Atom bombasının mucitlerinden Robert Oppenheimer, 16 Temmuz 1945'te ilk atom bombası denemesinin yapıldığı o tarihi anları "Dünyaların yıkıcısı olan ölüm oldum" sözleriyle hatırlıyor. Kimilerine göre İkinci Dünya Savaşı'nı sonlandırarak yüz binlerce insanın hayatını kurtaran, kimilerine göre ise zaten savaşın eşiğinde olan Japonya'da insanlık dışı bir yıkıma yol açan bu silahların tehdidi, ne yazık ki günümüzde de varlığını sürdürüyor, hatta zamanla tehlikenin arttığı bile savunulabilir. Savaşın yıkımının duygusal yükünü unutmaya başlamamız ve politik dengelerin yıpranması, aşırı silahların aceleci kullanımına onay verme eğilimini artırıyor. Peki, bu ölümcül silahlar aslında nasıl işliyor? İşte detaylar:

Atom Bombasının Yakıtı: Uranyum ve Plütonyum

Bir atom bombası inşa etmek için öncelikle onu besleyecek bir yakıta ihtiyaç vardır. Nükleer reaktörlerde de kullanılan bu yakıtlar, genellikle Uranyum ve Plütonyumdur. Uranyum, dünya kabuğunda bulunan en iri atomlar arasında en bol bulunanıdır. Atomların parçalanabilir olması önemlidir, çünkü bir atom parçalandığında, yani fisyon yaparken, muazzam bir enerji açığa çıkar.

Doğadan çıkarılan Uranyumun yaklaşık yüzde 99.29'u Uranyum-238 atomudur ve bu atom oldukça kararlıdır, yarı ömrü 4.5 milyar yıl civarındadır. Ancak Uranyum madeninin yüzde 0.7'si Uranyum-235 ve yüzde 0.005'i Uranyum-234 izotoplarından oluşur. Bu izotoplar da tamamen dengesiz değildir; Uranyum-235'in yarı ömrü 700 milyon yıl, Uranyum-234'ün ise 245 bin yıldır. Uranyumu iyi bir yakıt yapan, kendi kendine yarılmasından ziyade, devasa boyutları nedeniyle parçalanmasının harici olarak tetiklenebilir olmasıdır.

Madenden çıkarılan Uranyum-238 ise tamamen işlevsiz değildir; basit bir nötron bombardımanı ile Plütonyum-239'a dönüştürülebilir ve bu da Uranyum-235 kadar iyi bir nükleer yakıttır. Haberlerde sıkça duyduğumuz "Uranyum zenginleştirme" ise, madenden çıkan daha dengesiz ama az bulunan izotop olan Uranyum-235'i izole edip çoğaltma işlemidir. Bir bomba veya reaktör için en az 15 kilogram Uranyuma veya 4 kilogram Plütonyuma ihtiyaç duyulur, ancak çoğu zaman çok daha fazlası kullanılır.

Yakıtın Saflaştırılması: Uranyum Zenginleştirme

Atomun izotopları kimyasal olarak aynı özelliklere sahip olduğu için kimyasal yöntemlerle ayrıştırılamazlar. Ancak her izotopun kütlesi birbirinden biraz farklı olduğu için fiziksel ayrıştırma yöntemleri kullanılır. Örneğin, gaz difüzyonu ile, yani gözenekli bir bariyerden hafif izotoplar (Uranyum-235) ağır izotoplara (Uranyum-238) göre daha hızlı geçerler. Bu işlem tekrar tekrar yapılarak Uranyum saflaştırılır. Diğer yöntemler arasında santrifüjleme veya lazer kullanan modern ayrıştırma teknikleri bulunur. Uranyumu zenginleştirmek, özellikle yüksek saflık seviyelerine ulaştıkça giderek zorlaşır; örneğin yüzde 1'den yüzde 5'e saflaştırmak çok zor olmasa da, yüzde 85'ten yüzde 90'a çıkmak son derece güçtür. Yakıt ne kadar saf olursa, bomba veya reaktör o kadar verimli çalışır. Atom teknolojisinde ileride olmak da büyük ölçüde bu teknik zorlukların aşılmasıyla ilgilidir.

