanılarak gerçekleşmesi için radyasyonla arıtma teknolojisi geliştirilmektedir. 23
Endüstride Nükleer Teknoloji Kâğıt, alüminyum folyo gibi pek çok ince malzemenin üretimi sırasında, ürünün kalınlığının sürekli kontrol edilmesinde yine radyasyon kullanılmaktadır Akarsularda debi ölçümü, barajlarda su kaçaklarının saptanması ve yeraltı suları hareketlerinin izlenmesi gibi diğer endüstriyel uygulamalarda radyoizotopların kullanılması hem ucuz hem de kolay bir yöntemdir. Gıdaların daha uzun süre dayanmalarını sağlamak amacıyla mikroorganizmalardan arındırılması ve tıbbi malzemelerin sterilizasyonu için radyasyon uygulaması yapılmaktadır. 24
Tıpta Nükleer Teknoloji Nükleer tıp uygulamalarında, vücuda enjekte edilen bazı radyoaktif maddelerin vücuttaki dagılımı bir Gama radyasyon kamerasıyla izlenmekte, incelenecek organ veya dokunun görüntüsü alınarak, işlevleri hakkında bilgi edinilmektedir. Tıpta radyoloji uygulamalarında, vücuttaki hastalıklı bölgenin görüntüsü radyografi filmi seklinde elde edilir ve hastalığın teşhisinde yardımcı olur. (Radyolojik işlemler:düz film radyografisi, floroskopi, kompüterize tomografi, mamografi.) Tıpta radyoterapi olarak adlandırılan Kobalt-60 ve benzeri gama radyasyonu yayan radyoaktif maddelerin kullanıldığı bir diğer uygulama alanında vücuttaki kanserli hücreler tedavi edilmektedir. Dr.M.Azmi Aktacir 2010 25
Tarımda Nükleer Teknoloji Yüksek verimli ve daha besleyici nitelikli, hastalıklara karsı daha dayanıklı tarım ürünlerinin elde edilmesinde radyoizotoplar kullanılmaktadır. Tarım ürünlerinde böceklenmenin engellenmesinde veya böcek yoğunluğunun kontrol altına alınmasında nükleer radyasyondan yararlanılmaktadır. Verimli tarımsal sulama yapmak amacıyla topraktaki nem miktarı nükleer tekniklerle ölçülmektedir. 26
Hayvancılıkta Nükleer Teknoloji Hayvan beslemede, üremenin izlenmesinde ve hastalıkların teşhisinde radyoizotoplarla işaretleme ve izleme teknikleri uygulanmaktadır. Hayvan yemlerinde kullanılan maddelerin bazı özelliklerinin değiştirilmesi ve iyileştirilmesi için de radyasyon kullanılmaktadır. 27
RADYOAKTİF ELEMENTLER Bazı atomlar çekirdeklerinden görünmez radyasyon (ışıma) yayarlar. Bu atomlar radyoaktiftirler. Radyasyon yayıldıkça, element farklı bir element haline dönüşür. Yeni bir element oluşunca, bozunma meydana gelir. Bozunma, bir atomun çekirdeğinin nükleer parçacıklar kaybetmesi demektir. Radyoaktiflik 1896 yılında Fransız bilim adamı Henry Becquerel tarafından keşfedilmiştir. Karanlık bir odada bulunan masa çekmecesinde bulunan bir fotoğraf levhası üzerine biraz uranyum tuzu bırakmıştı. Fotoğraf levhasına bakkıtığında, uranyum tuzunun izinin fotoğrafa çıktığını farketti. Uranyum görünmez bir radyasyon yaymış ve bu da fotoğraf levhası üzerine onun resmini çıkarmıştır. Uranyum radyoaktif bir elementtir. 28
RADYOAKTİF ELEMENTLER 1898 yılında, Marie ve Pierre Curie iki yeni radyoaktif element keşfetmişlerdir. Bu elementlerin atom sayısı 83 ' ten büyüktür. Bununla beraber, daha hafif elementlerin doğal izotopları da radyoaktiftir. İzotop, aynı elementin farklı sayıda nötron bulunduran atomlarıdır. Örneğin, potasyum ve karbonun herbiri radyoaktif izotoplara sahiptir. Yapay elementler ise laboratuvar veya nükleer reaktörlerde elde edilirler. Bunlar doğal olarak bulunmazlar. Atom sayıları 93 ve 105 arasındaki elementler, yapay elementlerdir. Örneğin, plütonyum yapay bir elementtir. Tüm yapay elementler radyoaktiftirler. 29
Çekirdek kararlığının nötron proton oranına bağlılığı 30
ÇEKİRDEK Atom çekirdeğinin temel taşları proton (p) ve nötron (n) dur. Çekrideğin etrafında proton sayısına eşit sayıda elektronların yer aldığı belirtilmişti. pozitif yüklü proton ile yüksüz nötron taneciklerinin yaklaşık eşit kütlededir. negatif yüklü elektronun ise, diğer ikisine kıyasla çok daha küçük bir kütleye sahiptir. Atom çekirdeğinde yer alan proton ve nötron tanecikleri "nükleon" olarak adlandırılırlar. Buna göre bir çekirdekte yer alan nötron ve protonların toplam sayısı (n+p) veya farklı bir ifade ile nükleonların toplam sayısı, o çekirdeğe ilişkin "kütle numarasının" belirtir ve"a" harfi ile sembolize edilir. Öte yandan bilindiği gibi atom çekirdeğinde yer alan protonların toplam sayısı (nötür yapıdaki atomlar için elektron sayısı da olabilir), o çekirdeğe ilişkin "atom numarası" belirtir ve "Z" harfi ile sembolize edilir. Bir çekirdeğin atom numarası ve kütle numarası A ZX veya Z X A şeklinde ifade edilir. 31
ÇEKİRDEK izoton" eşit sayıda nötron içeren çekirdeklere "denir. izotop "atom numarası eşit ancak atom kütle numarası farklı çekirdeklere denir izobar "atom kütle numarası eşit ancak atom numarası farklı çekirdeklere " denir 32
RADYOAKTİF ATOMLAR Bazı elementlerin radyoaktif atomları doğada bulunurlar. Radyoaktif bir atoma nüklit adı verilir. Radyoaktif atomlar, laboratuarda elementlerin nötronlar ve yüklü parçacıklarla bombardıman edilmesiyle elde edilebilir. Niçin bazı atomlar radyoaktiftir? Hafif bir elementin kararlı olup olmaması, çekirdeğindeki protonların ve nötronların sayısına bağlıdır. Bir atomdaki protonların nötronlara oranı yaklaşık olarak eşitse, bu atomun çekirdeği kararlıdır. Kararlı bir atomun çekirdeği radyoaktif değildir. Karbon - 12 kararlı bir atoma örnektir. 6 adet proton ve 6 tane de nötronu vardır. Karbon - 12'de protonların nötronlara oranı 1:1 dir. Protonlara göre bir atom çekirdeğinde çok sayıda nötron varsa, element ve izotopu radyoaktif olabilir. Karbon 14: 6 adet proton ve 8 adet nötrona sahiptir. Bu izotop radyoaktiftir. Bilinen çoğu elementlerin radyoaktif atomları vardır. 33
RADYOAKTİF ATOMLAR Yapay radyoaktif atomların birçok pratik kullanımı vardır. Kobalt - 60 gibi radyoaktif bir atomdan çıkan radyasyon kanser tedavisinde kullanılır. Yüksek enerjili radyasyon kanserli hücreleri öldürür. Radyoaktif atomlar aynı zamanda bir bitki veya hayvan vücudundaki bir elementi izlemekte kullanılır. Bir elementin yolunu izlemek suretiyle, bir kimse onun vücutta nasıl kullanıldığını öğrenebilir. 34
