NÜKLEER ENERJİ
Alm. Atomenergie (f), Fr. Energie (f) nucléaire, İng. Nuclear energy. Atom çekirdeğinin değişimiyle ortaya çıkan enerji. Çekirdek değişimi başlıca fisyon veya füzyon olarak ortaya çıkar.
Bir ağır elementin çekirdeğinin daha küçük iki çekirdeğe ayrılması, olayına “nükleer fisyon” denir. Buna karşılık hafif elementlerin iki çekirdeğinin, daha büyük bir çekirdek ortaya çıkarmak için kaynaşmasına “nükleer füzyon” denir.
Nükleer fisyon ilk defa İkinci Dünyâ Savaşında kullanılmış ve daha sonra pekçok nükleer reaktörün çalışmasını sağlamıştır. Günümüzde bilim ve endüstride pekçok uygulaması mevcuttur. Kontrolsüz nükleer füzyon, bir atom bombasının başlattığı hidrojen bombasında ortaya çıkmıştır (Bkz. Hidrojen Bombası). Nükleer füzyon, henüz kontrollü olarak reaktörlerde gerçekleştirilememiştir.
Uranyum ve nükleer enerji:
Bugün, atom endüstrisinin esâsını uranyum mâdeni teşkil etmektedir. Uranyum çok ağır bir mâdendir. Bileşikler hâlinde, yeryüzünün her tarafında bulunmaktadır. Radyoaktif bir metaldir (Bkz. Radyoaktivite). Uranyumunun atom numarası 92’dir. Yâni uranyum atomu, 107 elementin, 91 tânesinin atomlarından daha büyüktür. Böyle olmakla berâber, bir gram uranyumda 3x1021 tane atom vardır. Bu miktarın kapladığı hacim ise, ancak 50 mm3tür. Bir uranyum atomunun çekirdeği ise bu atomdan yüzbin defâ daha küçüktür. Çekirdek içinde 92 tâne proton bulunur. Nötron adediyse bâzı çekirdeklerde 142, bâzısında 143 ve bâzısında da 146’dır. Böylece uranyumun üç izotopu vardır. İzotop, Yunanca “aynı yer” demektir. Buna göre üç izotopun atom ağırlıkları, yâni çekirdekteki proton ve nötron sayılarının toplamı 234, 235 ve 238’dir. Uranyum izotoplarının atom ağırlıkları, birbirinden az olmakla berâber farklı olduğundan, dışardan gelip, bunların çekirdeklerine çarpan bir nötrona karşı, farklı tesir ederler. Bunların içinde, 143 nötronlu olan 235 atom ağırlıklı uranyum izotopunun gösterdiği tesir çok mühimdir. Şöyle ki:
Uranyum 235 izotopu çekirdeğine, hâriçten (dışardan) bir nötron çarpınca, derhal (sâniyenin birkaç milyonda bir ânında) kırılıp, ikiye bölünür. Meydana gelen parçaların ikisi de, o an içinde, etrafa nötronlar ile gamma ışınları saçarlar. Uranyum 235 atomunun bu sûretle parçalanmasına fisyon (inşikak= yarılma) denir ki, radyoaktiviteye hiç benzememektedir.
Fisyona uğrayan uranyum izotopu, yalnız uranyum 235’tir. Yarılmadan, her zaman aynı iki parça meydana gelmez. Kırktan fazla çeşitli parça meydana gelmektedir. Bunların herbiri de dayanıksızdır. Yâni radyoaktif olup, parçalanarak, zerreler ve enerji neşrederler. Bu zerreler de, tekrar parçalanır. Böylece sâbit zerrelere ayrılıncaya kadar az veya çok uzun bir zaman parçalanmağa uğrarlar.
Yarılmadan meydana gelen çiftlerden ikisine ait denklem,
92U235+0n1Æ36Kr89+56Ba144+30n1+Enerji
92U235+0n1Æ35Br85+57La148+30n1+Enerji
şeklindedir.
En çok rastlanan çiftler; Kripton-Baryum, Brom-Lantan, Stronsiyum-Ksenon ve Yitriyum-İyottur.
Yukarıdaki yarılma denklemlerinde, sağ taraftaki kütleler toplamının, sol taraftaki kütleler toplamından noksan olduğu görülmektedir. Demek ki kütle kayboluyor, enerji hâline dönüşüyor: Einstein hesâbına göre bu enerji E= mc2 formülü ile verilir. m kaybolan kütle c2 ise ışık hızının karesidir. Bir tek uranyum çekirdeğinin yarılmasından, ikiyüz milyon elektron volt (200 MeV) miktarında enerji hâsıl oluyor. 1 eV= 4,45x10-26 kwh’lik enerjidir. Yâni, 1 kwh’lik enerji hasıl olması için, 1016 kere yarılma olması gerekir. Bu hesâba göre 1 kg uranyum maddesinin yarılması sonunda 8,21x1013 joule’lik enerji açığa çıkar ki, bu miktar yaklaşık 20.000 ton dinamitin patlaması esnâsında ortaya çıkan enerjiye eşittir.
Bu enerjinin % 4’ü, yarılma esnâsındaki ışınlar hâlinde, % 16’sı meydana gelen parçaların radyoaktif ışın saçmaları ile, geri kalan % 80 kısmı da, parçaların kinetik enerjisi (süratleri) ile taşınır. Büyük süratle atılan bu parçalar, etraftaki uranyum atomlarına çarparak, bu enerjiyi de hararet şeklinde saçarlar. Atom cihazı (reaktör) kullanılarak, elektrik yapan dinamonun türbinini çevirmek için lâzım olan su buharı, işte bu hararetle elde edilmektedir.