Nükleer Fisyon: Atomu Parçalama Sanatı

Nükleer bir reaksiyon, oksijenle yanma tepkimesi değildir; burada atomu parçalamak ve içindeki her şeyi açığa çıkarmak hedeflenir. Bu işlemi gerçekleştirmek için nötronlar kullanılır. Yakıta bir nötron fırlatıldığında, nötronun enerjisi nedeniyle atom bir damla gibi bükülür. Güçlü nükleer kuvvetin yalnızca çok kısa mesafelerde etkili olması nedeniyle, etki alanının biraz dışına ulaşıldığında kuvvet etkisini yitirir ve atom ikiye ayrılır. Fisyon denilen bu ayrışma sonucunda, orijinal atomun enerjisi, nötronun enerjisi ve çarpma açısı gibi parametrelere bağlı olarak çok çeşitli atomik ürünler oluşabilir; genellikle iyot, sezyum, kripton, ksenon veya baryum gibi atomlar veya bunların izotopları meydana gelir. Ancak bizim için önemli olan, atomun parçalanmasıyla birlikte o atomik bağ enerjisinin müthiş bir şiddetle dışarı çıkmasıdır. Daha da önemlisi, bu atom parçalanırken etrafa daha fazla nötron saçılır.

Kontrollü ve Kontrolsüz Zincir Reaksiyonlar

Fisyon sonucu saçılan bu nötronlar, tıpkı başlangıçta fırlatılan nötron gibi, civardaki diğer Uranyum-235 atomlarına çarpar, onları parçalar, enerjilerini açığa çıkarır ve onlar da daha fazla nötron saçarlar. Bu tepkime, zincirleme bir şekilde devam eder.

Bir atom bombasını bir nükleer reaktörden ayıran temel fark, bu nötron saçılımının kontrolüdür.

• Nükleer Reaktörlerde: Bor gibi maddelerden yapılmış kontrol çubukları yardımıyla saçılan nötronların sayısı belli bir sınırın altında tutulur ve atom parçalanma hızı kontrol edilir. Böylece her bir atomun parçalanmasından saçılan enerji kontrollü bir şekilde kullanılıp işe yarar enerjiye dönüştürülür.
• Nükleer Sızıntı/Facia: Zincirleme tepkime kontrol altında tutulamazsa nükleer sızıntı veya facia meydana gelir.
• Atom Bombası: Zincirleme tepkimeyi kontrol altında tutmak istenmezse atom bombası üretilir. Yıkım ile yapım arasındaki incecik çizgi, saç telinden 80 milyar kat küçük olan bu nötronlardan ibarettir.

Bir Atom Bombası Nasıl Patlar?

Bombayı taşırken patlamasını önlemek için bazı önlemler alınır.

• Nötron Kaynağı Kontrolü: Tepkimeyi başlatacak nötron kaynağı olarak genellikle Berilyum-29 Polonyum-210 veya Polonyum-208 Aktinyum-227 çiftleri kullanılır. Bunlar başlangıçta birbirinden ayrı tutulur. Bombayı tetiklemek istendiğinde ise, sıradan bir patlayıcı kullanılarak bu maddeler şok dalgasıyla birbirine çarptırılır, böylece nötronlar saçılmaya başlar ve nötron kaynağı elde edilir.
• Kritik Altı Kütle: Atom bombasının istenmeden patlamasını önlemek için yakıt, "kritik altı kütle" denilen seviyede tutulur. Yani, var olan nötronların zincirleme tepkimeyi başlatamadığı miktarlarda yakıt kullanılır. Örneğin, 20 kiloluk yakıt 10 kiloluk iki bölmeye ayrılır. Bu miktar, tepkimeyi başlatmaya yetmez.
• Patlama Mekanizması: Bombayı patlatmak istendiğinde, nötron kaynağını başlatmakta kullanılan sıradan bir patlayıcı yardımıyla, ikiye ayrılmış yakıt hazneleri küresel ve tekil bir hazne içinde birleştirilir. Böylece kritik kütleye ulaşılır ve tepkime başlar. Bu haznenin içi Berilyum oksit gibi bir nötron yansıtıcı ile kaplıdır. Fırlayan nötronlar bu duvardan geçip gitmez, çarpıp geri yansıyarak reaksiyon odasına döner ve yakıtla etkileşime devam ederler; böylece zincirleme bir tepkime elde edilir.

Tüm bu süreç – nötron ateşleyici patlaması, hazne birleşmesi, kritik kütleye ulaşma, fisyonun başlaması ve zincirleme olarak muazzam enerjinin saçılması – sadece yarım mikrosaniye sürer. Bu tür bir patlamada yakıtın sadece yüzde 0.1'i tepkimeye girer, yüzde 99.9'u ise bozulmadan kalır. Buna rağmen, Albert Einstein'ın E=mc² denklemi sayesinde, ufacık bir kütle kaybı bile ışık hızının karesi (c²) gibi muazzam bir sayıyla çarpıldığında akıl almaz boyutlarda enerji (E) açığa çıkarır.

