Nükleer silahlar hakkında niçin bilgi sahibi olmalıyız? -Bunları diğer devletler veya gruplar ne kadar kolay geliştirebilir? - Herhangi bir nükleer sır kalmış mıdır? - Nükleer test yapmanın maliyeti ve faydaları nelerdir? Nükleer silahlarının reçetesi >100 yıl önceden biliniyor: Frederick Soddy, ( 1921 Nobel Kimya Ödülü) 1921 de çok küçük bir radyum miktarının bir anda parçalanmasından açığa çıkan etkinin bir ton dinamitten patlamasından daha etkili olduğunu söylediğinde dinleyicilerin gözlerindeki korku okunabiliyordu. Fisyonun gücü nasıl sürdürülebilir duruma getirilebilir? 1) Zincirleme reaksiyonu kendi kendine devam ettirebilmek için yeterli bölünebilir materyal - kritik kütle : fisyonu sürdürmeye yetecek kadar nötron salınması - Kullanılan materyal ve geometriye bağlıdır 2) Ateşlemenin zamanlaması her şeydir: - Kritik kütle kritik-altı olarak ayrı bir şekilde toplanır. Sonra zincirleme reaksiyonu başlatmak üzere süper-kritik olarak bir araya getirilir. -Eğer zincirleme reaksiyon çok yavaş olursa bomba düşük ürün vererek sönümlenecektir. -Eğer süper-kritik ateşlemeye dayanırsa, başıboş nötronlar öngörülemez bir ürünle 1 patlamaya neden olacaktır... Böyle çalışmak oldukça tehlikeli!
Zincirleme reaksiyon için ek tetikleyici : - Zincirleme reaksiyonu başlatmak için ek bir mekanizma geliştirilmiştir. -Patlamanın güvenliğini ve verimini geliştirir. - Sadece ilk nükleer bombaya(little boy, küçük çocuk) yerleştirilmiştir. - Tetikleme için hızlı nötron atımı yaratır. 1) Polonyum / lityum tetikleyici : - Polonyum ve lityum karışımıdır. - Polonyum isotopu α-bozunumu yapar - 7 Li + α 10 B + n reaksiyonu oldukça olasıdır. - Polonyum ve Lityum fulyo levha ile ayrı tutulur - Patlama anında fulyo yırtılır ve zincirleme reaksiyon başlar 2) Füzyon tetikleyici: - Küçük lineer hızlandırıcı 1-2 MeV lik protonlar üretir ( H 2 kullanarak) - Bir batarya ile doldurulmuş kapasitör hızlandırma işlemi için hızlıca boşaltılır - Protonlar hedefe ateşlenir (örneğin skandiyum): füzyon zincirleme reaksiyonu başlatmak için nötronlar üretir. 2
Tabanca-tipi fisyon silahları - İlk yapılan nükleer bomba dizaynıdır, 6 Ağustos 1945 te Hiroşimaya atılan little boy gibi - Daha sonra Mark 8 ve Mark 11 US bombaları ve 1950 lerde yüzlerce top mermisi - Konvansiyonel patlayıcılar kullanarak fisyon materyalinin biri diğeri üzerine ateşlenir. - Göreli olarak basit ve güvenilir 3
Fakat: - Tabanca tipi dizayn kritik kütlenin birleştirilmesinin yavaş olmasından dolayı Göreli olarak düşük ürün vermesi çok miktarda parçalanabilir madde gerektirir. - Sadece oldukça nadir bulanan süper zenginleştirilmiş uranyum yakıtıyla kullanılabilir. - Kazayla kritik kütleyi oluşturabilecek miktarda fisyon materyali bulundurmak oldukça tehlikelidir. - ABD dışındaki nükleer devletler (İngiltere dahil), hiçbir zaman tabanca tipi atom bombası geliştirmemiştir ve şu anda da bu tip bomba yapan bilinen bir ülke yoktur. İçpatlamalı tip silahlar - Trinity iç patlamalı bomba 16 Temmuz 1945 te test edildi. - Fat man(şişman adam ) Ağustosta Nagazaki ye atıldı. (Büyük bir ihtimalle Winston Churchill tarafından bu isim verilmiştir.) - Uranyum ya da Plütonyum ile kullanılabilir. Daha bolluk oranı! 200 m 4
İçpatlama nasıl çalışır: - Süper-kritik fisyon materyali küresel kabuk olarak yerleştirilir. - Konvansiyonel patlayıcı lensler simetrik patlayıcı garantiler. Bu lens hızlı ve yavaş yanıcı patlayıcıların değişmeli olarak yerleştirilmesiyle oluşur ve şok dalgalarının istenilen şekilde oluşmasını sağlar. -Süper-kritik ateşleme parçalanabilir çekirdeğin sıkışmasıyla artan yoğunluk sayesinde sağlanır. -Hızlı ateşleme daha yüksek patlama üretir. 5
Küçük çocuk(little-boy) - 64 kg 235 U, 15 kilotonluk patlayıcı kuvvet sağlar. Bu miktar 15 kiloton TNT ye karşılık gelir(~ 63 TJ). - "Little Boy" silahını üreten bilim adamları başarısından o kadar eminlerdi ki herhangi bir teste gerek görmediler. -1945 te, sadece bir bomba yapmaya yetecek 235 U üretilmiştir. - İnfilak 580 m yükseklikte gerçekleştirilmiştir. -Yıkıcı çemberin yarıçapı~ 3.2 km dir.patlama hiper-yoğunlaşmış şok dalgaları göndererek binaları şarapnele çevirmiştir. Bu çemberin dışında küçük yapısal hasarlar yapmıştır. -Anında 80,000 ölüm, bir yıl içindeyse 90-140,000. Beş yılda toplam ölüm 200,000 i aşmıştır, kanser ve diğer uzun etkiler sonucu. Şişman Adam(Fat-man) - Kukora daki cephaneliğe atılması planlanmış. Kötü hava koşulları ve başka teknik aksaklıklar Nagazaki ye düşmesine yol açmıştır. - 6.2 kg 239 Pu, 21 kiloton veya 88 TJ sağlar. - Patlama anında 50,000 ölüm. (Nagazaki nin tepelik arazisi sayesinde daha az ölüm gerçekleşmiştir. 6
Gizli olarak kendi bombanızı üretebilir misiniz? Ya teröristler? Zenginleştirilmiş U çok seyrek ve pahalı olduğundan, büyük olasılıkla Pu bombası olmalı. Trinity / Fat Man ~ 6 kg 239 Pu kullanılmıştır. Başka bir Fat Man bombası yapmak için ne kadarlık toprak kazılması gerekir? 10 g 239 Pu ~ 1 ton Urunyumun nötron ile bombardımanıyla elde edilir. Uranyumun yeryüzü kabuğunda doğal miktarı: 2.7 mg /kg (U/kabuk) Yer yüzü kabuğunun yoğunluğu: ~ 2700 kg m -3 Bu nedenle kazılması ve işlenmesi gereken kabuk miktarı: Yaklaşık 9 x 9 km kare bir alan ve 1 metre derinlik!! 7
Nükleer bombaların verimliliği: - little boy ne kadar verimliydi? Little Boy: 64 kg Uranyum, ~80% 235 U olacak şekilde zenginleştirildi. Q = 200 MeV 235 U için 64 Kg U = 0.8*64 = 51.2 Kg 235 U = (51200)/(235) x N A = 1.3 x 10 26 atom Enerji / fisyon ~200 MeV = 3.2 x 10-11 J Maksimum ürün= (3.2 x 10-11 ) x (1.3 x 10 26 ) = 4.2 x 10 15 J = 4200 TJ Little Boy ~ 63 TJ Verimlilik = 63 / 4200 ~ 1.5 % Yani sadece bağlanma enerjisinin sadece 1.5 % oranında patlayıcı enerjiye çevrilmiştir. Fakat, toplam kütle enerjisi (E = mc 2 ) olarak verimlilik sadece << 0.001% tır. Sadece ~ 0.64 g madde ve anti-madde aynı miktar enerjiyi üretmek için yeterlidir! 8