Fakat, tabîatte mevcut uranyum parçalarında bulunan uranyum 235 miktarı pek azdır ve binde yedi kadardır. Geri kalan, binde 993 kısmı uranyum 238’dir ki, bu pek nadir yarılmaya uğrayabilir (uranyum 234 izotopu, pek az olduğu için önemli değildir). O hâlde, bir yarılmadan meydana gelen pek büyük bir hızla atılan bir nötronun, bir uranyum 235 çekirdeğine çarpması ihtimali pek az, hemen hemen hiç yok gibidir. Demek ki, bir uranyum parçasında başlayan yarılma reaksiyonlarının devam edebilecek bir infilak hâlini alabilmesi için bâzı işlemler gereklidir.
İlk işlem, uranyum parçasını çok dikkatle temizlemektir. Çünkü, kıymetli nötronlar, hemen hemen bütün cisimler tarafından tutulur. Bundan başka, uranyum 238 miktarı, uranyum 235 miktarından pek fazla bulunmakla kalmayıp, nötronları kendine daha kuvvetle çeker ve böylece, yarılmanın zincirleme reaksiyon olarak ilerlemesini durdurur.
İkinci işlem, bir yarılmadan saçılan nötronların sürati pekçok olduğundan (yaklaşık 2 MeV) atom çekirdekleri tarafından tutulmasına vakit bulunamaz. Nötronların hızı azalıp orta süratli olunca, uranyum 238 atomları tarafından da yakalanırlar. Yakalanma ihtimâli “rezonans enerjisi” hâlinde en fazladır. Uranyum 238 atomları, bir nötron alınca uranyum 239 hâline dönüyor ki, bu cisim radyoaktif olup, beta ışınları saçar ve neptünyum 239 denilen yeni bir element şekline döner. Bu eleman da bir beta ışını neşrettiğinde plutonyum 239 cismi hasıl olur ki, bu cisim de nükleer reaktörler için ayrıca ehemmiyet taşımaktadır.
Uranyum 235 saf olarak, pek güç ayrılabildiğinden, bugün ancak Brileşik Amerika ve Rusya’da ve pek az miktarda da İngiltere’de elde edilebilmektedir. Uranyum 235’in saflaştırılmasında gazların difuzyonu prensibi kullanılmaktadır. Bunun için uranyum, UF6 (uranyum hekzaflorür) gazı hâline getirilmekte ve difüzyon kabında hafif olan 235 atomlarının üst kısma geçmesiyle 238 atomlarından ayrılması sağlanmaktadır. Bu saflaştırma yolu ile yüzde doksan üç değerinden daha fazla saflıkta uranyum 235 elde edilmiştir. Fakat, saf bir uran 235 parçasında parçanın kütlesi, kritik (tehlikeli) miktarı bulunca zincirleme reaksiyon bir anda hâsıl olmaktadır. Bu sûretle bir atom cihazı değil, bir atom bombası meydana gelir. Birleşik Amerika’da, az saflaştırılmış uran 235 kullanılmaktadır. Bu saflaştırma oranı % 2-4 arasında değişmektedir.
1. Fisyonun prensipleri: Ocak 1939 da Otto Hahn ve Fritz Strassman yeni bir tür nükleer reaksiyon tespit etmişlerdir. Uranyum’un düşük enerjili nötronlarla bombardıman edilmesi hâlinde bâzı nötronların uranyum atomlarının çekirdeği tarafından absorbe edildiğini (tutulduğunu) tespit etmişlerdir. Ayrıca, bu sûretle zorlanan çekirdeğin yeni bir reaksiyonla baryum verdiğini görmüşlerdir. Lise Meitner ve Otto Robert Frisch tarafından aynı yıl, zorlanan çekirdeğin daha küçük kütlede iki çekirdeğe ayrıldığı da açıklanmıştır. Bu çekirdek ayrışması yâni fisyon, bir su damlacığı benzeşimiyle açıklanabilir. Eğer bir damla bir kuvvetle titreşime zorlanırsa, ilk önce elipsoit şekli alır, daha sonra ortası daralır ve sonuç olarak iki küçük damlaya parçalanır.
Bu şekildeki bir çekirdeğin fisyonunda, şekillenen ağır parçacıkların kütlesi, başlangıçtaki kütleden biraz daha azdır. Arada kaybolan kütle enerjiye dönüşür. Bu enerji, fisyon sonucu parçacıklarda çok büyük kinetik enerji ortaya çıkar.
Fisyon işlemi değişik fisyon ürünlerinin ortaya çıktığı pekçok değişik şekillerde meydana gelebilir. Fisyon sonucu ortaya çıkan maddeler, başlangıçtaki maddeden daha düşük atom ağırlıklıdırlar ve genellikle elektron vererek bozunan kararsız izotoplardır. Uranyum -235 izotopunun fisyonunun sonucu, çıkan maddeler çinkodan (atom numarası 30) gadolinyuma (atom numarası 64) kadar uzanır.
Uranyum, toryum ve benzerleri, gamma ışınları veya döteron ile çekirdeklerine yeterli enerji sağlandığında fisyona giderler. Bunun yanında uranyum-238’in de içinde bulunduğu ağır çekirdekler ânî fisyon meydana getirirler. Atom numarası ilerledikçe ânî fisyona gitme eğilimi de artar. Ancak bu tür fisyonlar, nötronla başlatılan fisyon ve bunu izleyen zincir reaksiyonlarına göre daha az öneme sâhiptir.
Zincir reaksiyonları: Frederic Joliot-Curie, Hans von Halban ve Lew Kowarski tarafından 1939’da keşfedilen, nükleer reaksiyonun kendi kendisini beslemesi zincir reaksiyonu olarak isimlendirilir. U-235’in düşük enerjili nötron tarafından sebep olunan fisyonunda ortalama 2,5 ilâve nötron açığa çıkar. Bu nötronlar da başka fisyonlar başlatacaklarından hızla büyüyen bir enerji açığa çıkar. Bu tür olayda zincir reaksiyonları sürekli ve hızla artarak devam eder. Zincir reaksiyonunun devam etmesi için tek şart; her bir reaksiyonun daha sonra bir fisyon meydana getirebilecek bir nötron açığa çıkarmasıdır.
Fisyondan meydana gelen nötronlar yüksek kinetik enerjiye sâhip olup, “hızlı nötronlar” olarak isimlendirilir. Bu tür nötronlar enerjilerini çarpma ile grafit, berilyum veya ağır su gibi hafif maddelerin bulunduğu ortama verirler. Bu ana ortam tarafından yavaşlatılan nötronlar “termal nötronlar” olarak isimlendirilir. Bunların kinetik enerjileri hidrojen gazı moleküllerininkilere benzer. Hızlı ve yavaş nötronların her ikisi de fisyon meydana getirirlerse de yavaş olanlar U-233, U-235 ve Pu-239 gibi ağır elemanların bâzı izotoplarında etkili olurlar.
Fisyon sonucu meydana gelen nötronlar ya reaksiyon ortamından kaçar veya başka bir reaksiyon tarafından kullanılır. İlk duruma âit kayıp, büyük bir sistem kullanılmasıyla küçültülebilir.
Bir nükleer reaktörün kritik büyüklüğünün daha altına inildiğinde sistemden pekçok nötron kaçtığı için zincir reaksiyonu durur. Bu kritik büyüklük, fisyona uğrayan maddeye ve enerji alan ortama bağlıdır. Uranyumu fisyon maddesi olarak ve grafiti ana ortam olarak kullanan bir reaktör en büyük kritik büyüklükte olup, en azından 28 ton uranyum ve 500 ton grafite ihtiyaç duyar. Kanada, Fransa ve Norveç’te inşâ edilenlerde olduğu gibi ara ortamı ağır su olan uranyum reaktörleri 3 ton uranyum ve 6,5 ton ağır suya ihtiyaç gösterir.
Termal nötronlar, reaktördeki izotoplar tarafından yakalanarak daha ağır izotopların meydana gelmesine ve gamma radyasyonuna yol açar. İyi bir reaktör sisteminde, bu tür olayın meydana gelmesi en az seviyede olur.
Nükleer fisyon yakıtları: U-235 izotopu termal ve hızlı nötronları yakalayarak fisyona giderken, U-238 üzerinde sâdece hızlı nötronlar etkili olur. Nitekim enerjinin kullanılmasında iki ana imkân ilk araştırıcılar tarafından incelenmiştir. Bunlardan birinde U-238’den U-235 ayrılır ve elde edilen saf U-235 hızlı reaktör veya termal reaktörde kullanılır. Diğer bir yol ise tabiî uranyumu veya U-235 ile zenginleştirilmiş tabiî uranyumu ana ortam ile karıştırmak ve daha sonra bu karışımı, termal reaktörde kullanmaktır.
Nükleer fisyon enerjisi: Reaktörlerde nükleer fisyon sonucu serbest kalan enerji esas olarak, fisyon maddelerinin kinetik enerjisi, fisyon maddelerinin radyoaktif enerjisi ve kısmen de fisyondaki gamma radyasyonudur. Fisyona uğrayan maddelerin, çevredeki uranyum ortamına çarpması sonucu, kinetik enerji ısı enerjisine çevrilir. Zincir reaksiyonu devam ettikçe, daha fazla radyoaktif olan uranyum çekirdeğinden çok az fisyon maddeleri kaçar. U-235’in kütlesinin sadece çok az bir miktarı enerjiye dönüştürüldüğü halde, 0,45 kg U-235’in fisyonundan 1250 kilo-watt senelik enerji elde edilir.
Fisyon reaktörleri: Bir nükleer fisyon reaktörü, içinde kontrollü zincir reaksiyonun meydana geldiği bir âlettir. Normal işlem şartlarında, zincirin her bir noktasında bir fisyon reaksiyonu, kendisini tâkip eden sâdece bir fisyon doğurur. Böyle bir durumda fisynolaşmanın artma katsayısı birdir. Alışılagelen bir termal reaktörde, zincir reaksiyonu termal nötronlar tarafından sürdürülür.
Termal reaktörlerde, fisyona uğrayacak U-235 gibi bir izotop yakıtı, grafit gibi bir ana ortam ve reaktör çekirdeğinden ısıyı uzaklaştıracak su gibi bir soğutucu vardır. Orta hızlı reaktörde ise zincir reaksiyonu nötronların enerjileriyle sürdürülür. Bu tür reaktörlerde, uranyum yakıtı, berilyum ara ortamı ve sıvı sodyum soğutucusu mevcuttur. Hızlı reaktörde ise zincir reaksiyonu hızlı nötronlar tarafından sürdürülür. Onları yavaşlatacak veya sayılarını azaltacak ara ortam yoktur.
