Yıldızların Enerji Kaynağı: Nükleer Füzyon

Yıldızların Enerji Kaynağı Nedir?

Yıldırzların enerji kaynağı nedir

Yıldızların enerji kaynağı nedir? Kısaca yıldızların enerji kaynağı, nükleer füzyondur. Yıldızlar Nasıl Oluşur? başlıklı yazımızda da belirtmiştik: “ben yıldıza, yıldız demem; nükleer füzyon olmadıkça”… Bir önyıldızın (protostar), yıldız statüsünü kazanması için, çekirdekteki hidrojeni, helyuma dönüştürebilmeye başlaması gerekir.

Yıldızların ölümleri bile genellikle o, ya da bu şekilde, nükleer füzyonun sona ermesi dolayısıyla olur. Nükleer füzyon bir yıldızın kalp atışıdır; o kalp farklı sebeplerle durabilir, ancak kalp durduğunda iş, işten geçmiştir.

Peki, yıldızların (ve, bu sebeple güneşimizin) enerji kaynağı olan bu ‘nükleer füzyon’ nedir? Yıldızların enerji kaynağı olan ‘nükleer füzyonun’ ne olduğu sorusunu cevaplamak için, dünyamızda ve insanlığın enerji üretim süreçlerinde daha yaygın olan bir süreci açıklamak ile başlamak yararlı olabilir: nükleer fisyon.

Nükleer Fisyon Nedir?

Çernobil’i bilirsiniz, hatta belki dizisini bile izlediniz. 1986 yılının Nisan ayında dünyaya korku salan ve şu anda faal olmayan bu nükleer santral ile şu anda 30 farklı ülkede aktif şekilde faaliyet gösteren yaklaşık 450 adet nükleer santralde, nükleer fisyon (nuclear fission) reaksiyonu gerçekleşir. Peki bu Nükleer fisyon nedir?

 Nükleer fisyon temelde, atomun temel parçacıklarından biri olan bir nötronun, Uranyum-235 gibi oldukça ağır ve kararlı olmayan bir element atomunun çekirdeğine çarparak yutulması; bunun sonucunda ise zaten oldukça asabi ve kararlı olmayan bu atomun daha da kararsız hale gelerek daha küçük iki ayrı çekirdeğe bölünmesidir. Çekirdekte oluşan bir tepkime, bir reaksiyondur.  Bir nötron yutulması ile başlayan fisyon tepkimesi sonucunda, büyük miktarda enerji ile birlikte, birden fazla nötron ortaya çıkar. Zincirleme reaksiyon da burada gündeme gelir: serbestçe takılan bu yeni nötronlar, diğer ağır ve kararsız element atomlarına doğru yola çıkarlar, yutulurlar, bu atomların da çekirdekleri parçalanır. Bunu şu anda dünyayı etkisine alan Corona virüs salgınına benzetebiliriz: kontrol altına alınmayan bir nükleer fisyon reaksiyonu, eksponansiyel olarak artış gösterebilir. İşler çok hızlı bir şekilde, çok fena hale gelebilir. Çekirdek tepkimeleri sonucunda açığa çıkan enerjiler, kimyasal tepkimelere göre yaklaşık milyon kat düzeyinde daha fazladır.

Nükleer fisyon Nedir?

Yukarıdaki şekilde, tepkimeye konu olan atomu Uranyum-235, fisyon ürünlerini ise Barium-141 ve Krypton-91 olarak düşünebiliriz.

Şimdi yıldızlara ve nükleer füzyona geri dönelim.

Nükleer Füzyon Nedir?

Nükleer füzyon nedir? Nükleer fisyon ile nükleer füzyonun farkı nedir? Yıldızlar yukarıda anlatılan sürecin tersini yapar: böğründe yarattığı ısı ve basınç ile hafif elementleri, bir tık daha ağır elementler haline getirir.

Evrenin çalışma prensipleri açısından baktığımızda, bu çok mantıklı bir harekettir. Evrendeki toplam atom sayısının yüzde 90’ının en hafif element olan hidrojen atomlarından, yüzde sekizinin ise ikinci en hafif element olan helyum atomlarından oluştuğunu düşünürsek, nükleer füzyonunun başlıca enerji üretim biçimi olması oldukça doğal.

Nükleer füzyon, yıldızların çekirdeklerinde gerçekleşir. Sevgili güneşimizi örnek alırsak, güneşin çekirdeği, güneş hacminin yüzde birinden bile az bir kısmını kaplarken, kütlesinin yaklaşık yüzde 34’ünü, enerji üretiminin ise yüzde 99’undan sorumludur. Trilyonlarca ton maddenin, yıldızların çekirdeklerine yaşattığı muazzam kütle çekimini ise, bu kütle çekimi sayesinde oluşan basınç ve ısı sayesinde çekirdekte yaşanan nükleer füzyon reaksiyonunda açığa çıkan enerji dengeler; ve yıldız kararlı (stable) bir şekilde hayatına devam edebilir.

Kütle çekiminin ve ısının da etkisiyle yıldızın çekirdeğinde yaşanan nükleer füzyon ile hidrojen atomları birleşerek, helyum atomuna dönüşür. Bu olmuyorsa, yani en azından helyum üretilmiyorsa zaten ona yıldız demiyoruz. Helyum da zaten (İngilizce: Helium) ismini Antik Yunan mitolojisinde güneşi sembolize eden tanrı olan Helios’dan ismini almaktadır.

nükleer füzyon nedir?