RADYOAKTİF ATOMLAR Bir bitki etrafındaki toprağa yerleştirilen fosfor-32, bitki tarafından emilir. Bitki içindeki fosfor- 32 nin hareketi bir Geiger sayacı ile takip edilebilir. Bu cihaz, radyasyonu taramakta kullanılır. Radyoaktif bir atom izlenebilir. Bundan dolayı ona "etiketli atom" adı verilir. Yaydığı radyasyon, onun izlenmesini sağlayan bir etiket olmaktadır. Radyoaktif atomlar, organlardaki hastalıklar ve tümörlerin bulunması için kullanılırlar. Çok az bir miktar kana karıştırılır ve onu kanla hasta organa taşır. Sağlıklı bir organ ile hasta bir organın yaydıkları ışımalar kıyaslanarak bir sonuca varılabilir. 35
RADYOAKTİVİTE Doğada kararlı bir çekirdeğe sahip atom sayısı oldukça azdır. Daha önce değinildiği gibi bir çekirdeğin kararlı olması, belli sayıda nötrona ve protona sahip olmasına bağlıdır. Bu sayıların dışına çıkıldığı zaman, çekirdekler kararsız bir yapı kazanırlar. Kararlı hale gelebilmek için parçalanan bu tür çekirdekler, "radyoaktif çekirdek" ler olarak bilinirler. Ağır elementlerin çoğu radyoaktif özelliklere sahiptir. 36
Radyoaktif Çekirdekler Radyoaktif çekirdekler kararlı bir nötron/proton oranına ulaşana kadar, bozunmaya uğrarlar. İlk bozunmaya uğrayan radyoaktif çekirdek "ana çekirdek", ve ana çekirdeğin radyoaktif bozunmaya uğraması sonucu oluşan çekirdek ise "yavru çekirdek" adını alırlar. Bozunma sürecindeki radyoaktif çekirdekler, alfa (α), beta (β) ve gamma (γ) radyasyonlarından birini veya birkaçını yayınlayarak, rahatlama yolunu seçerler. 37
NÜKLEER RADYASYON Radyoaktif bir elementin çekirdeği kararsızdır. Çekirdekte bir değişme olursa bu radyasyon olarak yayılır. Çekirdekten yayılan üç tür radyasyon vardır. Bunlar alfa parçacıkları, beta parçacıkları ve gama ışınlarıdır. 38
Kararsız bir radyoaktif çekirdekten kararlı bir çekirdek oluşumu Bir radyoaktif ana çekirdekten alfa (α), beta (β) ve gamma (γ) bozunmaları sonucu yavru çekirdekler oluşturan seriler, "radyoaktif seriler" olarak tanımlanır. Radyoaktif seriler uranyum, toryum, aktinyum ve neptinyum serisi şeklinde dört grup oluşturulmuştur. Her seri, bozunma zincirini tamamladıktan sonra kararlı bir çekirdek haline dönüşür. 39
Uranyum-238 serisi 40
Radyoaktivite ve Işıma Çeşitleri Radyoaktiflik, kararsız bir çekirdekten parçacıklar (alfa (a), beta+, beta-) salınması çekirdeğin en içteki elektron tabakasındaki elektronları yakalaması ve kararsız çekirdek tarafından elektromanyetik ışın (gama) yayılmasıdır. Gama ışını yayılması dışındaki radyoaktif bozunmalar bir elementin başka bir elemente dönüşmesine neden olur. 41
Alfa Radyoaktif çekirdeklerin kararlı bir çekirdek yapısına ulaşmak için izlediği yollardan biri "αbozunmasıdır." Alfa (α) bozunması, radyoaktif çekirdekten kütle numarası 4 atom numarası 2 olan bir taneciğin ayrılması sonucu gerçekleşir. Alfa (a) parçacıkları; helyum-4 (He) çekirdeği olup daha büyük atomların çekirdeklerinden yayınlanırlar. Kısaca, alfa ışıması radyoaktif çekirdekten iki proton ve iki nötronun yayınlanması ve daha hafif bir çekirdeğin meydana gelme sürecidir. 42
Alfa Alfa (α) taneciklerinin giricilikleri (nufuz etme gücü) düşüktür. Bu tanecikler ince bir kağıt yardımıyla durdurulabilirler. İnsan derisi alfa (α) taneciklerini hücrelere ulaşmadan durdurabilir. 43
