Back to chapter

19.8:

Nükleer Füzyon

JoVE Core
Chemistry
A subscription to JoVE is required to view this content.  Sign in or start your free trial.
JoVE Core Chemistry
Nuclear Fusion

Languages

Share

Helyum gibi daha büyük çekirdeklerin üretilmesi için hidrojen gibi küçük çekirdeklerin birleşimine nükleer füzyon denir. Çekirdekler elektrostatik itmenin üstesinden gelmek zorunda olduğundan, füzyon reaksiyonlar 40 milyon Kelvin veya daha fazla sıcaklık gerektirir ve bu nedenle termonükleer reaksiyonlar olarak bilinir. Kütle numaraları 40 ile 100 arasında olan nüklitler nükleon başına yüksek bağlanma enerjisine sahiptir ve genellikle kararlıdır.Bu nedenle, nükleon başına düşük nükleer bağlanma enerjisine sahip daha hafif çekirdekler, daha yüksek bağlanma enerjili daha ağır çekirdekler oluşturarak birleşme eğilimindedir. Ürünün nükleer bağlanma enerjileri ile reaktan çekirdekler arasındaki fark, büyük miktarda enerji üretir. Açık şekilde, bir gram helyum-4 oluşumu sırasında açığa çıkan enerji, bir gram uranyum-235’in fizyonundan önemli ölçüde daha büyüktür.Peki, elektrik üretmek için füzyon kullanılıyor mu? Henüz değil! Füzyon için gerekli yüksek sıcaklıklarda, tüm moleküller iyonlaşmış atomlara ayrışarak bir plazma oluşturur.Bu tür reaksiyonlar için, güçlü, simit şeklindeki bir manyetik alan bir reaktör görevi görür. Ancak, verimli kullanımı hala teknik bir zorluktur. Nitekim, hidrojenin helyuma füzyonu, güneş gibi ana dizideki yıldızlarda başlıca hidrojen yakma süreçlerinden biridir.Yıldızlar helyum füzyonuna başladığında, iki helyum çekirdeği birleşerek berilyum-8 oluşturur. Helyum-4’ün aksine, berilyum-8 oldukça kararsızdır ve bunu endotermik, kolayca tersine çevrilebilen bir füzyon reaksiyonu yapar. Helyum füzyonu hızlandıkça, berilyum-8 daha bol hale gelir ve helyum-4 ile kaynaşarak, ara sıra kararlı karbon-12’ye uyarılmış durumda karbon-12 üretir.Büyük yıldızlarda, karbon-12 ve helyum-4’ün kombinasyonu ile başlatılan bir füzyon reaksiyonları zinciri, magnezyum-24’e kadar bir dizi element üretir. Daha fazla füzyon reaksiyonu daha ağır nüklitler yarattıkça, reaktanlar ve ürünler arasındaki bağlanma enerjilerindeki azalan fark bu reaksiyonlardan daha az enerji üretilmesine neden olur. Dizi, nükleon başına en yüksek bağlanma enerjilerinden birine sahip olan nikel-56’da biter.Bunun yerine, yıldızların veya süpernovaların benzersiz patlamalarının hemen öncesinde ve sırasında çok sayıda nötron veya proton yakalama olayıyla daha ağır elementler üretilir.

19.8:

Nükleer Füzyon

Çok hafif çekirdekleri daha ağır çekirdeklere dönüştürme işlemine, füzyon adı verilen bir işlem olan kütlenin büyük miktarda enerjiye dönüştürülmesi de eşlik eder. Güneşteki ana enerji kaynağı, dört hidrojen çekirdeğinin birleştiği ve sonuçta bir helyum çekirdeği ve iki pozitron ürettiği net bir füzyon reaksiyonudur.

Bir helyum çekirdeği, dört hidrojen çekirdeğinden %0,7 daha az bir kütleye sahiptir; bu kayıp kütle füzyon sırasında enerjiye dönüştürülür. Bu reaksiyon, füzyon yolağına bağlı olarak üretilen helyum-4’ün her molü başına yaklaşık 1,7 × 109 ila 2,6 × 109 kilojül enerji üretir. Bu, bir mol U-235’in (1,8 × 1010 kJ) nükleer fisyonu ile üretilen enerjiden biraz daha azdır. Bununla birlikte, bir gram helyum-4’ün füzyonu, bir gram U-235’in (8,5 × 107 kJ) bölünmesiyle üretilen enerjiden daha büyük olan yaklaşık 6,5 × 108 kJ üretir. Helyum füzyonu için reaktanlar U-235’ten daha az pahalı ve çok daha bol olduğu için bu özellikle dikkat çekicidir.

Hidrojenin ağır izotopları olan bir döteron ve bir tritonun çekirdeklerinin, bir helyum çekirdeği ve bir nötron oluşturmak için son derece yüksek sıcaklıklarda termonükleer füzyona uğradığı tespit edilmiştir. Bu değişiklik, oluşan helyum-4’ün her molü başına 1,69 × 109 kilojul salınımına karşılık gelen 0,0188 amu kütle kaybıyla ilerler. Çekirdeklere, çekirdekler üzerindeki pozitif yüklerden kaynaklanan çok güçlü itici kuvvetlerin üstesinden gelebilecek kadar kinetik enerji vermek için çok yüksek sıcaklık gereklidir, ancak bu şekilde çarpışabilirler.

Yararlı füzyon reaksiyonları, başlatılması için çok yüksek sıcaklıklar —yaklaşık 15.000.000 K veya daha fazla— gerektirir. Bu sıcaklıklarda, tüm moleküller atomlara ayrışır ve atomlar iyonize olur ve plazma oluştururlar. Bu koşullar, evren boyunca çok sayıda yerde meydana gelir—yıldızlar füzyonla güçlendirilir.

Füzyon reaktörleri oluşturmak zor bir iştir, çünkü hiçbir katı madde bu kadar yüksek sıcaklıklarda stabil değildir ve mekanik cihazlar füzyon reaksiyonlarının meydana geldiği plazmayı içeremez. Bir füzyon reaksiyonu için gerekli yoğunluk ve sıcaklıkta plazma içermek için iki teknik şu anda yoğun araştırma çabalarının odak noktasıdır: bir emniyet reaktöründeki bir manyetik alanın ve odaklanmış lazer ışınlarının kullanılması. Bununla birlikte, şu anda dünyada faaliyet gösteren kendi kendini devam ettiren füzyon reaktörleri yoktur, ancak küçük ölçekli kontrollü füzyon reaksiyonları çok kısa bir süre için çalıştırılmıştır.

Bu metin bu kaynaktan uyarlanmıştır: Openstax, Chemistry 2e, Section 21.4: Transmutation and Nuclear Energy.