Zincir Reaksiyonu

Nükleer Enerji videomuzda anlattıklarımızı matematiksel olarak da detaylandırmak istediğimiz Bilimsel Bakış: Nükleer Enerji yazı dizimizde bugün Zincir Reaksiyonu‘na göz atıyoruz.

Hızlı Bilimsel Bakış Nükleer Enerji videomuza buradan göz atabilirsiniz:

Evet, Zincir Reaksiyonu demiştik; nükleer fizyon (ayrılma)’un açığa çıkardığı inanılmaz enerjiyi Bilimsel Bakış: Fizyon makalemizde inceledik ama bu nükleer enerjiden bir elektrik üretim sistemi olarak verimli bir şekilde faydalanmak için tek başına yeterli değil. Bunun için Zincir Reaksiyonu irdelememiz gerekli.

{}^{235}U i ele alacak olursak tek bir fizyon tepkimesinde ortalama olarak 2.5 nötron açığa çıkıyor. Bu açığa çıkan nötronlar yeni fizyon tepkimeleri başlatıyorlar ve açığa yeni nötronlar çıkıyor; sonra açığa çıkan yeni nötronlar da yeni fizyon tepkimeleri başlatarak zincirleme bir reaksiyon oluşturuyorlar. Zincir reaksiyonu bu şekilde basitçe tanımlayabiliriz. Lakin bu bize yeter mi? Yetmez!

k diye bir oran tanımlayalım. k oranı (n+1)’inci adımda açığa çıkan nötron sayısının n’inci adımda açığa çıkan nötron sayısına oranını bize veriyor.

k=\frac{(n+1)\textrm{inci ad\i mda üretilen nötron say\i s\i}}{(n)\textrm{inci ad\i mda üretilen nötron say\i s\i}}

eğer k, 1’den küçükse (k>1) bunu sub-critical olarak adlandırıyoruz. Bu durumda, (n+1). adımda üretilen nötron sayısının n. adımda üretilen nötron sayısından küçük olması, zincir reaksiyonu eninde sonunda bitecektir. k=1 durumunda ise reaksiyondaki nötron sayısı sabit kalacaktır bu durumu da critical olarak adlandırıyoruz. k=1 durumunda zincir reaksiyonunun devam etmesi olasıdır. Son olarak k>1 durumunda ise reaksiyondaki nötron sayısı ve açığa çıkan enerji sürekli artacaktır hatta kontrol edilemeyen patlamalara(evet evet o meşhur bomba, atom bombası) kadar gidecektir. Bu durumu da super-critical olarak adlandırıyoruz.

Bazı kavramların Türkçe’ye çevirdiğimiz zaman anlam kaymaları yaşanabiliyor, bu nedenle ingilizceleriyle ilerlemekte fayda var. Kelimenin ingilizcesinin abidik kubidik olduğu zamanlarda açıklamalarını vereceğiz merak etmeyin.

Kontrol edilebilen çevre koşulları altında, örneği bir nükleer reaktörde, zincir reaksiyonları enerji üretimi açısından çok verimlidir. Bütünüyle bir nükleer reaktör tasarımı burada benim anlatabileceğim sizlerin de anlayabileceği bir konu değil lakin aşağıdaki temel diagram bize reaktörlerin çalışma prensibini basitçe anlatıyor.

Doğal uranyum çekirdek yakıtı olarak kullanılabilir ama unutmamak gerekirki doğal uranyum Uranyum 235 ve Uranyum 238’in bir karışımıdır. Uranyum 235 ise daha kısa bir lifetime (yaşam süresine) sahiptir. (yaklaşık olarak 7 \times 10^{8} yıl, Uranyum 238 ise (5 \times 10^{9} yıl)

Doğal uranyum 1:138 oranında Uranyum 235 içeriyor. Doğal uranyum’u yakıt olarak kullanmak istediğimizde, fizyon tepkimesi sonrasında açığa çıkan nötronlar Uranyum 238 çekirdeği tarafından yakalanıyor ve işimize pek yaramıyor. Bu nedenle zenginleştirilmiş uranyum 235 (saf Uranyum 235) yakıtlarına ihtiyaç duyuyoruz.

Kontrol çubukları genelde yüksek derecede nötron absorption(emme mi desem yakalama mı desem bilemedim) özelliğinden cadmium(kadmiyum)’dan yapılır. Kontrol çubuklarını kullanarak tepkimedeki nötron sayısını kontrol edebiliriz. Yeri gelmişken belirtmekte fayda var Çernobil Nükleer Faciası‘nda yaşanan patlamanın nedeni de bu kontrol çubuklarıydı. Bu çubuklar tepkime çok hızlandığında yani çok fazla nötron açığa çıkıp çok fazla zincir reaksiyonu tetiklediğinde devreye sokulur ve nötronları yakalayarak tepkimeyi yavaşlatır. Bilinen verilere göre Çernobil’deki reaktörde bu çubukları kontrol eden mekanizma bir nedenden ötürü çalışmadı ve faicaya varan problemler serisi başladı. Çernobil’deki patlamanın (patlamanın diyorum çünkü fizyon tepkimesinde patlayacak bir şey yok sadece açığa enerji çıkıyor) sebebi ise farklı bir konu ona da bir gün detaylıca değiniriz.

Evet iyice dallanıp budaklanmadan tekrar şu k değerine dönelim. Sabit bir enerji çıkışı için bu k değeri dediğimiz zamazingoyu da sabit tutmalıyız. Bunun için de kontrol çubuklarını kullanıyoruz. k çok artarsa çubukları daldır, k azalırsa çubukları çek. Yukarıdaki görselde değinmediğimiz bir tanım daha var “modaratör madde”, peki bu ne? dediğinizi duyuyorum. Moderatör madde dediğimiz şey ise yakıtımızın yani uranyumun etrafını saran maddedir. Ağır su (Dötoryum, \textup{D}_{2}\textup{O}) veya bildiğimiz normal su \textup{H}_{2}\textup{O} bu maddelere örnek verilebilir. Bu moderatör maddenin temel amacı ise açığa çıkabilecek hızlı nötronları yavaşlatmak bu sayede nötronların absorp(emilme) edilmesini kolaylaştırmış oluruz.

Çekirdeğin dışında çekirdeği soğutmak için bir sıvı, genelde su, bulunur. Bu suyun amacı bütün soğutma sistemlerinde olduğu gibi sistemin sıcaklığını düşürmek ve erimelerden korumaktır.

Son olarak basitçe nükleer santralin şemasını şu şekilde çizebiliriz. Bu konunun üstüne durmaya devam edeceğiz. Takipte kalın.

Kaynak:

Book: Introduction to Nuclear and Particle Physics – A. Das and T. Ferbel

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *