FİZ34 Fizikte Güncel Konular 205-206 Bahar Yarıyılı Bölüm-7 23.05.206 Ankara A. OZANSOY 23.05.206 A.Ozansoy, 206
Bölüm 7: Nükleer Reaksiyonlar ve Uygulamalar.Nötron İçeren Etkileşmeler 2.Nükleer Fisyon 3.Nükleer Reaktörler 4.Nükleer Füzyon 23.05.206 A.Ozansoy, 206 2
Enerjinin nükleer reaksiyonlardan elde edildiği 2 teknik:. Fisyon (fission): (Bölünme) ağır çekirdeklerin bölünmesi 2. Füzyon (fusion): (Kaynaşma) hafif çekirdekler birleşmesi. İkisinde de enerji açığa çıkar.. Nötron İçeren Etkileşmeler: İlk olarak nötronun çekirdekte etkileşim şeklini anlamak gerekir. Serbest nötron, maddeye girince çoğu çekirdek tarafından soğurulur. Diğer nükleonların nükleer kuvveti ile beraber kararlı duruma geçer. Hızlı nötronlar (E > MeV), çekirdek tarafından saçılır ve kinetik enerjisinin bir kısmını çekirdeğe verir. Bu şekilde enerjisi düşen nötronun çekirdek tarafından yakalanma olasılığı artar. Enerjisi düşük nötronlar çekirdek çevresinde daha çok zaman harcarlar. Termal nötronların yakalanma olasılığı daha fazladır. (Nötronların enerjilerine göre sınıflandırılması sonraki sayfada verilmektedir). 0 n A Z X A Z X * A Z X Nötron yakalama Uyarılmış durum Ürün çekirdek(genelde radyoaktif) 23.05.206 A.Ozansoy, 206 3
Kinetik enerjilerine göre nötronların sınıflandırılması [Bu tablo Kaynak [] den alınmıştır.] Nötron enerjisi azaldıkça madde ile etkileşme olasılığı artar. Nötronları yavaşlatmak için kullanılan maddelere yavaşlatıcılar (moderatör) denir. Bu malzemelerin kütlesi düşük, nötron yakalama eğilimi yüksek olmalıdır. Parafin ve su gibi hidrojen içeren maddeler sıklıkla kullanılır. 23.05.206 A.Ozansoy, 206 4
2. Nükleer Fisyon Ağır bir çekirdeğin ( 235 U gibi ) daha küçük iki çekirdeğe bölünmesiyle oluşan sürece nükleer fisyon denir. Ürün çekirdeklerin kütlesi ana çekirdeğin kütlesinden azdır; bu kütle eksikliği enerji olarak karşımıza çıkar. (2 ya da 3 nötron açığa çıkar. 235 236 * 92U 0n 92U X Y nötronlar Uranyumun fisyonunda X ve Y nin farklı kombinasyonları vardır). Fisyon ürünleri Örnek: 4 92 3( 92U 0n 56Ba 36Kr 0n) 235 Şekil Kaynak [2] den alınmıştır. Fisyon sürecinin basamakları söyle sıralanabilir: 235 U çekirdeği termal nötron yakalar. 236 U * oluşur. Fazla enerjiden dolayı şiddetli titreşimler olur. 236 U * çekirdeği deforme olmuştur; gülle biçimli iki bölgedeki protonlar arası itme deformasyonu artırır. Çekirdek birkaç nötron yayınlayarak 2 ye ayrılır. 23.05.206 A.Ozansoy, 206 5
Nötron Kaynakları:. İzotopik nötron kaynakları: - yayınlayan bazı çekirdeklerden yayınlanan lar Be gibi bir hedefe çarptırılır. 4 9 2 2 4Be 6 C 0 n 2. Hızlandırıcı tabanlı nötron kaynakları: 3. Nükleer reaktörler: 2 2 D D 2 D T 3 3 2 4 2 He He 0 0 n n 236 * 92U 0n 92U X Y (2ya da 3 nötron) 235 4. Foto nötron kaynakları: 9 8 4 Be 4 Be 0 n 23.05.206 A.Ozansoy, 206 6
3. Nükleer Reaktörler: 235 U fisyona uğradığında, açığa çıkan yeni nötronlar başka U çekirdeklerini fisyona uğratabilir. Zincirleme reaksiyon kontrol edilmezse şiddetli patlamalar olabilir (atom bombasının arkasındaki prensip budur). Ancak reaksiyon kontrol edilirse açığa çıkan enerji uygun bir şekilde kullanılabilir. Şekil Kaynak [2] den alınmıştır. Bir nükleer reaktör; kendi kendine zincirleme reaksiyon olarak bilinen reaksiyonu devam ettirmek üzere düzenlenen bir sistemdir. K:Tekrar üretme sabiti Zincir reaksiyonu için fisyon sonucu açığa çıkan nötronların birisinin başka bir 235 U çekirdeği tarafından yakalanması ve tekrar fisyona sebep olması gerekir. Bu parametre reaktörün işleyiş seviyesini anlatan bir parametredir. 23.05.206 A.Ozansoy, 206 7
K= Reaktör kritik; bölünme başına tam nötronun yeni bölünme yapması demek. K< Reaktör kritik altı. Reaksiyon durur. K> Reaktör kritik üstü. Reaksiyon çok hızlı. Güç sağlamada kullanılan bir reaktörde K nın birden çok az büyük olması gerekir. Uranyum Zenginleştirme: Bugün çalışır durumdaki pek çok reaktörde yakıt olarak 235 U kullanılır. Doğal Uranyum, % 0.7 oranında 235 U, % 99.3 oranında 238 U içerir. 238 U hemen hemen hiç fisyona uğramaz. 235 U içeriğini % birkaç (%3-5) yapmak için 235 U suni olarak zenginleştirilir. UF 6 bileşiği kullanılarak gazlı difüzyon ya da gaz santrifüj yöntemlerinden birisiyle 235 U zenginleştirilir. Moderatörler (yavaşlatıcılar): Fisyon sonucu açığa çıkan nötronlar, çok hızlıdır. 235 U ile tekrar fisyona uğramaları için yavaşlatılmaları gerekir. Yakıt moderatör denilen bir malzeme ile kaplanır. Yavaşlatma işleminin iki amacı: ) nötronları 235 U ile fisyona hazırlamak 2) 238 U hızlı nötronları hemen yakaladığı için 238 U in nötron yakalama olasılığını azaltmak. Şekilde, bir reaktörün çekirdeğinin (core) kesiti görülmektedir. Güç düzeyinin kontrolü için kontrol çubukları yerleştirilmiştir. Kontrol çubukları kadmiyum gibi nötron soğurmada etkin olan bir malzemeden yapılır. Bu çubukların yeri ve sayısı ayarlanarak K parametresi ayarlanabilir. 23.05.206 A.Ozansoy, 206 8
4. Nükleer Füzyon: İki hafif çekirdeğin daha ağır bir çekirdek oluşturmak üzere birleşmesine nükleer füzyon denir. Ürün çekirdeğin kütlesi, başlangıçtaki çekirdeklerin durgun kütlelerinden daha hafif olduğu için bir enerji açığa çıkar. Böyle bir enerjiyi serbest bırakan füzyon reaksiyonlarından ikisi Döteryum ( 2 H 2 D) Trityum ( 3 H 3 T) İkinci reaksiyon ya hidrojen-helyum füzyonu ya da helyum-helyum füzyonu ile takip edilir. Bunlar proton-proton çevrimi olarak bilinen temel reaksiyonlardır. Güneş ve hidrojen bolluğu olan diğer yıldızlardaki enerjinin temel kaynağı olarak bilinir. Bu reaksiyonların oluşması için çok yüksek sıcaklıklara ihtiyaç vardır. (Güneşin merkezinde yaklaşık.5 x 0 7 K). Proton-proton çevrimindeki tüm reaksiyonlar ekzotermiktir. Çevrimin genel biçimi 4 protonun; alfa parçacığı ve iki pozitron oluşturmak üzere 25 Mev lik enerji açığa çıkarmasıyla birleşmesinden oluşur. 23.05.206 A.Ozansoy, 206 9
Güneşteki yoğun protonlardan dolayı, proton-proton çevrimi Güneş te gerçekleşir. Protonlar (+) yüklerinden dolayı birbirlerini iterler. Nükleer füzyondan enerji elde edebilmek için bu Coulomb itmesini yenmek gerekir. Bu itmeyi dengeleyebilmek için çok yüksek sıcaklık ya da çok yüksek basınç gereklidir. Bir füzyon güç reaktörünün kurulmasında en ümit verici gibi görünen hidrojenin izotopları döteryum (D) ve trityumu (T) kullanmaktır. Bu reaksiyonlar şu şekildedir. İki döteron (döteryum çekirdeği) arasında uzaklığın fonksiyonu olarak potansiyel enerji yandaki şekilde görülmektedir. r < R için güçlü nükleer kuvvet basın, r > R için Coulomb itmesi baskın. Bu itme kuvvetini yenmek için çok yüksek kinetik enerji verilmelidir. Yakıt çok yüksek sıcaklıklara kadar ısıtılmalı. Böyle yüksek sıcaklıklarda atomlar iyonize olur ve sistem plazma denen + ve yüklerin bir karışımı olur. 23.05.206 A.Ozansoy, 206 0
Üretim hızı kayıp hızını aşarsa tutuşma meydana gelir (P üret > P kayıp ). Kayıplar, elektron-iyon çarpışmaları sonucu olan frenleme ışımalarının neden olduğu kayıplardır. Kritik tutuşturma sıcaklığı D-D reaksiyonu için 4 x 0 8 K; D-T reaksiyonu için 4.5 x 0 7 K dir. (Yandaki grafikte E=kT değerleri de verilmiştir). Yüksek sıcaklığa ek olarak n iyon yoğunluğu ve sınırlama zamanı diğer iki önemli parametredir. (Sınırlama zamanı etkileşen iyonların sıcaklığının tutuşturma zamanına eşit veya ondan büyük olana kadar geçen zamandır). NOT!!! Bölüm 7 ile ilgili derste çözülen 2 örneği mutlaka inceleyiniz. Lawson kriteri n: Lawson sayısı olarak bilinir. Lawson kriteri plazmanın ısınması için gerekli enerji ile füzyon reaksiyonundan elde edilen enerji karşılaştırılarak verilmiştir. Manyetik bir enerji koruma sistemine sahip olmak ya da süperiletken mıknatıs kullanmak gerekir. 23.05.206 A.Ozansoy, 206
Kaynaklar:. acikarsiv.ankara.edu.tr/browse/24557/meneksesenyigit.pdf 2. http://www.nuclear-power.net/nuclear-power/fission/ 3. Fen ve Mühendislik için Fizik, Cilt-II, R.A. Serway ve R.J. Beichner, (Çeviri Editörü: Prof. Dr. Kemal Çolakoğlu), 5. Baskıdan çeviri, Palme Yayıncılık 2002, Ankara. (Aksi belirtilmediği sürece, sunu dosyası içindeki tüm şekiller bu kaynaktan alınmıştır). 23.05.206 A.Ozansoy, 206 2