Beta (β - ) Beta (β) taneciği aslında çekirdekten yayınlanan yüksek enerjili bir elektrondur. Beta (β) bozunması sürecinde, radyoaktif çekirdekte bulunan bir nötron, bir proton ile bir elektrona dönüşür. 44
POZİTRON BOZUNMASI (β + ) Pozitronun kütlesi elektronun kütlesine eşit, yükü +1 dir. Pozitron bozunması n/p oranı kararlılık kuşağından küçük olan kararsız izotoplarda görülen bozunmadır. n/p oranının büyümesi için proton sayısı azalmalı ve nötron sayısı artmalıdır. β + parçacıkları ışıma şeklinde çekirdekten dışarı yayılır, bu ışımaya pozitron bozunması denir. Örnek Tepkimelerde görüldüğü gibi, Atom numarası bir azalırken, kütle numarası değişmez. 45
Gama a ve b parçacıkları oluşturan bazı radyoaktif bozunma tepkimeleri sonunda yüksek enerjili hale gelen çekirdekten, elektro manyetik ışıma şeklinde enerji yayınlanır. Bu olaya gama ışınımı denilmektedir. Radyoaktif atomların yaydıkları gama ışınları çok daha girgin (nüfus edici) ışınlardır. Işınımların (radyasyonun) yolu üzerine, arkasına geçemeyeceği bir madde konularak her radyasyonun yolu kesilebilir ve verebileceği tüm zararlara engel olunabilir. İşte bunun içindir ki röntgen operatörleri kurşun içeren önlük giyerek ve kalın kristal cam arkalarından bakarak x-ışınlarının vereceği zararlardan korunmaktadırlar. 46
Özet 47
Özet-Nükleer Reaksiyonlar Atom; merkezinde bulunan atom çekirdeği ve etrafındaki yörüngelerde dönen elektronlardan meydana gelmiştir. Atom çekirdeği, atomun merkezinde toplanmış olan proton ve nötronların oluşturduğu yapıya denir. Nötronlar yüksüz ve protonlar + yüklü parçacıklar olduklarından atom çekirdeği + yüklüdür. Nötronlar, çekirdekte bulunan parçacıkları bir arada tutmaya yardımcı olur. Atom çekirdeklerinin kararlığı nötron ve proton sayısına bağlıdır. Her atom çekirdeği belirli bir sayıda nötron ile kararlı olabilmekte, nötronların sayısı bu sayının altında veya üstüne çıkması durumunda kararsız hale gelir. Atomlar fazla parçacıklarını atarak kararlı hale gelmeye çalışırlar. Bu tür kararsız atomlara RADYOAKTİF madde adı verilmektedir. Nötron ve protonların kütle çekimine karsın, pozitif elektrik yüklü protonların birbirlerini itmeleri çekirdeğin kararlılığını etkiler. Örneğin, Karbonun izotoplarından 12 C 6 kararlı, 14 C 6 ise kararsızdır. Çekirdekleri kararsız olan atomlar kararlı hale gelmek için bozunarak radyasyon yaptıklarından,kendilerine radyoizotop denir. 48
BOZUNMA VE YARI-ÖMÜR Radyoaktif bir atom çekirdeğinden radyasyon yayarken, başka bir elementin atomuna dönüşebilir. Uranyum-238 bir seri bozunmaya uğrayıp, sonuçta kurşuna dönüşen bir radyoaktif elementtir. Kurşun-206 kararlı olup, radyoaktif değildir. Uranyumu kurşuna dönüştüren nükleer reaksiyonlar, çok sayıda radyoaktif element meydana getirirler. Nükleer değişmeler, kimyasal ve fiziksel değişmelerden tamamıyla farklıdır. Sıcaklık ve basınç, kimyasal ve fiziksel değişmeleri etkiler. Bununla beraber, nükleer değişim hızı, sıcaklık veya basınçtaki bir değişme ile etkilenemez. 49
