NÜKLEER KİMYA

İbrahim BULDUK

Fisyon (Çekirdek

Parçalanması):

bir nötronun, uranyum gibi ağır

bir element atomunun çekirdeğine çarparak

yutulması, bunun sonucunda bu atomun

kararsız hale gelerek daha küçük iki veya

daha fazla farklı çekirdeğe bölünmesi

reaksiyonudur. Dolayısıyla Fisyon, bir çekirdek

tepkimesidir.

Parçalanma sonucunda ortaya çıkan atomlara

fisyon ürünleri denir. Bunların bazıları

radyoaktiftir. Bir nötron yutulması ile başlayan

fisyon tepkimesi sonucunda, büyük miktarda

enerji ile birlikte, birden fazla nötron ortaya

Fisyon (Çekirdek

Parçalanması):

Çekirdek tepkimeleri sonucunda açığa çıkanenerji, kimyasal tepkimelere göre yaklaşık birmilyon kat düzeyinde daha fazladır.

Fisyon reaksiyonlarında radyoaktif elementlerkullanılır. Reaksiyon sonucunda kararsızçekirdekler ve nötron oluşur. Oluşan nötronlarınher biri yeni bir uranyum atomu ile tepkimeyegirer. Bu olay zincirleme olarak devam eder.

Fisyon reaksiyonları kontrollü olarakgerçekleştirilmelidir. Eğer reaksiyonlar kontrolaltına alınmazsa açığa çıkan enerji büyük birpatlama oluşturur. Buna nükleer bomba ya daatom bombası denir. Bu olayda büyük miktardaenerji açığa çıkar.

Fisyon (Çekirdek

Parçalanması):

Zincirleme Reaksiyon: Fisyon sonucunda ortayaçıkan nötronların, ortamda bulunan diğer fisyonyapabilen atom çekirdekleri tarafından yutularak,onları da aynı reaksiyona sokması ve bununardışık olarak tekrarlanmasıdır.

Kontrolsüz bir zincirleme reaksiyon, çok çok kısabir süre içinde çok büyük bir enerjinin ortayaçıkmasına neden olur. Atom bombasınınpatlaması bu şekildedir. Bölünme tepkimeleriatom bombalarının yapımında ve nükleersantrallerde enerji üretiminde kullanılır.

Fisyon (Çekirdek

Parçalanması):

1 235 236 91 142 1

0 92 92 36 56 0 + U U Kr + Ba + 3 + energyn n

Fisyon (Çekirdek

Parçalanması):

1 235 137 1

0 92 52 0 + U Te + ? + 2 + energyn n

Fisyon Örnek

Aşağıdaki Nükleer Fisyon reaksiyonunu

denkleştiriniz.

Çözüm

1 235 137 97 1

0 92 52 40 0 + U Te + Zr + 2 + energyn n

Fisyon (Çekirdek

Parçalanması):

Örneğin Uranyum-235 nötron bombardımanına

tutulur. Bombardımanda Uranyum mevcut

nötronlarından birini kaybetse bile kararsız bir hal

alır ve bu tepkime zincirleme reaksiyona girerek

madde kendini parçalar. Ardından Baryum-142 ve

Kripton-91'e dönüşür. Bununla birlikte üç nötron

salar ve yüksek miktarda Gama Işıması yapar. Bu

yaklaşık 25.000 ton kömürün enerjisine eşittir.1 235 236 91 142 1

0 92 92 36 56 0 + U U Kr + Ba + 3 + energyn n

Fisyon (Çekirdek

Parçalanması):

Fisyon tepkimesinde açığa çıkan nötronlar

ortamdan uzaklaştırılmazsa tepkime zincirleme

devam eder.

Fisyon tepkimeleri için bir ilk enerjiye

(Aktiflenme Enerjisi) ihtiyaç vardır.

U23592n

10

Fisyon Prosesi

Bir nötron Uranyum-235 çekirdeğine doğru yüksek

hızla ilerler.

U23592n

10

Fisyon Prosesi

Bir nötron Uranyum-235 çekirdeğine doğru yüksek

hızla ilerler.

U23592n

10

Fisyon Prosesi

Bir nötron Uranyum-235 çekirdeğine doğru yüksek

hızla ilerler.

U23592n

10

Nötron çekirdeğe çarpar

Fisyon Prosesi

U23692

Çekirdek bir nötron yakaladığı için Uranyum-235

ten Uranyum-236 ya dönüşür.

Fisyon Prosesi

Oluşan Uranyum-236 çekirdeği çok kararsızdır.

Fisyon Prosesi

Kısa sürede uzamış bir şekline dönüşür.

