Daha önceki yazımda nükleer parçalanma ve kaynaşma hakkında genel bilgiler vermiştim. Bu yazımda ise nükleer parçalanma nedir, nükleer parçalanma (fisyon) hakkında genel bilgiler vereceğim. Parçalanma tepkimesiyle enerji üretmek için, nötron akılarını hassas bir şekilde ayarlamak gerekir. Bu amaçla çeşitli reaktör tipleri kullanılmakta günümüzde. Ancak bazı çekirdekler parçalanma özelliği gösterir; bunlar arasında bulunan uranyum 235 (235U) ve nükleer reaktörlerde üretilen plütonyum 240 (240Pu) sayılabilir.
Bu elementler çekirdek yükünce itilemeyen bir nötronun çekirdek içine girmesi sonucu parçalanmaya uğrar. Bu tepkime sonucunda söz konusu çekirdekler, genellikle boyutları eşit olmayan daha küçük iki çekirdeğe bölünür. İşte bunlar, nükleer santrallerin atıklarıdır ve hepsi de çok radyoaktiftir. Ayrıca, parçalanma başına ortalama 2,5 nötron açığa çıkar. Bu nötronlar, başka çekirdekleri soğurulamayacak kadar hızlıdır. Bu yüzden hafif atomlardan oluşan bir yavaşlatıcı ile nötronların hızını kesmek gerekir; yavaşlatıcının çekirdekleri ardışık darbelerle nötronları; parçalanmayı sağlamak için daha etkili olan « ısıl» nötronlar haline getirir.
Nükleer Parçalanma – Fisyon Nedir
Bir nükleer reaktörde parçalanabilir çekirdekleri değişmeyen bir nötron akısı içinde tutmak gerekir. Böylece her saniyede parçalanan çekirdeklerin sayısı değişmez ve elde edilen enerji akışı da düzenlidir. Nötron akısı artarsa enerjinin açığa çıkışı engellenemez ve Çernobil olayında olduğu gibi reaktör denetimden çıkar. Bu bakımdan nötron akışı, nötron soğurucu cisimlerle (döteryum, karbon, bor…) denetim altına alınır. Üretilen ısıyı dışarı çekmek ve bunu buhar üretiminde kullanmak için bütün reaktör sistemi (az çok zenginleştirilmiş yakıt, yavaşlatıcı ve nötron soğurucuları) ısı taşıyıcı bir sıvı içine daldırılır. Aşağıdaki görselde kullanılmış yakıt çubukları görmektesiniz. Su havuzlarında muhafaza edilmektedirler.
Günümüzde hemen hemen terk edilen grafit-gaz tipi reaktörlerde, yakıt olarak doğal uranyum, nötron soğurucusu olarak grafit, ısı taşıyıcı olarak da karbon dioksit kullanılıyordu ve bunları bir arada çalıştırmak oldukça güç bir işlemdi. Basınçlı su kullanan reaktör tiplerinde (Pressurised Water Reactor, PWR) yakıt olarak uranyum 235 bakımından yüzde 3 oranında zenginleştirilen (doğal durumda yüzde 0,7) oksit biçiminde sıkıştırılmış uranyum, hem yavaşlatıcı ve ısı taşıyıcı olarak basınçlı su, nötron soğurucu olarak da ayarlanabilen grafit çubukları kullanılır.
Yavaşlatıcı kullanılmazsa, nötronları çekirdekler daha güç soğurur. Bu durumda çok zenginleştirilmiş bir yakıt, uranyum 235 veya hemen hemen arı plütonyum kullanmak gerekir. Hızlı nötronlu reaktörlerde tercih edilen çözüm budur; bu reaktörlere, bol bulunan ama parçalanamayan uranyum 238’i parçalanabilen plütonyuma dönüştürebildiği için, üst üretken reaktörler de denir. Aşağıda ki görselde basitçe üst üretim reaktör modeli görmektesiniz.
Belirli bir zaman sonunda nükleer yakıt parçalanabilir, çekirdek bakımından fakirleşir; o zaman bunun yerine yeni yakıt koymak gerekir. Kullanılmış yakıt çok miktarda parçalanma ürünü içerir; bunların çoğu radyoaktif ve tehlikelidir. Parçalanma ürünlerinden yarı ömrü kısa olanların bozunarak yok olmalarını sağlamak için yakıtlar, belirli bir süre bekletilir. Daha sonra özel bir kimyasal işlemle (artı işlem) yarıömürleri binlerce yüzyılı bulan uranyum ötesi elementleri ayırmak mümkün olur. Bu radyoaktif atıklar, kararlı olduğu umulan özel jeolojik yörelerde depolanır.
Kritik kütle denen miktarda çok derişik parçalanabilir madde kompakt bir kütle halinde birleştirilirse, nötronlar büyük bir hızla çoğalır ve maddenin tümü birkaç mikrosaniye içinde parçalanarak olağanüstü boyutlarda enerji açığa çıkarır. Atom bombası işte budur. Böyle bir bombayı yapmak için, patlayıcı bir fünye yardımıyla kritik kütleli bir bütünün ayrı tutulan iki alt kritik kütlesini patlayıcı bir fünyeyle çok kısa sürede birleştirmek gerekir.