NÜKLEER ENERJİ - ATOM ENERJİSİ - FÜZYON

ATOM VE ATOMUN YAPISI

Atom çekirdeği, "çekirdek" olarak da bilinen proton ve nötronlardan oluşan karmaşık, hareketli  bir yapıya sahiptir. Çekirdek ayrıca "kuark" üçlülerinden oluşan bir iç yapıya sahiptir. Bir proton iki yukarı ve bir aşağı kuarktan oluşur ve bir nötron  iki aşağı ve bir yukarı kuarktan oluşur. Kuarklar, elektronlar gibi bir iç yapıya sahip olmayan "temel parçacıklardır". 

 Protonlar pozitif yüklüdür ve nötronlar değildir. Bu nedenle, çekirdeğin toplam yükü aşağıdaki gibidir. Proton yüklerinin toplamına eşittir. Zıt yükler birbirini ittiği gibi birbirini çeker. Bu "elektrostatik" kuvvete "Coulomb kuvveti" de denir. Çekirdekteki protonlar benzer şekilde yüklüdür ve bu nedenle birbirlerini iterler. Ancak çekirdekleri bir araya getiren, çekirdekler arasındaki "güçlü kuvvet"tir, ki bu büyüleyicidir. Atomlar arasında elektron bulutu çekirdeğin etrafında döner. Bir elektronun yükü, bir protonun yüküne kıyasla negatiftir. Bu nedenle, elektronu çekirdeğe bağlayan pozitif yüklü çekirdeğin uyguladığı yerçekimidir. Nötr bir atomun yörünge kabuğundaki elektron sayısı, çekirdeğindeki proton sayısı ile aynıdır. Bu nedenle, nötr atomlar net bir yük taşımazlar. Ancak kimyasal reaksiyonlara girerken ve çıkarken elektron kaybedebilirsiniz. İyonize ve şarj edilebilirler. Yörünge kabuğunun yapısı ve kabuktaki elektronların sayısı, bir atomun diğeriyle kimyasal olarak nasıl reaksiyona gireceğini belirler. Kabuğun yapısı  çekirdeğin yükü ile belirlenir. Elektron sayısı nötr atomdaki proton sayısına eşittir, dolayısıyla bu sayı: Bu, atomların kimyasal davranışının ana belirleyicisidir. Bu nedenle, proton sayısı genellikle Z ile temsil edilir. Ayrıca "sıralı" olarak da adlandırılır. H. Bir atomun periyodik tablonun hangi elementine ait olduğunu belirleyen bir sayı.

Bir atomun yarıçapı 1/10 milyar metredir ve bir atom çekirdeğinin yarıçapı bir atomun 1 / 10.000'idir. Bu yapıların küreleri göz önüne alındığında, yarıçapın küpü ile orantılı  hacimler arasındaki oran çok daha büyüktür. Örneğin, bir atom, çekirdeğinin hacminin bir trilyon katı kadar bir hacme sahiptir. Yani çekirdek 1cc küre büyüklüğündeyse, atom şöyle görünür: 100x100x100m'lik bir kapalı stadyumun hacmi 1.000.000m3 olacaktır. Neredeyse tüm problemler boşluktur! Ancak el sıkışırken iki elin kesişmemesinin nedeni atomun dışındaki elektron bulutlarının birbirini itmesidir.

İZOTOP NEDİR

Çekirdeğin proton numarası aynı elemanın numarası aynıdır. Nötron sayısı farklı olabilir. Belirli bir unsura aittir ve Nötron "bu elemanın izotopu" olarak adlandırılan çekirdekten farklıdır. Aynı çekirdek yükün farklı izotoplarına sahiptir, ancak kütle farklıdır. Nötron kütlesi protonlardan biraz daha büyüktür, ancak fark küçüktür. Bu nedenle, çekirdeğin kütlesi büyük ölçüde nötron ve proton sayılarının toplamı olan nükleol sayısı tarafından belirlenir. Bu nedenle A ile temsil edilen bu sayıya "çekirdeklerin kütle sayısı" denir. Proton sayısı Z olduğu için AZ, nötron sayısını gösterir. Bir elektronun kütlesi nispeten küçük olduğundan, bir atomun toplam kütlesi, bir atom çekirdeğinin toplam kütlesi ile hemen hemen aynıdır. Bu nedenle A'ya "atomik kütle numarası" da denir. Örneğin, elemental karbon, kimyada C sembolü ile temsil edilen altı protona sahiptir. Bununla birlikte, doğadaki çoğu karbon çekirdeği 6 nötron içerirken, çok azı 7 nötron içerir. Yani doğal karbon, kütle numarası 12 ve 13 olan iki izotoptan oluşur. Bu karbon izotoplarını ayırt etmek için,  kütle numaraları C sembolünden sonra bir "tire" ile ayrılarak yazılabilir: C12, C13. Örneğin, başka bir yaygın gösterim,  X öğesidir. Sembolün sol alt köşesine atom numarası, sağ üst köşesine ise kütle numarası yazılarak elde edilir: ZXA. Örneğin, neredeyse tüm hidrojen çekirdeği tek bir protondan oluşuyordu. Bu çekirdekler "proton" olarak adlandırılan 1H1 şeklinde gösterilmiştir. Bununla birlikte, bazı hidrojen gazları arasında, birçok nötron 1dir. Deuteryum ve trityum denilen bu çekirdek, 1 saat 2  ve 1 saat 3'te gösterilmektedir. Diğer örnekler, 92, doğa 92U235 ve 92U238'teki atom sayılarındaki en sık görülen zengin izotoplardır.

İki parçacık bir araya gelip birleştiğinde toplam kütle azalır ve bu kütle azalması Einstein'ın E = mc2 denklemine göre enerji olarak açığa çıkar. Parçacıkların birbirinden ayrılabilmesi için bu enerjinin tekrar açığa çıkması gerekir. Bu nedenle bu enerji miktarına "bağlanma enerjisi" denir. Kütledeki azalma ne kadar büyük olursa, parçacıklar birbirine o kadar sıkı bağlanır. Daha genel olarak; bir çekirdeğin veya atomun kütlesi,  atomu oluşturan çekirdeklerin veya parçacıkların kütlelerinin toplamından daha azdır, aradaki fark toplam bağlanma enerjisine eşittir. Çekirdekteki proton ve nötronların oluşturduğu yapı, atomdaki elektronların yörünge yapısına benzetilebilir. Çekirdeğin "kabuk modeli" olarak adlandırılan bu tasarıma göre, çekirdekçik artan enerji seviyesine karşılık gelen yörüngededir. Protonlar ve nötronlar farklı türde parçacıklardır, bu nedenle bağımsız yörünge kabuklarını doldururlar. Enerji seviyesindeki fark, bir atomda eV veya bunun bir parçası olabilir, ancak hatta bir çekirdekte keV veya MeV  olabilir. Her iki nükleoli türü de bu kabuk yapısını aşağıdan yukarıya bir dizilim olmadan doldurursa, çekirdek mümkün olan en düşük enerji seviyesindedir. Bu enerji seviyesi "temel enerji durumuna" karşılık gelir. Bazı nükleoller, temel durum düzenlemesinin gerektirdiğinden daha yüksek enerji seviyelerinde olduğunda, çekirdek "uyarılmış haldedir". Heyecanlı çekirdekler, fotonlar yayarak hemen yer enerjisi durumuna girerler. Enerjileri bir atomun enerjisinden çok daha yüksek  olan bu fotonlara gama ışınları denir.

  BOZUNUM

 Bazı izotoplar zamanla değişmediği için "kararlı" olarak kabul edilir. Diğerleri "kararsız" çünkü iç yapılarının güçleri dengesiz. Bu farklı parçacıklar yayılır, farklı hızlarda bozunur ve aynı veya farklı elementlerin kararlı izotoplarına dönüşür. "Yarı ömür", kararsız bir izotopun orijinal numarasını yarıya indirmesi için geçen süredir. Yarı ömrü, saniyenin çok küçük bir bölümünden milyarlarca yıla kadar değişir. Nükleer bozunmaya radyoaktivite de denir ve bozunan çekirdeğe radyoaktivite denir. En yaygın ayrıştırma biçimleri şunlardır: Alfa (α), beta (β), gama (γ) çöküşü .. 

 Gama bozunmasında, çekirdek bir enerji seviyesinden daha düşük bir enerji seviyesine geçerken yüksek enerjili fotonlar yayılır. Atom sayısı ve kütle sayısı aynı kalır. 

  Beta bozunması β bozunması ve β + bozunması olarak ikiye ayrılabilir. Beta bozunması  nötronca zengin  çekirdeklerde daha sık meydana gelir. Bu bozunma sırasında çekirdekteki nötronlardan biri bir elektron (β) yayarak bir protona dönüşür. Sonuç olarak atom numarası 1 artsa bile izotopun kütle numarası değişmez. 

 β + bozunması, proton bakımından zengin çekirdeklerde daha sık meydana gelir. Bu aşağılanmada çekirdek, protonlarından birini nötrona çeviren pozitif yüklü bir elektron (β +) yayar. Bozunma sonucunda izotopun kütle numarası değişmez ve atom numarası 1 azalır. Başka bir deyişle, başka bir öğeye dönüşür. Atom tamamen iyonlaşmamışsa ve çekirdeğin çevresinde elektronlar varsa, "elektron yakalama" süreci bu bozunmayla paralel olarak işler. Bu süreçte çekirdek, protonlardan birini bir nötrona dönüştürür, ancak yörünge elektronlarından birini yakalar. 

 Alfa bozunmasında çekirdek, iki proton ve iki nötrondan oluşan "alfa parçacıkları" olarak da bilinen dört helyum çekirdeği yayarak bozunur. Bozulmadan sonra, çekirdek bazen uyarılmış enerji seviyesinde kalır ve fazla enerjiyi gama fotonları olarak yayar. Bu, çekirdeğin atom numarasını 2 ve kütle numarasını 4 azaltır. Bu tür bozunma, nötron ve proton bakımından zengin  ağır çekirdeklerde meydana gelir. 

 Çürüme ürünleri, çekirdekler, genellikle kararsızdır. Bazen çöken bir çekirdekten bile daha kararsız. Bu durumda, kendi kendine çöker. Çöküş, kararlı çekirdekler haline gelene kadar devam eder. Böyle sürekli bir bozunma zincirine "çürüme zinciri" denir.

  DOĞAL İZOTOPLAR VE ÇEKİRDEK TEPKİMESİ

  Doğada hidrojenden uranyuma kadar 92 element vardır. Bunların her biri farklı bir sayıya sahip toplam 307 izotopu vardır. Bu doğal izotoplardan 244'ünün stabil olduğu bilinmektedir. Kalan 63 berabere kaldı. Elementlerin yüzde sekseni en az bir kararlı izotopa sahiptir. Bunlar ilk 82 elemente aittir. Yapay "yapay" izotoplar da vardır. Yapay veya doğal, bilinen tüm izotopların maksimum sayısı 2600'dür ... 

 İki hafif çekirdek birleştiğinde, toplam bağlanma enerjisi, nükleol başına bağlanma enerjisiyle birlikte artar. Bu nedenle, kütle azalır. Toplam bağlanma enerjisindeki artışa karşılık gelen kütledeki bu azalma, enerji olarak salınır. Ağır çekirdek iki orta  çekirdeğe bölündüğünde. Nükleol başına bağlanma enerjisi, toplam bağlanma enerjisini arttırır. Kütle azalır ve enerji açığa çıkar. Nükleer silahların füzyonuna "nükleer füzyon", parçalanmasına da "fisyon" denir. Her iki durumda da açığa çıkan enerji miktarı MeV mertebesindedir. Bir kimyasal reaksiyonun verdiği eV seviyesindeki enerjinin milyon katı... Bir fisyon örneği, yavaş nötronların yutulmasından sonra U235 uranyum izotopunun bozunmasıdır. Sonuç, "fisyon ürünleri" olarak adlandırılan iki orta ağırlıkta çekirdeğe sahip iki  veya üç (ortalama 2.47) hızlı nötrondur. Parçalanma örneği. 

 

 0n1 + 92U235 → 56Ba141 + 36Kr92 + 3 0n1 

 

 Formda. Gerçek kütle azalması yaklaşık 200 MeV'ye eşittir. Bu enerjinin yaklaşık 168 MeV'si fisyon ürünleri, 5 MeV'si nötronlar şeklindedir, geri kalanı gama ışınları veya diğer parçacıklar tarafından taşınır. İşte bazı füzyon reaksiyonları örnekleri: Hidrojen, bir nötron içeren döteryum (1D2) izotopu ile iki nötron (1T3) içeren bir trityum izotopu  arasında yer alır. 

 

 1D2 + 1T3 → 2He4 + 0n1 

 

 Gerçek kütle kaybı 17.6 MeV'ye eşittir.

  FÜZYON NEDİR

  Füzyon, evrenin diğer tüm formları için ana enerji  kaynağıdır. Yıldız oluşumu ve yaşamı sırasında hidrojenden daha ağır çekirdeklerin senteziyle açığa çıkar ve zamanla başka biçimlere dönüşür. Bu sentetik süreçler, dünyamıza hayat veren güneş ışınlarını doğurur. 

 Güneş,  yeni nesil daha küçük yıldızlardan biridir. Kütlesi %74 hidrojen, %25 helyum ve diğer eser  elementlerden oluşur. Şu anda, hidrojen çekirdeklerinin helyum-4 çekirdekleriyle birleştirilmesiyle enerji üretiliyor. Bunu, 1015 "milyon Kelvin" gibi nispeten düşük bir sıcaklıktaki merkezi yüksek basıncı sayesinde başarır.

  İki proton birbirine yaklaşırken,  Coulomb kuvvetleri sokak mesafesiyle ters orantılıdırken, aralarının ciddiyeti. Ancak, protonun yakınında bir nötron varsa; Bu nötr partiküller en azından kısa bir mesafeden en azından kısa bir mesafeye katkıda bulunur, en azından kısmen bir protona katkıda bulunur ve en azından kısmen ve seyreltilir. Bu nedenle, nötron sayısı arttıkça kolaydır. Nötr çekirdeğin birleşmesi, proton birleşmeden çok daha kolay olan nötron / proton oranlarının en yüksek içeriğidir ve bu nedenle dünyanın koşulları için en uygun enerji adayları DT ilaçlarıdır. 

 

 1 H2 + 1H3 → 2HE4 (3.5 MEV) + 0N1 (14.1 MEV) (Toplam: 17.6 MEV) 

 

 Reaksiyon için gereken sıcaklık, çekirdeğe eşdeğer 10kev kinetik enerjidir ve bu sıcaklıkta 1,2 milyar dolar ° C'dir. Her şeyin nasıl buharlaştığı; Kravat molekülleri kırılmış ve iyon atomlarıdır. Madde, pozitif yüklü çekirdekleri ve çok yüksek hızlarda farklı yönlerde koşan negatif yüklü elektronları olan bir "iyonik gaz" haline gelir. Bu tür gazlar, Dünya'da maddeden yapılmayan "kaplar" olarak üretilmelidir. Bu amaçla iki farklı yöntem kullanılır: "manyetik tutma" ve "atalet tutma".

  MANYETİK KALKAN KORUMASI

  Birincisi, plazmayı korumak için bir manyetik alan kullanır. Bu yöntemi kullanan bir tasarımda, manyetik alan çizgileri ve  plazma bir torus şekli oluşturur. Bu tasarıma,  Rusça torus geometrisi kelimesinden sonra "Tokamak" reaktörü denir. Bu tokamaklarda, bir plazma oluşturmak için DT yakıtı ısıtılır. Plazma iletkendir, bu nedenle torus ekseni yönünde dairesel bir akım oluşturarak daha güçlü bir şekilde ısıtılabilir. Füzyon reaksiyonu başladığında plazma ısınır ve bir süre sonra dağılır. Bu yüzden süreci yeniden başlatmanız ve plazmayı yeniden oluşturmanız ve ısıtmanız gerekir. Uzun vadeli hedef, füzyon reaksiyonunu sürdürmektir, ancak yine de ulaşılabilir bir "plazma tutma süresi" 300-500 saniye civarındadır. Ortaya çıkan füzyon enerjisi, plazma tarafından emilmeli ve elektrik üretmek için kullanılmalıdır. Tasarımın ticarileştirilmesi sürecinin 20. yüzyılın ikinci yarısına kadar devam etmesi bekleniyor.

Atalet kısıtlama şemalarında, DT yakıtı genellikle küçük kapsüller şeklindedir. Kapsülün iç yüzeyi  katı yakıtla kaplanmış ve gazla doldurulmuştur. Her kapsül, bir varil petrolün enerji eşdeğerini içerir. İlk aşamada, kapsüller, bir reaksiyon odasından bir dizi  güçlü terawatt düzeyinde lazer ışını ile aynı anda ateşlenir. Kapsülün etrafında, dışarıdan yüksek bir sıcaklığa ulaşan  bir plazma kabuğu oluşur. ikinci aşamanın kapsülleri; Bir roket havalanırken, hızla buharlaşan yüzey malzemesinin karşı itişi tarafından sıkıştırıldığı için merkeze doğru büzülmeye başlar. Küresel bir şok dalgası oluştu ve kapsülün merkezine doğru hareket etti. Üçüncü aşamada, şok dalgasının karşı tarafı merkeze yaklaştığında, kütle yoğunluğu kurşunun 20 katıdır (220 g/cm3). Sıcaklık 100.000.000 °C'yi aşıyor. Bu koşullar, çekirdekte bir füzyon reaksiyonunu tetikler. Birleştirme, sıcaklığı daha da yükseltir. Bu nedenle son aşamada; Yanma hızla yayılır, tüm kapsülü kaplar ve  büyük miktarda enerji açığa çıkarır. Bu plazma oluşumundan hemen sonra saniyeler içinde soğur. Bu işlem yeni bir kapsül ile tekrarlanmalıdır. Bu nedenle, bu yöntem titreşimli yani durmalı bir şekilde çalışmalıdır. Bu kısa  atımlar sırasında, termonükleer reaksiyondan plazmayı ısıtmak ve bu enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürmek için harcanandan daha fazla enerji elde etmek önemlidir. Araştırmalar şimdiye kadar bu hedefin gerisinde kaldı. 

 Bir ekonomi gerçekleştiğinde, insanlık nükleer füzyon sayesinde nispeten  temiz ve neredeyse sınırsız bir enerji kaynağına sahip olacaktır. Ama yine de nükleer enerjiden bahsettiğimizde nükleer santralleri kastediyoruz.