Fisyon Prosesi

Oluşan Uranyum-236 çekirdeği çok kararsızdır.

Kısa sürede uzamış bir şekline dönüşür.

Fisyon Prosesi

Oluşan Uranyum-236 çekirdeği çok kararsızdır.

Kısa sürede uzamış bir şekline dönüşür.

O daha sonra 2 fisyon fragmanına bölünür ve

nötronlar yayar.

Fisyon Prosesi

14156Ba

9236Kr

n10

n10

n10

O daha sonra 2 fisyon fragmanına bölünür ve

nötronlar yayar.

Fisyon Prosesi

14156Ba

9236Kr

n10

n10

n10

O daha sonra 2 fisyon fragmanına bölünür ve

nötronlar yayar.

Fisyon Prosesi

14156Ba

9236Kr

n10

n10

n10

O daha sonra 2 fisyon fragmanına bölünür ve

nötronlar yayar.

Fisyon Prosesi

14156Ba

9236Kr

n10

n10

n10

Nükleer Fisyon Örnekleri

U235

92+Ba

141

56+ n

1

03n

1

0+Kr

92

36

U235

92+Cs

138

55+ n

1

02n

1

0+Rb

96

37

Fisyon Enerjisi

Hem fisyon parçaları hem de nötronlar yüksek

hızla hareket ederler.

Fisyon ürünlerinin kinetik enerjisi bombardıman

edilen nötron ve hedef atomunkinden çok daha

büyüktür.Fisyondan önceki EK << Fisyondan sonraki EK

Fisyon reaksiyonunun bir sonucu olarak Enerji salıverilir.

Fisyon Enerjisi

U235

92+Cs

138

55+ n

1

02n

1

0+Rb

96

37

Element Atom Kütlesi (kg)

23592U 3.9014 x 10-25

13855Cs 2.2895 x 10-25

9637Rb 1.5925 x 10-25

10n 1.6750 x 10-27

Fisyon Enerjisi

Fisyon olmadan önce ve sonra toplam kütleyi hesaplayınız.

Fisyondan önce toplam kütle:

Fisyondan sonra toplam kütle:

3.9014 x 10-25 + 1.6750 x 10-27 = 3.91815 x 10-25 kg

2.2895 x 10-25 + 1.5925 x 10-25 + (2 x 1.6750 x 10-27) = 3.9155 x 10-25 kg

Fisyon Enerjisi

Fisyondan önce Toplam Kütle =

Fisyondan sonra Toplam Kütle =

3.91815 x 10-25 kg

3.91550 x 10-25 kg

Fisyondan önceki toplam kütle > Fisyondan sonraki toplam kütle

Fisyon Enerjisi

Kütle farkı, m = fisyondan önc toplam kütle – fisyondan sonr toplam kütle

m = 3.91815 x 10-25 – 3.91550 x 10-25

m = 2.65 x 10-28 kg

Kütledeki bu azalma Enerji açığa çıkması ile sonuçlanır.

Fisyon Enerjisi

Aşağıdaki denklem kullanılarak serbest bırakılan

enerji hesaplanabilir.

E = mc2

Burada:

E = Açığa çıkan enerji(J)

m = kütle farkı (kg)

c = vakumda ışık hızı (3 x 108 ms-1)

E

m c2

Fisyon Enerjisi

E = mc2

U235

92 +Cs138

55+ n1

02n1

0 +Rb96

37

Aşağıdaki fisyon reaksiyonundan açığa çıkan

enerjiyi hesaplayınız:

m = 2.65 x 10-28 kg

c = 3 x 108 ms-1

E = E

E = 2.65 x 10-28 x (3 x 108)2

E = 2.385 x 10-11 J

Fisyon Enerjisi

Bu fisyon reaksiyonundan açığa çıkan enerji çok

fazla görünmüyor.

Bu tek bir çekirdeğin fisyonundan üretilen

enerjidir.

Pek çok çekirdek fisyon reaksiyonuna maruz

kaldığı zaman pek çok miktarda enerji açığa

çıkar.

Fisyon Enerjisi

Her bir Uranyum-235 atomunun kütlesi 3.9014 x

10-25 kg dır.