Yıldızın çekirdeğindeki nükleer füzyon sırasında hidrojen girdisine karşı, denklemde karşı tarafta helyum atomu ve bir de enerji bulunuyor.  Zira füzyon sırasında çok küçük oranda bir madde, E = mc2 formülündeki prensip ile enerjiye dönüşür. Bu dönüşüm esnasında açığa çıkan enerji de, yıldızın çekirdeğine uygulanan kütle çekim kuvvetine karşı bir kuvvet yaratır.

Bir yıldızın hayatı, devasa kütle çekim kuvveti ile çöküş çabası ile, çekirdekteki nükleer füzyonun açığa çıkardığı enerjinin genişleme çabası arasındaki ince çizgide geçer. Olağanüstü bilimsel bir grafik ile, bu denge şöyle gösterilebilir:

nükleer füzyon

Birçok yıldızın hayatı, bu aşamada sona erer.

Çeşitlilik canavarı: nükleer füzyon ile yeni element üretmek

Daha büyük bir atom olan helyumun füzyonu için, e pek tabii daha çok enerji gerekir. Ancak yıldız yeterli kütleye sahip değilse, yeterli kütle çekimi oluşmayacak, çekirdekte yeterli ısı ve basınç yaratılamayacak ve helyum füzyonu başlamayacaktır.

Ancak yeterli kütleye sahip yıldızlarda çekirdekteki hidrojen yakıtının tüketilmesi (daha doğrusu hidrojen füzyonu tamamlanması) durumunda bile nükleer füzyon devam eder. Bu sıradaki aşamada hidrojenlerin füzyonundan açığa çıkan helyum, nükleer füzyonun yeni yakıtı olarak kullanılır. Tekrar edelim: daha ağır olan helyum atomlarının reaksiyona uğraması için daha büyük bir enerji gerekmektedir, bu sebeple “daha yüksek kütleli” yıldızlarda bu reaksiyon görülebilir.

25 güneş kütlesine sahip bir yıldızın füzyon süreçleri aşağıdaki şekilde özetlenebilir. Daha ağır elementlerin füzyonu sırasında çekirdek sıcaklığının arttığına ve füzyon sürecinin üstel bir şekilde kısaldığına dikkat edelim:

25 Güneş Kütlesinde Bir Yıldızın Süreçleri
SüreçYaratılan elementlerÇekirdek SıcaklığıSürecin Uzunluğu
Hidrojen FüzyonuHelyum (He)4 x 107 K7 x 106 yıl
Helyum FüzyonuKarbon (C), Oksijen (O)2 x 108 K7 x 105 yıl
Karbon FüzyonuNeon (Ne), Oksijen (O)6 x 108 K600 yıl
Neon FüzyonuOksijen (O)1.2 x 109 K1 yıl
Oksijen FüzyonuSülfür (S), Silisyum (Si), Argon (Ar)1.5 x 109 K6 ay
Silisyum FüzyonuDemir (Fe), Krom (Cr)2.7 x 109 K1 gün
Çekirdek Çöküşü (Core Collapse)5.4 x 109 K¼ saniye
Çekirdek Sekmesi (Core Bounce)2.3 x 1010 KMilisaniye

 

Yukarıdaki tabloda bakarsak, yıldızların ‘normal hayatlarında’, yani nükleer füzyon ile, ancak 26 atom numarasına ve 55.845u atom kütlesine sahip demir (Fe) elementini üretebildiklerini görüyoruz.  E peki diğer elementler nasıl oluştu?

Nükleer füzyonun sınır ötesi!

Nükleer füzyonun sınır ötesini bir örnekle açıklayabiliriz: Şu anda sağ elimde bir yüzük var, bu yüzük demirden yapılmış basit, ‘dandik’ bir yüzük. Bu yüzüğü oluşturan atomlar, yıldızların ölüm döşeğinde geçirdiği son nükleer füzyon gününde dövülmüş olan atomlardan yapılmış olabilir.

Ancak sol elimdeki yüzük parmağımda ise, altın bir alyans var. Au sembollü altınına yukarıdaki periyodik cetvelde bakıyoruz ve numarası 79. Demirin atom numarası ise 26 idi. Kısaca sol elimde duran bu alyanstaki tüm altın atomları çeşitli süpernovalarda üretilmiş, uzayda milyonlarca yıl devasa mesafeler kat etmiş ve alelade bir galaksinin, pek de dikkat çekici olmayan bir kolunda, orta büyüklükte bir yıldızın çevresinde kümelenmiş bir gezegende kendini bulmuş.

Daha sonra bu minik gezegende, şaşırtıcı bir hızda hayat başlamış, akabinde milyarlarca yıl süren bir evrim süreci sonrasında bir grup insan tarafından uzay yolcusu, süpernova kütüklü altın madeni bir grup homo sapiens tarafından dünyadan çıkarılmış, başka bir grup insan tarafından yüzüğe çevrilmiş ve bu kişileri hiç tanımayan ben tarafından sonsuz bağlılığın sembolü olarak alınıp parmağıma takılmış.  Kimse kusura bakmasın ama bu fantastik hikayenin yanında, “tek yüzüğün” hikayesi oldukça normal geliyor.

 

Bunları da beğenebilirsin

Yorum bırakın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak.