19.6: Nükleer Fisyon

Nükleon başına daha küçük bağlanma enerjilerine sahip birçok ağır element, ara kütle numaralarına ve nükleon başına daha büyük bağlanma enerjilerine sahip —yani, 56’ya yakın bağlanma enerjisi grafiğinin 'zirvesine' daha yakın olan nükleon başına kütle numaraları ve bağlanma enerjileri— daha kararlı elementlere ayrışabilir. Bazen nötronlar da üretilir. Büyük bir çekirdeğin daha küçük parçalara ayrışmasına fisyon denir. Kırılma, çok sayıda farklı ürünün oluşumu ile oldukça rastgeledir. Fisyon genellikle doğal olarak meydana gelmez, ancak nötronlarla bombardımanla indüklenir.

Ağır elementlerin bölünmesiyle muazzam miktarda enerji üretilir. Örneğin, U-235’in bir molü fisyona maruz kaldığında, ürünler reaktanlardan yaklaşık 0,2 gram daha az ağırlığa sahip olur; bu 'kayıp' kütle çok büyük miktarda enerjiye —U-235’in her bir molü başına yaklaşık 1,8 × 10¹⁰ kJ— dönüştürülür. Nükleer fisyon reaksiyonları, kimyasal reaksiyonlara kıyasla inanılmaz derecede büyük miktarda enerji üretir. Örneğin, 1 kilogram uranyum-235'in parçalanması, 1 kilogram kömürün yakılmasıyla elde edilenden yaklaşık 2,5 milyon kat daha fazla enerji üretir.

Fisyona girerken, U-235 iki 'orta boy' çekirdek ve iki veya üç nötron üretir. Bu nötronlar daha sonra diğer uranyum-235 atomlarının fisyonuna neden olabilir, bu da daha fazla çekirdeğin fisyonuna neden olabilecek daha fazla nötron sağlar. Bu gerçekleşirse, bir nükleer zincir reaksiyonumuz oluşur. Öte yandan, çok fazla nötron, bir çekirdekle etkileşime girmeden dökme malzemeden kaçarsa, hiçbir zincir reaksiyonu gerçekleşmez.

Herhangi bir nötron bombardımanı sonucu fisyona maruz kalabilen malzemeye fisyonlanabilir denir; yavaş hareket eden termal nötronlar tarafından bombardıman sonucu fisyona maruz kalabilen malzemeye ek olarak bölünebilir denir.

Nükleer fisyon, fisyon tarafından üretilen nötron sayısı, bölünen çekirdekler tarafından emilen nötron sayısına ve çevreye kaçan sayıya eşit olduğunda veya aştığında kendi kendini devam ettirir. Kendi kendini devam ettiren bir zincir reaksiyonunu destekleyecek bölünebilir bir malzemenin miktarı kritik bir kütledir. Bir zincir reaksiyonunu sürdüremeyen bölünebilir malzeme miktarı subkritik bir kütledir. Artan bir fisyon oranının olduğu bir malzeme miktarı, süperkritik bir kütle olarak bilinir.

Kritik kütle, malzemenin türüne bağlıdır: saflığı, sıcaklığı, numunenin şekli ve nötron reaksiyonlarının nasıl kontrol edildiği. Malzemeler tipik olarak daha yüksek sıcaklıklarda daha az yoğunlaşır ve nötronların daha kolay kaçmasına izin verir. Düz bir nesnenin merkezinden başlayan nötronlar, küresel bir nesnenin merkezinden başlayan nötronlardan daha kolay yüzeye ulaşabilir. Malzeme grafit gibi nötron yansıtan bir malzemeden yapılmış bir kap içine alınmışsa, çok daha az nötron kaçabilir, bu da kritik bir kütleye ulaşmak için bölünebilir malzemenin çok daha azının gerekli olduğu anlamına gelir.

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

Nükleer fisyon, ağır bir çekirdeğin farklı boyutlarda iki veya daha fazla hafif çekirdeğe veya fisyon fragmanlarına ve nötronlara parçalandığı bir süreçtir. Dikkat çekici bir şekilde, fisyon fragmanları ve nötron sayısı her fisyon için aynı değildir. Bununla birlikte, kütle ve atom numaralarının toplamları, fisyon denklemlerinin her iki 4 tarafında her zaman aynıdır.

Fisyon tarafından üretilen hızlı'nötronlara ek olarak, yüksek enerjili fisyon fragmanlarının beta bozunmasından sonra ek gecikmiş'nötronlar üretilebilir. Fisyon reaksiyonlarında, yavru çekirdeklerin bağlanma enerjilerinin toplamı, ana çekirdek çekirdeğin bağlanma enerjisinden daha büyüktür. Fark, fisyon sırasında salınan büyük miktarda enerjiyi açıklar.

Fisyon tarafından salınan nötronlar, tipik olarak yüksek kinetik enerjilere sahip olan ve büyük çekirdeklerle etkileşime girmeden hareket eden hızlı'nötronlardır. Nötronlar, benzer büyüklükteki çekirdeklerle çarpıştıklarında önemli miktarda enerji kaybederler. Çevreleriyle dengeye yaklaşanlar yavaş'veya termal'nötronlardır.

Termal nötronları absorbe ederek fisyona giren bölünebilir çekirdekler bölünebilir'olarak adlandırılır. Bir fisyon reaksiyonunda üretilen tüm nötronlar, başka bir çekirdekte mutlaka fisyona neden olmaz. Bununla birlikte, bu tür nötronlar fisyon başlattığında buna nükleer zincir reaksiyonu denir.

Zincir reaksiyonları nötron kuşakları"ile tanımlanır. Bir zincirleme reaksiyonu başlatan nötron, birinci nesildir ve ortaya çıkan fisyon, ikinci nesli üretir. İkinci nesil nötronların neden olduğu fisyondan üretilen nötronlar üçüncü nesildir.

Zincirleme reaksiyon, daha fazla nötron üretilmeyene kadar devam eder. Ortalama fisyon sayısı bir nesilden diğerine aynı kalırsa, enerji sabit bir oranda üretilir. Çoğu durumda, nötronlar malzemeden ayrılmadan önce çok yavaşlarsa, bu işlem daha olasıdır.

Üretilen nötronların daha fazla bölünmeye neden olacak kadar yeterli malzemeye sahip olmasını sağlamak için bölünebilir malzemeden kritik kütle olarak adlandırılan belirli bir minimum kütle gereklidir. Kritik altı bir kütle, kritik kütle eşiğinin altındaki herhangi bir miktardır ve süper kritik bir kütle, bu eşiğin üzerindeki herhangi bir miktardır. Kritik kütle, sıcaklık, şekil ve çevrenin bileşiminden etkilenir.

Bu parametrelerdeki değişiklikler kritik altı bir kütleyi kritik hale getirebilir veya bunun tersi de geçerlidir.