Zincirleme reaksiyonlara daha yakından bakalım Fisyon olayında yayımlanan nötronun etkilerini dikkate alalım : Fisyon gerçekleştirme olasılığı = q Bir fisyon olayının gerçekleşmesi için geçen ortalama zaman = t g Fisyon olaylarında üretilen toplam nötron sayısı = n Böylece, t g zaman sonra orijinal nötron tarafından üretilen ve kendisini de fisyona neden olan nötron sayısı k = nq olur. Kısa bir δt süresi sonunda ilk nötron tarafından kaynaklanan nötron sayısı ise (k 1) x δt / t g olur. orijinal nötron soğurulmuş ve k kadar yeni nötron üretilmiştir. Keyfi bir t+δt zamanındaki nötron sayısı: Biraz düzenlersek: veya daha iyi bir şekilde: N(t) yi hesaplamak için integral alırsak: Nötrona yol açan fisyon sayısı (~ fisyon oranı) Başlangıçtaki nötron sayısı
Örnek Varsayımlar: 1) zincirleme reaksiyonu bir nötron başlatsın (yani başlangıçta N 0 = 1) 2) Her jenerasyon arasındaki zaman farkı t g ~ 10 ns 3) Her fisyon olayı iki tane daha (yani k=2) + 200 MeV enerjiye yol açar. 600 ns sonra üretilen enerjiyi teorik olarak hesaplayın: Nötronun yol açtığı fisyon sayısı = N(t) ~ e (k-1)t/tg Toplam olay sayısı ~ Fisyon olayı başına 2x10 8 ev Toplam ürün~ 1.4 MT: Test edilen en büyük saf fisyon bombasıyla karşılaştıralım ~720 kt. İngiltere nin Orange Herald isimli bombası, 31 Mayıs 1957, Malden Adası (Soğuk savaş bitene kadar İngiltere tarafından füzyon bombası diye yutturulmuştur.) 10
Fakat, ani nötronlara (prompt nötronlar, ilk fisyon olaylarında yayınlanır) güvenmek tehlikelidir, çünkü kontrol çubukları reaksiyonun hızla devam etmesini bastırmak için yeterince hızlı devreye sokulamazlar. Moderatör Nötron sayısı (ve dolayısıyla fisyon oranı) zamanla üstel olarak değişir: Eğer k < 1 ise, süreç kritik altıdır ve reaksiyon sönümlenir. Eğer k = 1 ise, süreç kritiktir ve kendi kendine devam eder Eğer k > 1ise, süreç süper-kritiktir ve çok hızlı bir şekilde devam eder. Nükleer silahlar süper-kritiktir Nükleer reaktörler kritiktir (yani k = 1) Fisyon güç reaktörlerinde zincirleme reaksiyonlar Güç reaktörlerinde nötron akısı çok hassas olarak kontrol edilmelidir. Kontrol çubukları nötronları soğurur (örneğin: B 4 C, Ag, In, Cd, Hf) Yakıt çubukları içerisinde hareket ettirilerek k düzenlenir :nötronları saçarak, yavaşlatarak ve geciktirerek k = 1 olmasını sağlar. Geciken nötronlar için daha uzun zaman sabiti t g Fisyon tesir kesiti arttığı için gerçekten enerji üretimini arttırırlar. 11
