Nükleer Fisyon Nedir, Nasıl oluşur? Manhattan Projesi Nedir? Atom Bombası Nasıl Yapılmıştır?

Nükleer Fisyon

Nükleer fisyonun uygulanabilir olduğunun gösterilmesi bilimin iyi ve kötü yanlarının iç içe geçtiği bir dönemde gerçekleşmiştir. Onun keşfi çekirdek fiziğini anlamamız açısından çok büyük bir sıçramadır ve böylece atom enerjisi dönemi başlamıştır. Ama bu yeni teknoloji hemen nükleer silah yapımında kullanılmış, bu silahlar Japonya’nın Hiroşima ve Nagazaki kentlerini yerle bir etmiş ve çözüme kavuşması zor bir yaygınlaşma sorununun çıkmasına neden olmuştur.

20. yüzyılın başında atomun iç dünyası açığa çıkmaya başlamıştı. Tıpkı matruşka bebeklerinde olduğu gibi birçok elektron barındıran dış kabuklar sert bir çekirdeği sarıyordu. 1930’lu yılların başında çekirdeğin de içine girildi ve onun artı yüklü protonlar ile yüksüz nötronların bir karışımından oluştuğu anlaşıldı. Bunların ikisi de elektrondan çok daha ağırdı ve birbirlerine güçlü çekirdek kuvvetiyle sıkıca bağlıydılar. Çekirdeğin enerji yapışkanını çözmek biliminsanlarının çözmeye en çok çalıştığı şey oldu.

Parçalanma

Çekirdeği parçalamaya yönelik başarılı ilk girişim 1932’de gerçekleşti. Cambridge’te Cockroft ve Walton bazı metallere çok hızlı protonlar fırlattılar. Metallerin bileşimi değişti ve Einstein’in E=mc² eşitliğine uyacak şekilde enerji yaydılar. Ama bu deneylerde ortaya çıkandan daha fazla enerji, deneyi yapmak için harcanıyordu. Dolayısıyla fizikçiler bu yolla ticari kullanım için enerji elde etmenin mümkün olduğuna inanmadılar.

1938’de Alman biliminsanları Otto Hahn ve Fritz Strassmann yeni ve daha ağır elementler elde etmek için ağır element uranyuma nötron fırlattılar. Ama beklentilerinin tersine daha hafif hatta bazıları uranyumun yarı kütlesinde bazı elementlerin oluştuğunu gördüler.

Kütlesinin yüzde yarımı kadar bir şeyle bombardıman edildiğinde sanki çekirdek ikiye bölünüyordu – bu bir karpuzun, ona fırlatılan bir kirazla ikiye bölünmesi gibi bir şeydi. Hahn faşist Almanya’dan kaçıp İsveç’e sürgüne giden Avusturyalı meslektaşı Lise Meitner’a yazdığı mektuplarda bu durumu anlattı. Meitner da çok şaşırdı ve bunu fizikçi yeğeni Otto Frisch ile tartıştı. Meitner ve Frisch çekirdeğin ikiye bölünmesiyle (iki yarımın toplam enerjisi daha az olduğundan) bir miktar enerjinin ortaya çıkması gerektiğini fark ettiler. Danimarka’ya dönen Frisch heyecanını yenemedi ve geliştirdikleri düşünceden Niels Bohr’a söz etti. Bir deniz yolculuğuyla Amerika’ya giden Bohr, hemen bir açıklama üzerinde çalışmaya başladı ve bu durumu Columbia Üniversitesi’ndeki İtalyan fizikçi Enrico Fermi’ye anlattı.

Meitner ve Fisch makalelerini Bohr’dan önce yayımladılar ve biyolojideki hücre bölünmesinden esinlenerek “fisyon” (bölünme) terimini fiziğe kazandırdılar. New York’ta Fermi ile sürgünde yaşayan Macar fizikçi Léo Szilârd bu uranyum tepkimesinde başıboş nötronların çıkacağını ve bunların da yeni fisyonlara neden olacağını ve bunun (kendi kendine devam eden) zincirleme bir nükleer tepkimeye dönüşeceğini fark etti. Fermi ilk zincirleme tepkimeyi 1942’de Chicago Üniversitesi’nde bir futbol stadyumunun altında gerçekleştirdi.