1 kg Uranyum-235 içerisindeki atomların toplam

sayısı aşağıdaki gibi bulunabilir:

1 kg Uranyum-235 içindeki Atom Sayısı=1/3.9014 x

10-25

1 kg Uranyum-235 içindeki Atom Sayısı = 2.56 x 1024 atoms

Fisyon Enerjisi

Bir Uranyum-235 atomu bir fisyon reaksiyonuna

maruz kalırsa 2.385 x 10-11 J enerji açığa çıkar, 1

kg Uranyum-235 fisyon reaksiyonuna maruz kalırsa

açığa çıkacak olan enerji aşağıdaki şekilde

hesaplanır:

Toplam Enerji = Fisyon başına Enerji x Atom

SayısıToplam Enerji = 2.385 x 10-11 x 2.56 x 1024

Toplam Enerji = 6.1056 x 1013 J

Füzyon (Çekirdek

Birleşmesi):

Nükleer füzyon, nükleer kaynaşma ya dakısaca füzyon; iki hafif elementin nükleerreaksiyonlar sonucu birleşerek daha ağır birelement oluşturmasıdır. Çekirdek Tepkimesiolarak da bilinen bu tepkimenin sonucundaçok büyük miktarda enerji açığa çıkar.

Bu işlemle oluşturulabilecek en ağır elementDemirdir. Reaksiyona giren çekirdekler atomnumarası 1 olan Hidrojen veya izotoplarıDeuterium ve Tritium gibi düşük atomnumarasına ait elementlerde ortaya çok büyükmiktarda enerji çıkar.

Füzyon (Çekirdek

Birleşmesi):

Nükleer füzyonun bu devasa enerji

potansiyelinden ilk olarak, 2. Dünya Savaşı’nı

takip eden yıllarda, Hidrojen Bombası olarak

da bilinen Termonükleer silahların üretiminde

istifade edilmiştir.

Füzyon tepkimeleri Güneş'te her an doğal

olarak gerçekleşmektedir. Güneş'ten gelen ısı

ve ışık, Hidrojen çekirdeklerinin birleşerek

Helyuma dönüşmesi ve bu dönüşüm sırasında

kütle kaybı karşılığı enerjinin ortaya çıkması

sayesinde meydana gelmektedir.

Füzyon (Çekirdek

Birleşmesi):

Hidrojen bombasının, Güneş’te gelişen

olayların ve Güneş enerjisinin temeli

kaynaşma (füzyon) tepkimeleridir.

Kaynaşma tepkimelerinde açığa çıkan enerji,

bölünme tepkimelerinden daha büyüktür.

Faydalı füzyon reaksiyonları:

D-T (döteryum-trityum) füzyon reaksiyonu

D-D (döteryum-döteryum) füzyon reaksiyonu

Nükleer Füzyon

Nükleer füzyonda küçük atom kütleli iki çekirdek

büyük kütleli tek bir çekirdek oluşturmak üzere

birleşir.

H2

1+He

4

2+ n

1

0H

3

1 +Energy

Füzyon Prosesi

H21

H31

Füzyon Prosesi

H21

H31

Füzyon Prosesi

H21

H31

Füzyon Prosesi

H21

H31

Füzyon Prosesi

Füzyon Prosesi

Füzyon Prosesi

Füzyon Prosesi

Füzyon Prosesi

He42

n10

Füzyon Prosesi

He42

n10

Füzyon Prosesi

He42

n10

Füzyon Prosesi

He42

n10

Füzyon Enerjisi

Element Atom Kütlesi (kg)

21H 3.345 x 10-27

31H 5.008 x 10-27

42He 6.647 x 10-27

10n 1.6750 x 10-27

H2

1+He

4

2+ n

1

0H

3

1 +Energy

Füzyon Enerjisi

Aşağıdakileri hesaplayınız:

• Kütle farkı.

• Füzyon başına açığa çıkan enerji.

Füzyon Enerjisi

Füzyondan önceki Toplam Kütle:

Füzyondan sonraki Toplam Kütle:

3.345 x 10-27 + 5.008 x 10-27 = 8.353 x 10-27 kg

6.647 x 10-27 + 1.675 x 10-27 = 8.322 x 10-27 kg

H2

1+He

4

2+ n

1

0H

3

1 +Energy

Füzyon Enerjisi

m = Füzyondan önc toplam kütle– füzyondan sonr toplam kütle

m = 8.353 x 10-27 – 8.322 x 10-27

m = 3.1 x 10-29 kg

Füzyon Enerjisi

E = mc2m = 3.1 x 10-29 kg

c = 3 x 108 ms-1

E = E

E = 3.1 x 10-29 x (3 x 108)2

E = 2.79 x 10-12 J

H2

1+He

4

2+ n

1

0H

3

1 +Energy

Füzyon başına serbest bırakılan enerji 2.79 x 10-12

Füzyon (Çekirdek

Birleşmesi):

Füzyon (Çekirdek Birleşmesi): Hafif

radyoaktif

nin daha

ağır atom çekirdeklerini meydana getirmesi

olayıdır.

Füzyon tepkimesinde ortaya çıkan

çok daha tür.

bu gruba

girer.