Reaktörler başlıca şu kısımlardan oluşur: -Yakıt veya fisyon yapabilen malzeme -Nötronları yavaşlatmak için yavaşlatıcı -Nötron kaçağını azaltmak ve dolayısıyla bir reaktörün büyüklüğünü küçültmek için koru saran bir yansıtıcı. -Çoğu radyoaktif gaz olan fizyon ürünlerinin kaçmasını önleyen bir reaktör kabı. -Çalışan personeli nötron ve gama ışınlarının neden olacağı biyolojik zararlardan korumak için zırhlama. -Isıyı çıkarmak için bir soğutucu. -Güç seviyesini kontrol etmek ve sabit tutmak için bir kontrol sistemi. -Kontrol ve soğutma sistemlerinin çalışmaması durumunda istenilmeyen olayları önlemek için acil önlem sistemi. 12
Reaktör tipleri En temel olarak reaktörler kullanım amaçlarına göre sınıflandırılabilir. 1-)Güç reaktörleri : Fizyon ürünlerinin kinetik enerjilerini ısı olarak çıkarıp bununla suyu kaynatarak buhar üreten ve bu buharla bir türbini çalıştıran sistemdir. Tasarım nükleer mühendislikle birlikte ısı makinelerinin veriminin termodinamik ayrıntılarını da göz önünde bulundurur. Yakıt sistemi maliyetin oldukça küçük bir kısmını oluşturur. Maliyetin büyük bir kısmını reaktör kabı ve elektrik üretim sistemi oluşturur. Bu açıdan büyük güç reaktörü yapmak ekonomik açıdan oldukça yararlıdır. Örneğin 1 adet 1000MW reaktör yapmak 10 tane 100MW reaktör yapmaktan çok daha ekonomiktir. 2-) Araştırma reaktörleri : Çekirdek veya katıhal fiziği alanlarındaki araştırmalar için nötron üretme amacı ile planlanmışlardır. Genellikle 1-10 MW güç merbetesinde çalıştırırlar. 13
Planlamalarının önemli özelliklerinden biri nötron akısının (10 13 n/(cm 2 s) büyük olmasıdır. Nötronların kolay geçişleri (demet borusu ile) ve kaliteli nötron spektrumu önemlidir. 3-) Dönüştürücü reaktörler: Fisyon yapmayan maddeleri büyük bir kazançla fisyon yapabilen maddelere dönüştürmek için planlanmışlardır. Başlıca dönüşüm 238 U dan 239 Pu ve 232 Th dan 233 U a olan dönüşümlerdir. 238 U ve 232 Th gibi yavaş nötronlarla fisyon yapabilen maddelere dönüşebilen isotoplara üreyebilen(fertil) malzeme denir. Ortalama termal nötron başına üretilen fisyon nötronlarının sayına dersek dönüştürücü reaktörlerde en az =2 olmalıdır. Yakıtta bir nötron soğurulduğunda çıkan iki nötrondan biri reaksiyonu sürdürmeye diğeri ise fertil malzemeye gider. >2 yapılabilirse, harcanılandan daha fazla fisyon yapabilen malzeme üretilebilir. Bu tip reaktöre üretken reaktörler denir. 14
Reaktörler yavaş, orta ve hızlı nötronlar kullanmak üzere tasarlanabilir. Orta enerjili reaktörün bir avantajı termal reaktöre göre daha az hacim gerektirmesidir. Hızlı reaktörlerde hiç yavaşlatıcı kullanılmaz. Hızlı nötronlar için tesir kesiti oldukça küçüktür bu nedenle aynı gücü elde etmek için gerekli yakıt termal reaktörlerin 10-100 katıdır. Bununla birlikte yavaşlatıcı olmadığından hızlı reaktörün hacmi oldukça küçüktür. Yakıt Tipi: En çok kullanılan yakıtlar doğal uranyum(%0,72 235 U), zenginleştirilmiş uranyum(> %0,72 235 U), 239 Pu ve 233 U dur. Son ikisi dönüştürücü veya üretken reaktörlerde fertil malzemeden üretilir. Reaktörlerde kullanılan zenginleştirilmiş uranyum, 235 U ve 238 U arasındaki küçük kütle farkına duyarlı maliyeti çok yüksek olan bir yöntemle elde edilir. Bu yöntemlerden biri gazlı difüzyon yöntemidir. 15
Yavaşlatıcı: İdeal bir yavaşlatıcı 1-) Ucuz ve bol olmalıdır. 2-) Kimyasal olarak kararlı olmalıdır. 3-) Kütlesi yaklaşık 1 olmalıdır(nötronlarla yaptığı çarpışmada soğuracağı enerjinin maksimum olması için) 4-) Yoğunluğu büyük bir sıvı veya katı olabilir. 5-) Nötron yakalama tesir kesiti minimum olmalıdır. Grafit şeklindeki karbon 1,2,4 ve 5 şartlarına uyar. Çarpışma başına nötron enerjisindeki küçük kayıplar yavaşlatıcının miktarını arttırarak telafi edilebilir. Normal su 1,2,3 ve 4 şartına uyar fakat nötron yakalama tesir kesiti büyüktür. Ağır suyun nötron tesir kesiti çok küçüktür, fakat nötron yakalama ile radyoaktif trityum oluşabilir. Bu da biyolojik sistemler için zararlıdır. Ayrıca ağır su nadirdir ve normal sudan ayrıştırmak oldukça pahalıdır(uranyum kadar değil). Nötron yakalama tesir kesiti düşük olduğu için ağır sulu reaktörlerde doğal uranyum kullanılabilir fakat normal sulu reaktörlerde zenginleştirilmiş uranyum kullanılmalıdır. 16
Berilyum ve BeO yavaşlatıcı olarak kullanılır fakat tehlikeli zehir olduklarından bunlarla çalışmak zordur. Soğutucu : Reaktör korunun erimesine fırsat vermeden ısı çıkışını sağlayan başlıca elemandır. Güç reaktörünün tasarımında başlıca özellik soğutucunun ısı transferindeki verimliliktir. Soğutucu malzemeler ısı sığası yüksek olan gazlar (hava,co2, helyum), su ve diğer sıvılar ve hatta sıvı metaller olabilir. Buharın ısı sığası düşük olduğundan soğutucu olarak su kullanan reaktörlerde suyun sıvı halde kalmasını sağlamak için su yüksek basınçta(100 atmoster) tutulur. Reaktörler bu tasarıma göre de sınıflandırılırlar: Kaynar Sulu, basınçlı sulu, gaz ve sıvı metal soğutmalı reaktörler. 17
Kaynar Sulu Reaktörler (0.5-1.3 GW): (US Nükleer Düzenleme Kurulu) Kontrol Çubukları Yakıt Çubukları -Sıklıkla Zirkinyum alaşım tüplerine (nötronlara saydam) yerleştirilmiş UO 2 oluşur. - Eski tip reaktörler metallik uranyum kullanmışlardır. Moderatör H 2 O: ucuz, fakat nötron soğurduğu için zenginleştirilmiş uranyum kullanmaya zorlar. D 2 O veya Grafit : pahalı, fakat zenginleştirilmemiş U kullanılabilir. Destekleme yapısı - Nötronları yansıtarak verimi arttıran yansıtıcı yapı kullanılır -Muhafaza kazanı, koru tutmak için çelik yapı, ~150 bar basınca dayanıklı -- Biyolojik zırhlama için dış beton Elektrik jeneratörü Isı-enerji üretimi, verim tipik olarak ~25-40% Soğutucu: Değişik reaktörler için anahtar değişdokuşturucu - Fisyondan enerji soğurup kullanılabilir iş yapar -Ayrıca reaktörü sabit sıcaklıkta tutar -Sıklıkla kaynar veya basınçlı su kullanılır. Gaz (e.g. CO 2 ) veya Sıvı metal(e.g. Pb, Na) de kullanılabilir. Basınçlı Su Reatörleri (1-2 GW): Sıvı Metal Reaktörleri: - Sovyet denizaltılarda kullanılmıştır - Fisyondan enerjiyi almak ve suya transfer etmek için sıvı sodyum kullanılır. 18