Nükleer Atık

Fisyon reaktörleri verimli birer enerji üretmişidirler ama radyoaktif atık üretirler. En zehirli ürünleri binlerce yıl radyoaktif kalabilen uranyum yakıtının kalıntıları ile yüz binlerce yıl ömrü olan (plütonyum gibi) ağır elementlerdir. Bu tehlikeli atıklar küçük miktarlarda üretilir ama madenden uranyumu çıkarmak ve başka bazı süreçler düşük düzeyde atıklardan oluşan izler bırakır. Bu atıklardan nasıl kurtulunacağı bugün bile dünya çapında tartışılan bir konudur.

Zincirleme Tepkime

Üye fizikçi Arthur Compton o günü şöyle anımsıyor: “Balkondaki bir düzine biliminsanı aygıtları izliyor ve kontrollerle ilgileniyordu. Odanın öteki yanında zincirleme tepkimenin gerçekleşmesini umduğumuz grafit ve uranyum bloklarından küp şeklinde büyük bir yığın duruyordu. Blok yığınındaki açıklıklara kontrol ve güvenlik çubukları yerleştirilmişti. Birkaç ön testten sonra Fermi kontrol çubuğunun 30 santimetre daha geriye çekilmesini emretti. Bunun asıl test olacağını biliyorduk. Reaktörden çıkan nötronları sayan geiger sayaçları giderek hızlandılar ve sonunda sürekli bir tıkırtıya dönüştüler. Tepkime, bulunduğumuz platform için radyasyon tehlikesi oluşturana kadar büyüdü. Fermi’den ‘Güvenlik çubuklarını ekleyin’ emri geldi. Sayaçların tıkırtısı dindi ve teker teker duyulan “tık”lara dönüştü. Atomdaki güç ilk kez açığa çıkarılmıştı. Kontrol edildi ve durduruldu. Birileri Fermi’ye bir şişe İtalyan şarabı uzattı ve hafif bir tezahürat yükseldi.”

Manhattan Projesi Nedir?

Szilârd, Alman biliminsanlarının kendi başarılarını taklit edebileceğinden endişeleniyordu ve bu endişesini Albert Einstein ile paylaştı. İkili 1939’da Başkan Roosevelt’e ortak bir mektup yazıp onu uyardılar. Ne var ki Birleşik Krallık’taki fizikçiler nükleer bir silah yapmanın ne kadar kolay olduğunu gösteren bir hesabı 1941’de paylaşm-caya dek pek bir gelişme olmadı. Bu olay Japonların Pearl Harbor baskınıyla kesişince Roosevelt, Manhattan Projesi olarak bilinen ABD’nin nükleer bomba projesini başlattı. Projenin başında Berkeley’den fizikçi Robert Oppenheimer vardı ve proje New Mexico’da Los Alamos’taki çok gizli, ücra bir yerde yürütülüyordu.

1942 yazında Oppenheimer’ın ekibi bomba için bir mekanizma tasarladı. Patlamaya yol açacak zincirleme tepkimeyi başlatmak için kritik bir miktarda uranyuma gerek vardı ama patlamadan önce uranyum bölünmüş olmalıydı. İki teknik üzerinde duruluyordu. Birincisi bir “silah” mekanizma-sıydı. Bunda kritik kütleyi tamamlamak için konvansiyonel patlayıcılarla bir uranyum topağı diğerine çarptırılıyordu. İkinci teknikte plütonyumdan çekirdeği olan içi boş bir uranyum küre konvansiyonel patlayıcılarla plütonyum çekirdeğe (içe) doğru patlatılıyordu.

Uranyum elementi çekirdeğinde farklı sayıda nötron olan iki değişik tipte, yani iki izotop halinde bulunur. Yaygın izotop uranyum-238 diğer izotop uranyum-235’ten on kat daha boldur. Fisyon bombasında kullanılan uranyum-235’tir. Bu nedenle ham uranyum önce uranyum-235 açısından zenginleştirilir. Uranyum-238 bir nötron aldığında plütonyum-239’a dönüşür. Plütonyum-239 kararsızdır ve parçalandığında gram başına daha çok nötron üretir. Dolayısıyla plütonyum karıştırınca zincirleme tepkime kolaylıkla başlatılabilir. “Küçük Oğlan” adı verilen ilk atom bombasında “silah mekanizması” kullanılmıştır. Plütonyum içeren, içe doğru küresel patlama tekniği de “Şişman Adam” adlı ikinci atom bombasında kullanılmıştır.

6 Ağustos’ta “Küçük Oğlan” Hiroşima’ya atıldı. Üç gün sonra “Şişman Adam” Nagazaki’yi yerle bir etti. İki bomba da yaklaşık 20.000 ton dinamite eşdeğer bir patlamayla 70.000 ila 100.000 arasında insanın anında ve bir bu kadar insanın da daha sonra ölümüne yol açtı.