Dünyâda ilk başarılı nükleer reaktör, Chicago Üniversitesinde inşâ edilmiştir.
2 Aralık 1942’de çalışmaya başlayan bu reaktör ilk kendi kendini besleyen zincir reaksiyonu meydana getirmiştir.
Ticârî nükleer-elektrik santrallerinde, her bir tür reaktör tarafından üretilen ısı, santralin net elektrik çıkışından çok daha fazladır. Nükleer santrallerin verimi % 30 civârında olup, kaybedilen enerji çevreye ısı olarak verilir. Meselâ toplam çıkışı 300 MW olan bir reaktörde, net elektrik çıkışı 1000 MW civârındadır.
3. Nükleer fisyon santralleri: Elektrik güç üreten nükleer santrallerin tasarımı, ilke olarak fosil yıkıtı(kömür, petrol veya doğal gaz) kullanan santrallerininkinin aynısıdır. Fisyon sonucu ortaya çıkan ısının faydalı bir şekle dönüştürülmesi gerekir. Bu ise, ısının nükleer fisyon reaksiyonundan, reaktör soğutucusuna nakledilmesiyle yapılır. Kaynar su reaktörlerinde soğutucu, basınç ve yüksek sıcaklıkta, buhar haline getirilir. Diğer tür reaktörlerde ise, ısıtılmış soğutucu, ısıyı buhar üreten kısımdaki suya geçirir ve suyu buharlaştırır. Her iki durumda da buhar türbin kanatlarını dolayısıyla elektrik jeneratörünü döndürmek için kullanılır.
Santralin emniyeti: Nükleer santrallerin en önemli özelliklerinden biri bozunma ısısının bulunmasıdır. Reaktör kapatılsa bile radyoaktif fisyondan ve yakıtın doğal radyoaktivitesinden, reaktör yakıtı ısı üretmeye devam eder. Bu ısının uzaklaştırılması gerekir. Bunun yerine getirilmemesi veya soğutma sistemindeki bir hata önemli kazalara sebep olabilir.
Soğutucunun eksikliğinden doğan kazâ durumunda, nükleer santral kendi âcil çekirdek soğutma sistemini harekete geçirir.
Nükleer santral endüstrisi: Nükleer santral endüstrisinin doğumu, Chicago’da Enrico Femir ve arkadaşlarının ilk kontrollü zincir reaksiyonunu yapmalarından 14 yıl sonra 1956’da olmuştur. Bu 14 yıllık zaman aralığında deney safhasından endüstrideki uygulamaya geçiş hızlı bir gelişmeye işaret eder. Ancak, dünya enerji ihtiyacının artması bu gelişmeyi gölgelemiştir. Fosil yakıtlarının azalması ve enerjiye olan ihtiyacın artması, nükleer enerjiyi yakıt mâliyeti bakımından cazip duruma getirmiştir. Meselâ ABD’de ilk defa 1966 yılında fosil yakıt santrallerinden daha fazla nükleer yakıt santralleri planlanmıştır. Ancak, toplumun nükleer santrallerin çevre kirliliğine karşı olan endişesi, yeni nükleer reaktörlerin planlanmasını yavaşlatmıştır. Normal hafif su reaktörleri, günümüzdeki enerji darlığını rahatlatabilirlerse de U-235 yakıt kaynakları uzun dönemde çözüm getirecek kadar yeterli değildir. Bunun yanında üretici reaktörler, yeryüzünün çok büyük uranyum cevherindeki enerjiyi kullanabilecek tek yol olarak görünmektedir. Söz konusu bu enerji, petrol, doğal gaz ve kömürdekinden çok daha fazladır.
Bir enerji kaynağı, yalnız enerji muhtevası ile değerlendirilmemeli, aynı zamanda çevreye getirdiği yük de gözönüne alınmalıdır. 1000 MW’lık bir üretici reaktör santrali, senede yaklaşık 5,7 metreküp yüksek seviyeli radyoaktif artık madde ve yaklaşık 510 metreküp düşük seviyeli artık madde üretir. Bu artıklar çevreyi tahrip edeceği için bunların emniyetli bir şekilde ayrılması ve depo edilmesi gerekir. Üretici reaktörlerin bu bakımdan üstünlükleri vardır. Meselâ 1000 MW’lık üretici reaktör sâdece senelik yaklaşık 300 metreküplük uranyum cevherinin ocaklarından çıkarılmasını ve nakledilmesini gerektirir. Buna karşılık benzer bir elektrik üretimi için kömür ile çalışan santral yaklaşık 3,4 milyon metreküp kömüre ihtiyaç duyar. Ayrıca üretici reaktörün daha az gaz, sıvı, katı ve termal artıkları vardır. Bu tür reaktör 1320 termal MW’lık artık ısı açığa çıkarırken, mukayese edilebilir güçteki kömürlü olanda bu değer 1570 termal MW’dır. Hafif su reaktöründe ise 2120 MW’tır.
Bunun dışında üretici reaktörün kömürlü santrallerin karakteristik artığı olan, azot oksitleri, kükürt dioksit ve maddesel tânecikler gibi artıkları yoktur.
Çevre ve sağlık zararları: Konu ile ilgili bâzı kimseler, reaktör teknolojisi ilerledikçe, insan ve canlıların daha fazla radyasyona mâruz kalacağını iddia etmekte ve bunun ciddî çevre ve sağlık zararlarına sebep olacağını bildirmektedir. Radyasyonun zararlı etkisinin en düşük seviyede olmak üzere, radyasyon seviyesiyle doğrudan orantılı olduğu günümüzde kabul edilmiştir. Yâni, sıfır radyasyon tamâmen tehlikesizdir. En az doğal radyasyonun bile tehlikesi vardır.
Reaktör teknolojisi tarafından dışarıya verilen radyasyon geri döndürülemez türdendir. Bu sebepten, radyasyon seviyesi sürekli artmaktadır. Günümüzde radyasyonun insana ve diğer canlılara olan etkisinin tamâmen anlaşıldığı söylenemez.
Çalışan nükleer reaktörler kontrollü fisyon ile çok büyük miktarlarda ısı üretirler. Bunun bir kısmı buhar haline dönüştürülerek, elektrik üretilir. Bunun yanında büyük miktarda yeni radyoaktif artık üretilir ve ısının % 60’ı kullanılamaz. Reaktör emniyetinin tartışılan konularından en önemlisi, radyoaktivitenin açığa çıkma büyüklüğü, ortaya çıkma ihtimali ve bunların canlılara olan tesirleridir. Bu tür açığa çıkma işlemi, reaktörlerin arızasında, kazâsında ve normal çalışmasında olabildiği gibi, yakıt nakli, yakıtın hazırlanması, alınması, artık maddelerin atılması sonucunda da meydana gelebilir.
Günümüzde nükleer enerjinin kullanımı: Petrol fiyatlarının artması ve petrolün sınırlı olması pekçok ülkeyi nükleer enerji kullanmağa zorlamıştır. Meselâ Fransa elektrik ihtiyâcının % 75’ini; Belçika % 60’ını; Bulgaristan % 36’sını; Almanya % 33’ünü; Japonya % 27’sini; ABD ve İngiltere % 21’ini nükleer enerjiden elde etmektedir. Türkiye’de ise bu oran % 0 denecek durumdadır.
Dünyâ’da 30 kadar ülkede nükleer enerji üreten santrallar vardır. Bu santralların sayısı 438 civârındadır (1994).
Nükleer enerjinin diğer kullanım yerleri: Silahtan sonra en yaygın nükleer enerji kullanım yeri nükleer tahriktir. Denizaltı ve denizüstü araçların hareketinde gerekli olan tahrikte de kullanılır. İlk olarak USSNautilus Nükleer Denizaltısı 1955’te denize indirilmiştir. Bu sûretle geliştirilen hafif-su reaktörleri daha sonra ticârî uygulama alanı da bulmuştur. ABD’de nükleer tahrikli 118 denizaltı mevcuttur. Uçak gemilerinin tahrikinde derin deniz araştırmalarında da nükleer tahrik kullanılmaktadır. Enterprise, Nimitz ve Eisenhower uçak gemileri bunlardandır.
NASA’nın önderliğiyle nükleer enerji tahrikli uzay gemileri de geliştirilmiştir.
Az geçirgenliğe sâhip jeolojik tabakalardaki doğal gazı yeryüzüne çıkarmak için yine nükleer patlamadan faydalanılmaktadır. Ayrıca petrol depolamada, artık maddeleri aklamada, jeotermal enerjiden faydalanmada veya mâdencilikte kullanmak üzere yeraltı boşluklarının meydana getirilmesinde nükleer patlamadan faydalanılır.
Deniz suyunu arıtma tesislerinde de nükleer patlamadan istifâde edilir. Dünyâda bulunan 1455 milyon kilometre küp sudan ancak % 1’i içmeye müsaittir ve bunun çoğu donmuş olarak kutup bölgelerinde bulunmaktadır. Nükleer enerji büyük arıtma tesislerinin kurulmasında tercih sebebi olmaktadır.
Nükleer Füzyon
Füzyonun prensipleri: Güneş ve diğer yıldızların enerji kaynağı olan nükleer füzyon atom çekirdeğinin temel enerji açığa çıkarma reaksiyonlarından biridir. Bilim adamları, hidrojen bombası ile kontrolsüz füzyon elde etmişlerse de, kontrollü füzyon kendine has problemleri dolayısıyla henüz gerçekleştirilememiştir. Eğer kontrollü nükleer-füzyon yapılabilirse, insanlığın enerji problemi çözülebilir.
Bâzı hafif element izotoplarının çekirdeklerinin çarpışması sonucu, çekirdeği oluşturan proton ve nötronların yeni bir düzene girmesi, reaksiyon ürünlerinin meydana getirilmesi ve bu arada enerji açığa çıkması füzyonu meydana getirir. Açığa çıkan enerji, reaksiyon maddelerinde kinetik enerji olarak bulunur.
Atom çekirdekleri ihtivâ ettikleri protonların artı (+) elektrik yüküne sâhip olmaları sebebiyle birbirlerine elektrostatik itme kuvveti uygularlar. Bu kuvvet, uzaklığın karesiyle ters orantılı olduğundan çekirdekler birbirine yaklaşırken çok büyük değerlere çıkar. Fakat çekirdeğin enerjisi bu kuvveti de yenerek daha da yaklaşırsa, birden nükleer kuvvetlerin çekim sahasına girer. Bu sahada çekirdekler birbirlerine doğru gittikçe artan bir süratle yaklaşırlar. Çekirdeklerin kaynaşmaları neticesinde yeni bir çekirdek meydana gelirken kütle kaybı olur. Bu da enerji olarak açığa çıkar.
Kaynaşma hâdisesi, elektrikî itmenin daha az olduğu az sayıda proton ihtivâ eden çekirdeklerde kolay gerçekleşir. Nukleon kuvvetlerinin tesir mesâfesine girebilmesi için bir çekirdeğin, elektrostatik itme kuvvetini yenebilecek kinetik enerjiye, yâni çok büyük bir hıza sâhip olması gerekir. Bu değerde hızlı olabilmesi için, çekirdeğin bulunduğu ortamın sıcaklığının tek protonlu çekirdekler için (hidrojen), yaklaşık 80 milyon derece Kelvin civarında olması gerekir. Tabii ki bu sıcaklıkta atomlar elektronlarını kaybedip, çıplak çekirdekler hâlinde uçuşurlar. Böyle bir ortama “plazma” denir.
Kaynaşma reaksiyonunda açığa çıkan enerji, şualarla (ışınlarla) dışarı yayılırken, aynı zamanda ortamın sıcaklığını da arttırır. Ortam sıcaklığı çok artarsa, kaynaşma reaksiyonları âniden meydana gelip, infilak hâsıl olur. (Bkz. Hidrojen Bombası)
Güneş ve yıldızlarda kaynaşma hâdisesi, yâni termonükleer reaksiyonlar devamlı olmaktadır. Buna göre güneş ve yıldızların sıcaklıkları 107 derece santigrad mertebesinden aşağı değildir.
Füzyon reaksiyonlarından birkaçı şunlardır:
D + D Æ T + p + 3,98 MeV
T+D Æ He4+n+17,6 MeV
He3+D Æ He4+n+18,3 MeV
Li6 + D Æ 2He4+22,4 MeV
(D: Döteryum, T: Trityum.)
Füzyon reaktörleri: Füzyon reaksiyonlarını kontrol altına alarak, çıkan enerjiden faydalanılmasını temin için yapılan reaktörlerdir. Füzyon reaksiyonlarını tam kontrol altına almak henüz mümkün olmamıştır. Füzyon reaktörlerinin sıcaklığının, yaklaşık 100.000.000°C olması gerekir. Bu sıcaklığı bir hacimde tutacak çeper, bayağı usullerle sağlanamaz. Kaynaşma malzemesi olarak döteryum, trityum gibi hidrojen izotopları kullanılır. Her 6500 hidrojen atomunda yaklaşık bir tâne döteryum bulunur. Okyanuslarda çok rastlanır. Reaksiyonun devam edebilmesi için, kaynaşma ortamı sıcaklığının 100 milyon derece Kelvin civârında olması gerekir.
Kaynaşma yapacak atomlar, toroit şeklindeki bir vakuma konur. Bu ortamın içinden elektrik akımı geçirilerek, elektrik boşalmaları ile atomlar iyonlaşarak plazma hâline geçerken, 50.000 gauss şiddetteki bir manyetik saha içinde tutulurlar. Böylece bir arada bulunurlar. Bu alan, yeryüzündeki manyetik alan şiddetinin 100 bin katı şiddettedir. Bu durumda çekirdeklerin hareketleri sebebiyle de, manyetik kuvvet plazmayı iyice büzer. Bu hacim, artık bayağı çeperlerle irtibatı olmayan fakat hudutlu bir hacimdir. Bu hacme “manyetik şişe” denir. Bu durumda plazmaya ısı veren akım 10.000 amper civarında, plazma yoğunluğu santimetreküp başına 1015 çekirdek civârındadır. Plazma bu şartlarda tutulursa reaksiyon devam eder.
Plazma içindeki nötronlar, manyetik kuvvetten etkilenmediklerinden manyetik şişeden kurtulup toroit şeklindeki hacmin çeperlerine çarparlar. Bu çarpmalarla enerji transferi sağlanır. Ayrıca hareketli yüklerden indüksiyon yolu ile direkt olarak elektrik enerjisi alınır.
Kontrollü füzyon. Nükleer füzyon enerjisi ilk defâ kontrolsüz olarak 1950’lerin başında hidrojen bombasında ortaya çıkarılmıştır. Girişilen pekçok araştırma programı, hafif elementlerin nükleer reaksiyonundan kontrollü bir şekilde füzyon enerjisi elde etmeyi amaçlamıştır. Füzyon enerjisinden de elektrik enerjisi elde edilecektir.
Büyük miktardaki suyun elektrolizi sonucu hafif hidrojenden kolayca ayrılarak bulunan döteryumdan füzyon reaktörlerinde hemen hemen sonsuz enerji elde edilebilir. Ayrıca kontrollü füzyon tamâmen emniyetli olacaktır. Çünkü belirli bir zamanda reaktörün içinde yakıtın küçük bir miktarı mevcuttur. Nükleer füzyonda sözkonusu olan patlama veya plansız reaksiyonların, burada meydana gelmesi imkanı yoktur. Diğer bir yönü de sonuç artığın radyoaktif olmamasıdır. Bu sebeple artığın çevreyi radyoaktif kirletme durumu yoktur. Çalışma sisteminin özelliğinden dolayı füzyon enerjisinin, fisyon enerjisinden çok daha ucuz olacağı tahmin edilmektedir.
Atom enerjisinden istifâde için yeni bir kaynak da, çekirdekle etrâfında dönen elektronlar arasındaki etkileşim enerjisi olacaktır. Bu öyle bir enerjidir ki; birçok atomda, ışık hızının yarısına yakın hızlarla dönen elektronlar mevcuttur.
NÜKLEER MANYETİK REZONANS (NMR-Tıp)
Suda ve biyolojik yağ dokularında bol miktarda bulunan hidrojen atom çekirdeğinin, minik mıknatıs fonksiyonu görmesi esâsına dayanan, insan vücûdunun kesitvari görüntüsünü iyonize eden radyasyon dışında bir yolla sağlanan yeni bir muâyene tekniği. İnsan vücûdunun içini, dışarıdan görebilmek her zaman büyük bir tıbbî ihtiyaç olmuştur. Yıllarca bu ihtiyaç, X ışınlarının vücut tarafından farklı emilmesi esasına dayalı olarak kaydedilmek suretiyle karşılanmıştır. Ancak bu tekniğin kötü yanı, bilgisayarlı tomografi (CT) yoluyla bile elde edilen bilginin esas olarak anatomik olmasıdır. Kaydedilen görüntüler, iç organların fonksiyonel durumu hakkında oldukça az bilgi verirler. Üstelik, dozu ne olursa olsun X- ışınları en azından, (çok az da olsa), dokulara zarar verme mahzuru taşır.
25 yılı aşan bir süredir kimyâsal analizlerde ve molekül yapısının incelenmesinde kullanılmakla birlikte, insan vücudunun içinin araştırılması için NMR ile görüntü kaydetmek çok yeni bir keşiftir. Bu teknikte, görüntü meydana getiren bir manyetik alanın varlığında radyofrekans radyasyon kullanır. Bu yolla elde edilen görüntüler, sadece organın anatomik durumunu yansıtmakla kalmaz, aynı zamanda, organın fizyolojik durumunu, (normal) fonksiyonlarını da yansıtır.
Normal şartlarda hidrojen atom çekirdekleri, düzensiz bir biçimde dağınık durur, manyetik bir alan varlığında ise, net bir manyetizma üretirler. İşte, bu yeni düzendeki hidrojen çekirdeklerine radyofrekans radyasyon uygulanırsa, bu çekirdekler, dışardan verilen manyetik alanın ekseni çevresinde dönmeye başlarlar. Dönme frekansı, uygulanan manyetik alanın gücüyle orantılıdır. Dönmeye başlayan çekirdekler, denge durumlarına dönerlerken, ayarlanmış bir antenle kaydedilip, analiz edilebilecek radyofrekans radyasyon yayarlar. Manyetiklenen çekirdeklerin yeniden denge durumuna dönmesi, dinlenme zamânı ile ifâde edilebilir. T1, manyetikleşme vektörünün dikey bileşeninin denge konumuna dönmesi için gerekli süre; T2, manyetikleşmiş çekirdeklerin eksen etrafında dönmelerinin faz dışı kalması için gerekli zaman (dinlenme zamanı) T2, aynı zamanda çekirdekten yayılan nükleer sinyalin sona ermesini de etkiler. T1 ve T2 farklı dokularda farklı olabilir. Baâzı kanserlerde T1’in, bu dokulardaki karşılık gelen bölümlere oranla oldukça fazla olduğu bilinmektedir. Ağırlıkla T1 bilgisine dayanan NMR görüntüleri aracılığıyla, normal ve anormal dokuları ayırdetmek mümkün olabilir.
Bir NMR tarayıcısı şu bölümlerden meydana gelir: Bilgisayar, radyo cihazı, bilgi deposu, görüntü gösterme sistemi, manyetik gradyen ve tabii mıknatıs. NMR’deki bilgisayar, bilgi depolama sistemi ve görüntü gösterme sistemi, Bilgisayarlı Tomografi sisteminde de görülen aynı fonksiyonlara sâhiptir.
Mıknatıs: Piyasada üç ana mıknatıs türü vardır: Dirençli, süper iletken ve permanent.
Dirençli mıknatıslar, genel olarak kompleks Helmoltz aranjmanı diye bilinen bir biçimde düzenlenmiştir. Bu aranjman, ortak bir merkezi yanyana monte edilmiş, içte iki büyük sarmal (çapı yaklaşık 90 cm) ve dışta iki küçük sarmal (çapı yaklaşık 60 cm)dan meydana gelir. Bu sistemde hiç demir yoktur. Çevredeki demir bir eşyâ, sistemin homojenliğini (eşit manyetik dağılımını) bozabilir.
Süper iletken maddeler, ısı mutlak sıfıra yaklaşırken dirençlerini kaybederler. Bu sebeple, süper iletken mıknatıs, yaklaşık mutlak sıfır ısı derecesinde olmalıdır. Bu, sıvı helyumun kullanıldığı bir soğutma sistemiyle sağlanır. Bu sistem çok pahalıdır.
Üçüncü tür mıknatıs ise, permanent mıknatıstır. Elektrik enerjisi olmadan manyetik alan meydana getirmesi, üstünlüğüdür. Ayrıca soğutma sistemine gerek duyulmaması da bir üstünlüğünü teşkil eder. Manyetik alanın, üstelik çok az kısmı dışa sızar. Yalnız, kütlesi çok büyük (90,78 tona kadar) ve gücü sınırlıdır. NMR sisteminde; süper iletken sistemi kullanılması ağır basmaktadır.
Manyetik Gradyen: NMR sinyalinin lokalizasyonunu (yerleşimini) sağlar.
Radyo Cihazı: Alıcı, radyo sinyalini, esas görüntüyü hazırlaması için bilgisayarın işleyebileceği digital şekle dönüştürecek bir usülden ibârettir.
NMR’ın biyolojik tesirleri: NMR görüntülemesinin beyin tomografisine üstünlüğü, hastaya radyasyonun uygulanmamasıdır. Bunun yerine hastaya, manyetik alanlar uygulanır. Statik manyetik alan, hayvanlarda denenmiş ve yalnız aort damarı üzerinde çok küçük bir elektrik potansiyelinin meydana geldiği tespit edilmiştir. Yâni kalp ritmini değiştirmemektedir.
Gradyan manyetik alanlar sinyal şeklinde verilir ve çeşitli vücut dokularında, özellikle sinir hücreleri ve kas liflerinde elektrik akımına yol açar; en ciddî tesiriyse, retinanın uyarılmasıdır. Bunun sonucunda ışık çakmaklarına karşı duyarlı hâle gelir. Bu, rahatsız edici bir durum olmakla birlikte, retinada kalıcı bir hasar meydana gelmez.
İnsan vücudunda, radyofrekans alanlarının uygulanmasıyla meydana gelen başlıca etki, vücut dokularının direnci sırasında enerji kaybına bağlı ısı üretimidir. 1°C’lik veya daha az ısı artışı, herhangi bir tehlikeye yolaçmaz.
Görüntüleme: Oldukça yavaştır. Tarama süresi birkaç dakikaya çıkabilir. Ancak, yakın gelecekte bunun kısalması beklenmektedir.
Kalp: Devamlı çalışan bir organ olduğu için, görüntülemesi en güç olan organdır. Sadece çok hızlı bilgi toplayan teknikler (Ultrasound) veya kalp hareketlerine bağlanacak teknikler uygundur. NMR görüntüsünü kalp hareketlerine bağlamak mümkündür; böylece gerçek üç boyutlu görüntüler elde edilir ve istenilen düzlemde bunların tomogramı (tabakalı şekilleri) çıkarılabilir. Oksijen, zayıf bir paramanyetik maddedir ve sol karıncıktaki kan sağ taraftakiyle karıştırıldığında daha fazla NMR sinyaline sâhip olduğu kaydedilmiştir. Kalp karıncıklarında oksijen karışımlarını NMR görüntüleriyle izafi hesaplamak mümkündür. Bunun da doğuştan kalp hastalığı araştırmasında eşsiz bir değeri olacağı açıktır.
Sodyum, NMR’ye aşırı biçimde hassas bir elementtir. NMR sodyuma bağlanarak, kan birikimi görüntülemesi de mümkündür. Üstelik, normal miyokard (kalp adalesi), az miktarda sodyum ihtiva ederken, miyokarddaki bir hasar, sodyum-potasyum pompasında bir bozukluğa yol açar ve miyokard hücrelerine sodyum akar. Miyokard hasarının boyutlarını, sodyuma dayalı NMR görüntülemesi aracılığıyla tespit etmek mümkündür.
NMR; beyin tomografisinde pek iyi görünmeyen beyindeki farklı dokuları, en çarpıcı şekilde, ayrıntılarıyla gösterebilme özelliğine sahiptir. Beyin, beyincik, omurilik, beyindeki gri ve beyaz cevher, karıncıklar, beyin zarları vs. hepsi net olarak tefrik edilebilir. NMR, ayrıca beyin kanamalarında, beyin urlarında, menenjit, multipl skleroz gibi hastalıklarda da çok önemli bir muayene ve teşhis imkânı verir.
NMR’nin en ümit verici tekniklerinden biri de Fosfor 31 NMR’dir. İnsan vücudunda sâdece birkaç türlü fosfor bileşiği bulunmaktadır. Fosfor 31 (P31)in bu özelliği, NMR’ye, insan vücudundaki belirli fosfor bileşenlerini inceleme, haklarında kimyâsal netice elde etme imkânı sağlar. Bu teknikte fiilî olarak vücûdun içi incelenebilir ve belli noktalarda hangi bileşiklerin olduğu ve bu bileşiklerin karışım oranları belirlenebilir. P31 NMR kimyâsal bilgiler verebilmekte ve bâzı hastalık durumlarında yukarıdaki iki teknikten daha fazla bilgi verebilmektedir.
Ne yazık ki P31 NMR, proton NMR sistemine oranla daha az duyarlıdır. Bu yeni teknik, emekleme devresinde olsa bile, birtakım sonuçlar çıkarabilir. Hastayı iyonize radyasyona veya kontrast maddelerine tâbi tutmadan bilgi sağlamaktadır. NMR, üstün bir yumuşak doku farklılığını tespit edebilmesi ve normal-anormal doku farklılığını gösterebilmesi özelliklerine sâhip olması hâlinde büyük başarı sağlayacaktır.
NÜKLEER MANYETİK REZONANS (NMR-Kimyâ)
Güçlü bir manyetik alan içerisine yerleştirilen atom çekirdeğinin yüksek frekanslı radyo dalgalarını seçimli olarak absorblaması (soğurması) olayı. Eşlenmemiş proton veya nötronu bulunan atom çekirdekleri manyetik alan içine konduğunda, manyetik alan etkisiyle yalpalama hareketi yapar. Çekirdeğin tabiî yalpalama frekansı, zayıf bir radyo dalgasının frekansına denk düşerse absorblama olur. Rezonans olarak adlandırılan seçimli enerji absorblanması, ya radyo dalgasının frekansını sâbit tutup çekirdeğin tabiî yalpalama frekansını ayarlayarak veya radyo dalgasının frekansını ayarlayarak gerçekleştirilebilir.
NMR yardımıyla bir çekirdeğin kendine has olan manyetik momenti ölçülebilir. Momentin değeri çekirdeğin içinde bulunduğu kimyâsal ortama bağlı olduğundan yapılan ölçümler kimyâsal maddenin molekül yapısını aydınlatmaya yarar.