Gündelik Düşüncelerin Ötesine Yolculuk: Atom bombası nasıl patlatılır

Yıldızların merkezinde oluşan, kütlede donmuş halde bulunan bu enerjiyi dünyada oluşturabilmek, bilim adamlarının hayallerini kurcalıyordu. Füzyon için hidrojenden itibaren periyodik sistemde yukarı doğru çıkıldıkça coulomb bariyerinden dolayı dünyada alıştığımız koşularda gereken basınç ve ısıyı oluşturmak neredeyse imkansız gibiydi. Öyleyse periyodik sistemin öbür ucuna bakmak lazımdı. Atomların fisyonu (Parçalanması) sonucu ortaya çıkacak olan enerji, Hidrojen’ in Helyum’a füzyonundan (Kaynaşmasından) sekiz kat daha az enerji açığa çıkaracaktı; ama ortaya çıkacak enerji, hesaplamalara göre hala muhteşemdi. Parçalanma sonucu ortaya çıkan maddelerin toplamı, parçalanan atomdan daha küçüktü ve bir kütle defekti (Kaybı) söz konusuydu. Bu kaybolan miktar kadar kütle, Einstein’ın meşhur E = mc2 formülüne göre enerjiye dönüşecekti. Aynı coulomb bariyeri, periyodik sistemin öbür ucuna baktığımızda tam tersi etki yapıyordu. Çekirdekteki protonlar birbirlerini aynı yükten dolayı ittiklerinden, çekirdek büyüdükçe kararsızlık artacaktı. Nitekim çekirdekler yavaş ve düzenli bir şekilde spontan olarak parçalanarak ışıma yapıyorlar ve bozunuyorlardı. Radyoaktif elementler eninde sonunda ilk stabil (kararlı) element olan kurşun’a dönüşünceye değin bozunmayı sürdürüyorlardı. Kurşundan sonraki Polonyum (84), Radyum (88), Uranyum (92) ve arada daha az ismi duyulan Astatin, Radon, Frankyum gibi elementler de radyoaktiftirler.

Hangi atomun ne zaman bozunacağını bilmek mümkün değildir elbette. Ama istatistiksel olarak başlangıçtaki maddenin ne kadar sürede yarı yarıya ineceğini söylemek mümkündür. Buna, o maddenin yarılanma zamanı denir. Yarılanma zamanı kadar geçen her sürede, maddenin yarısı artık o element değildir, bozunmuştur. Başlangıçta 100 gr madde varsa, yarılanma zamanı kadar süreden sonra 50 gr madde kalır geriye. Bir o kadar daha zaman geçince, bunun da yarısı, 25 gr. .12.5 gr. vs. olarak devam eder. Yani 1, ½, ¼, 1/8, 1/16 .... Logaritmik artışa tersi yönde bir bakıma.

Uranyumdan ötesi, Trans-Uranlar, dünyamızda bulunmazlar. Yapay olarak çok kısa süreler için bilim insanları tarafından özel laboratuar ortamlarında oluşturulabilirler ve çok çok kısa süreler, genelde milisaniyeler, hatta daha kısa süreler boyunca varlıklarını sürdürebilirler.Tek istisnası plutonyum’dur. Bu element atom reaktörlerinde (! ) Yan Ürün (?) olarak yapay bir şekilde elde edilir. Atom numarası, yani proton sayısı 94 olan bu elementin de çekirdeği kararsızdır ama yarılanma ömrü plutonyum-239 için 24.360 yıldır. Diğer bir deyişle teknik olarak kullanılabilir. Trans-Uranlar gezegenimizin oluştuğu ilk zamanlarda muhtemelen varlardı. Ama çok hızlı bozunarak - kurşun olarak sonlanarak demek daha mı doğru olur - günümüze ulaşamamışlardır. Radyoaktif elementlerin bozunması sırasında nötronlar da açığa çıkıyordu. Böylece siklotronlara (Parçacık hızlandırıcı) gerek kalmaksızın nötron bombardımanı sağlanabilirdi. Yüksüz olan bu parçacıklar atom çekirdeğindeki Protonların pozitif yükünden dolayı itilmeyecek ya da çevresindeki elektronler tarafından saptırılmayacak, sekmeyeceklerdi. Çekirdek fiziği ölçeğinde nispeten daha düşük hızlarda bile atom çekirdeklerine çarpmaları mümkündü. Atom çekirdeği açısından ona en yakın yörüngede bulunan elektron arasındaki mesafe, eğer Hidrojen çekirdeğini 10 cm yarıçaplı bir top olarak düşünürsek, elektron 1 km ötede olurdu. Bir parkta gündelik yaşantımız ölçeklerinde anlayabilmek için Hidrojen çekirdeğini, yani protonu, 1.7 metre çapında bir maketle göstermeye çalışsaydık, etrafında dönen elektron yüz kilometre uzaklıkta olurdu. Kısacası; Atomlar arsında muazzam bir boşluk vardır. Elektrostatik kuvvetler sayesinde biz farkına varamıyoruz, gündelik deneyimlerimiz içinde.

Atomlar arasındaki bu muazzam boşlukların neredeyse ortadan kalktığı durum, yıldızın içe çökmesini engelleyen merkezdeki çekirdek tepkimelerinin bittiği ve yıldızın kendi içine çökerek 10-20 kilometre çapa sıkışarak oluşan nötron yıldızlarıdır. Ceviz kadar bir parçası bile taa dünyanın merkezine ulaşıncaya değin tüm yer kabuğunu delip geçecek kadar ağır olurdu sözgelimi. Atomlar arasındaki bu muazzam boşluğu göz önünde tutarsak, serbestleşen nötronların bir atom çekirdeğine isabet etmesi istatistiksel olarak oldukça küçük bir olasılıktır. Albert Eistein bu durumu (Mealen) şöyle dile getirmişti: “Çok az kuşun bulunduğu bir bölgede, zifiri karanlıkta rastgele ateş eden kötü nişancılar gibiyiz..”

O dönemin en güçlü siklotronlarında (Parçacık hızlandırıcı) oluşturulan ve manyetik alanlarda hızlandırılarak, örneğin Berilyum atomlarıyla çarpıştırılmaya çalışılan milyarlarca nötrondan sadece bir ikisinin bir atom çekirdeğine rastlayarak bir iki tane nötron daha açığa çıkartması mümkün olabilmişti sadece. Bu durumu göz önüne alarak Einstein’ın durumu tasvir edişini daha iyi anlamak mümkün olur sanırım.

Serbest nötronların istatistiksel olarak bir çekirdeğe isabet edebilmesi için, bu atom yoğunluğu içinde kat etmesi gereken mesafe, kritik kütle olarak tanımlanan patlayıcı miktarını belirler. Bu kritik kütle; bir atom çekirdeğinden spontan olarak serbestleşen bir nötronun, bir diğer atom çekirdeğine çarparak, o atomun da bozunmasına neden olan ve daha çok serbest nötronun açığa çıkmasını sağlayarak, zincirleme bir reaksiyonun oluşması ve sürdürülmesi için gereken kütledir başka bir deyişle. Patlayıcı kütlesinin dışına çıkan nötronların ise, oluşması istenen zincirleme tepkimeye doğal olarak bir katkısı olamayacaktır elbette. Ancak patlayıcı kütlenin etrafını Berilyum’ dan oluşan bir mantolama ile kaplayarak bu problem de aşıldı. Berilyum çekirdeğine çarpan bir nötron, iki tane daha serbest nötron’un açığa çıkmasına neden oluyordu. Bu nötronlardan biri mantonun dışına, yani patlayıcı kütlenin dışına çıkıp tepkimeye katkıda bulunmaktan uzaklaşsa bile, diğeri istatistiksel olarak patlayıcı kütleye geri dönerek ortamda tepkimeyi sürdüren nötron sayısının sabit tutulmasına katkıda bulunacaktı. Berilyum’dan oluşan manto, bir ayna gibi görev görüyordu bir bakıma diyebiliriz. Bu basit hileyle patlama sağlamak için gerekli olan kritik kütle biraz daha düşürülmüş oluyordu. Gezegenimizde Uranyum’ un spontan olarak patlamalar yapmaması, (Zaten böyle bir şey mümkün olsaydı bu satırları benim yazmam, sizlerinde okuması mümkün olmazdı herhalde) Uranyum atomlarının gezegenimizde çok seyrek olarak serpiştirilmiş olmasından kaynaklanır. Uranyum madeni olan yerlerde bile bir ton madeni eleyerek ancak bir kaç gram uranyumun elde edilebildiğini göz önüne alalım. Bu arada zincirleme tepkime oluşturmak için çekirdekleri daha kararsız olan Uranyum 235 gereklidir. Uranyum- 238 in çekirdeğinde tutkal görevi yaptığını farzedebileceğimiz 3 tane daha nötron bulunur ve dolayısıyla çekirdek daha kararlıdır. Elde edilen Uranyumun da ancak % 0.7 si patlayıcıda kullanılabilecek Uranyum-235 tir. U-238 in yarılanma süresi 4.468.000 yıldır. Yani gezegenimizin oluştuğunda var olan U-238’ in günümüze ancak yarısı ulaşmıştır diyebiliriz. Oysa U-235 in yarılanma süresi 703.800.000 yıldır. Aradaki farktan da niçin U-235’ e daha az rastlanıldığını anlamak mümkündür sanırım. Bunlar birbirlerinin izotopu olduklarından kimyasal özellikleri de tamamen aynıdır ve kimyasal olarak birbirlerinden ayrıştırılamazlar. Ayrıştırma işleminin zorluğunu anlamak için bu kadarı herhalde yeterlidir. Bunları ayrıştırmak için de tamamen yeni yöntemler bulunup geliştirilmeliydi o dönem. Kritik kütleyi oluşturmak için U-235'i toplamaya başladığımızı düşünelim. Ceviz büyüklüğüne geldiğimizde henüz gözle görülür bir şeyler olmaz. Parçalanma olayları nötron bombardımanından dolayı artmaya başlar elbette, ama dişe dokunur bir şeyler hala ortalıkta yoktur. Elimizdeki kütle yumruk büyüklüğünü geçmeye başladığında artık hissedilir şekilde ısınmaya başlar. Daha da arttırmaya devam ettiğimizi düşünelim; Zincirleme tepkime sonucu ortaya çıkan enerji, bir el bombası, bir dinamit lokumuna eşdeğer olduğunda, patlayıcı madde de parçalanıyor ve istenen patlama gücüne daha erişilemeden tekrar kritik kütlenin altına düşülüyordu. Bu sorunun çözümü de basitti. Patlama için gereken kritik kütle, tam istenen patlama anında oluşturulmalıydı. Oluşan Kritik Kütle de istenilen Nötron Akışı sağlanana değin, yani maksimum verimle kütle kaybı oluşturularak enerji açığa çıkana değin, yeterince uzun süre dağılmadan bir arada tutulmalıydı. Böylece gereken kritik kütleyi oluşturacak küre şeklindeki patlayıcı madde ikiye bölünerek çelik bir borunun içine yerleştirildi ve geleneksel patlayıcılar kullanılarak, tam istenen patlama anında bu yarı küreler kritik kütleyi oluşturmak üzere birbiriyle buluşturuldu. Patlayıcıyı saran çelik manto –Tampa – geleneksel patlayıcıların yaptığı basınç, Berilyum mantolama ile elde edilen aynalama etkisi gibi hilelerle, yaklaşık 22.8 kg olan bu Kritik Kütle yaklaşık 10 kg a kadar çekilmiş, ve patlamada bir grama yakın (0.7 gr olarak hesaplayanlar da var) madde enerjiye dönüşmüştü. Cin şişeden çıkmış, Pandora'nın kutusu açılmıştı artık. İnsan zekası bundan böyle sadece kendi türünü ortadan kaldırabilecek bir tehdit olmaktan çıkmış, milyonlarca yıllık evrimin sonucu olarak, bu gezegende gelişmiş tüm canlılığı ve çeşitliliği de tehdit eder hale gelmişti. Gezegenimizdeki canlılığı bir kaç kez yok etmeye (Over Kill – artık her ne demekse) yetecek miktarda Atom Bombası üretme yarışını yolu açılmıştı artık. Hiroşima’ ya atılan “ Little Boy “ işte böyle bir bombaydı. Bu tür atom bombasına “Gun Type“ denir. Diğer bir seçenek ise bir nevi mantolama şeklinde bir geleneksel patlayıcı kütlesi ile İçe Çökme diyebileceğimiz tarzda kritik kütleyi oluşturmaktır. Buna da “İnvert typ “ denir. Nagazaki'ye atılan bomba ise bir Plutonyum bombası idi. Ama Atom bombası çeşitleri ve değişik mekanizmalar makale konumuzun kapsamı dışındadır.

Sayfalar

5 Ocak 2014 Pazar

Atom bombası nasıl patlatılır

Hiç yorum yok:

Yorum Gönder