BOZUNMA VE YARI-ÖMÜR Radyoaktif bir maddedeki atomların yarısının bozunması için gerekli süreye yarı ömür adı verilir. Bir izotop için yarı-ömür bir saniyenin kesri kadar olabilir. Başka bir izotop için bu binlerce yıl veya daha fazla olabilir. Örneğin, baryum-139'un yarılanma ömrü 86 dakikadır. Şimdi, bir kurşun muhafaza içinde on gramlık saf baryum - 139 bulunduğunu kabul edelim. 86 dakika sonra, atomların yarısı bozunmuş olacaktır. Elimizde beş gram radyoaktif baryum -139 kalmış olacaktır. Bir başka 86 dakika sonra ise geri kalan baryum-139 atomlarının yarısı daha bozunmuş olacaktır. Böylece geriye 2,5 gram baryum kalacaktır. 50
BOZUNMA VE YARI-ÖMÜR Protonların sayısı değişince, element başka bir elemente dönüşecektir. Örneğin, Uranyum-238 değişe değişe sonuçta kurşun - 206'ya dönüşür. Bu element kararlıdır. Bazı radyoaktif elementlerin yarılanma ömrü, çok eski nesnelerin yaş tayininde kullanılır. Örneğin, 5730 yıllık yarılanma ömrüne sahip olan karbon-14, bazı fosillerin yaş tayininde kullanılır. Bir hayvan veya bitki canlı iken sabit bir karbon-14 düzeyini korur. Hayvan veya bitki öldüğünde karbon-14 düzeyi zamanla azalacaktır. Karbonla yaş tayininde, bir nesnenin küçük bir numunesi alınır. Karbon - 14 miktarı, yayılan beta parçacıkları sayılarak ölçülür. Diğer radyoaktif elementler kullanarak nesnelerin yaşını tayin etmek mümkündür. 51
Fisyon Ağır bir atomun örneğin Uranyumun çekirdeği çok büyük miktarda enerji açığa çıkararak parçalanır. Dünyada mevcut yaklaşık 440 civarındaki nükleer santral, FİSYON yani Uranyum-235 atomunun çekirdeğinin bir nötron ile parçalanması neticesi ortaya çıkan enerjiyi elektriğe çeviren tesislerdir. Fisyon reaksiyonlarına örnek olarak, atom bombası patlamasını verebiliriz. 52
Fisyon tepkimesi ve zincirleme tepkime 53
Fisyon tepkimesi Atom enerjisine bir örnek verecek olursak, 92U 235 + o n 1 -> 38 Sr 90 + 54 Xe 144 +2 o n 1, bölünme etkileşmesini verebiliriz. Uranyum elementinin bir üyesi olan 92 adet protona sahip, 235 kütle numaralı Uranyum-235 izotopu, gelen nötronla bölünme etkileşmesine girerek, Samaryum-90, Xenon-144 (Zenon) izotopları ile iki adet nötronun ortaya çıkmasına neden olur. 54
Yakıt türü Birim miktar başına açığa çıkan enerji 1 ton U-235 e karşı gereken miktar U-235 2,3x10 10 kw.saat / ton 1 ton U-235 Kömür 6944 kw.saat / ton 3,3 milyon ton kömür Doğal Gaz 10,62 kw.saat / m3 2,2x109 m3 doğal gaz Fuel oil 11120 kw.saat / ton 2,1x106 ton fuel-oil Petrol-varil 1700 kw.saat /varil 13,5x106 varil ham petrol 55
Füzyon Farklı iki elementin çekirdeğinin birleştiği tepkime sonucunda daha ağır bir çekirdeğe sahip atomun oluştuğu reaksiyonlara nükleer füzyon veya nükleer kaynaşma denilebilir. 56
Füzyon Küçük çekirdekler örneğin hidrojen, çok büyük miktarda enerji açığa çıkararak kaynaşırlar. Bu tepkimeler güneşte sürekli olmaktadır. Ayrıca en güçlü nükleer silah olan hidrojen bombası patladığında da füzyon tepkimeleri olur. Güneşin yaklaşık %90 ı hidrojenden oluşmuştur. Güneşin merkezinde hidrojenler birleşerek helyum çekirdeklerini oluşturmakta ve bu tepkimeler sonucu büyük bir enerji açığa çıkmaktadır. Yani nükleer füzyon sonucu hafif elementlerden daha ağır elementlerin oluşmaktadır. 57