Fisyon Ötesi: Hidrojen Bombası ve Füzyon Teknolojisi

Günümüzdeki nükleer reaktörler kontrollü fisyon süreçleriyle enerji üretir. Ancak bilim insanları, fisyon yerine füzyon reaktörleri geliştirmeye çalışmaktadır. Füzyon, büyük atomları parçalayarak enerji üretmek yerine, küçük atomları birbirine kaynaştırarak enerji elde etme prensibine dayanır. Güneşin kalbinde yaşanan füzyon tepkimeleri kontrol edilebilirse, aynı miktarda yakıtla fisyondan 3-4 kat daha fazla enerji çok daha güvenli bir şekilde elde edilebilir. Füzyon reaktörleri, fisyon reaktörlerindeki gibi nükleer sızıntı riskine açık değildir, çünkü füzyon zincirleme bir tepkime değildir ve bir kez başladı mı kendi kendini sürdürmez.

Ancak füzyonun da zorlukları vardır: tepkimeyi başlatmak ve sürdürmek için on milyonlarca derece düzeyinde çok yüksek sıcaklıkları sürekli sağlamak gerekir. Bu nedenle, bugüne kadarki füzyon reaktörleri sadece birkaç saniye veya dakika boyunca çalışabilmiştir. Bu kadar yüksek sıcaklıklara dayanabilen malzemeler üretmek son derece zordur.

Peki, füzyonun gücü bir bomba olarak kullanılmak istenseydi ne olurdu? Atom bombasından hidrojen bombasına geçiş bu fikirle başlamıştır. Termonükleer bomba olarak da bilinen hidrojen bombaları, bir atom bombasını sadece bir tepkime başlatıcı olarak kullanır. Yani hidrojen bombasının tetiği bir atom bombasıdır. Termonükleer bombaların yakıtı, doğadaki en küçük atomlardan biri olan hidrojenin nötron izotopları olan döteryum (bir nötronlu) ve trityumdur (iki nötronlu). Döteryum sudan kolayca üretilebilirken, trityum üretimi daha zordur ve trityum kararlı değildir. Ancak ilginç bir şekilde, döteryumun lityumla birleştirilmesiyle elde edilen lityum döterit, son derece kararlıdır. Lityum döterit nötron bombardımanına tutulursa trityum oluşur; yani yakıtın bir kısmı kullanılarak diğer kısmı üretilebilir.

Termonükleer Yıkımın Üç Adımı: Hidrojen Bombası Nasıl Çalışır?

Bir hidrojen bombası, üç adımda patlatılır:

1. Atom Bombasının Tetiklenmesi: İlk olarak, hidrojen bombasının içindeki atom bombasının tetiklenmesi için sıradan bir patlayıcı kullanılır. Modern bombalarda iki parça birbirine doğru ateşlenmez; küresel bir hazne etrafına yerleştirilen patlayıcılarla içerideki yapı içe doğru çökerterek kritik kütleye ulaşılır. Bu patlamayla birlikte atom bombasının fisyonu (Uranyum ve Plütonyum ayrışması) başlar ve ikinci patlama yaşanır.
2. Plazma Ortamının Oluşumu: Atom bombası patlaması sırasında etrafa yüksek enerjili gama ve X-ışınları saçılır. Bombanın atom bombası ve hidrojen bombası kısımları arasında strafor (bildiğiniz plastik köpük) bulunur. Bu köpük, atom bombasından yayılan ısı nedeniyle anında plazmaya dönüşerek füzyon için uygun bir ortam hazırlar. Bu ilk iki adım, sadece 550 nanosaniye (bir saniyenin 550 milyarda biri) gibi kısa bir sürede gerçekleşir.
3. Füzyonun Başlaması ve Zincirleme Etki: Atom bombasından yayılan şok dalgası ses hızını aşamazken, gama ve X-ışınları ışık hızında hareket ettikleri için hidrojen bombası kısmına şok dalgasından daha erken ulaşırlar. Bu önemlidir, çünkü şok dalgası erken ulaşsa bomba parçalanır ve füzyon başlatılamazdı. X-ışınları, hidrojen bombası tarafına ulaştığı anda o hazneyi ısıtmaya başlar ve onu içe doğru çökerterek lityum döteriti 30 kat sıkıştırır. Bu sıkışmadan yayılan basınç dalgaları, hidrojen bombası haznesi içine yerleştirilmiş Plütonyum çubuğuna ulaşarak ikinci bir fisyon reaksiyonu başlatır. Bu çubuk fisyon yaparken etrafa bol miktarda nötron saçar; bu nötronlar, lityum döteritten trityum üretmek için gereklidir. Böylece bol miktarda trityum oluşur ve döteryum da zaten elde olduğu için termonükleer bomba yakıtı nanosaniyeler içinde tamamlanmış olur. Bu noktada, atom bombasından yayılan ısı nedeniyle hazne sıcaklığı bir anda 100 milyon derece seviyesine çıkar. Aşırı yüksek sıcaklıkta döteryum ve trityumun etrafındaki elektronlar atomdan koparak bir elektron denizine dönüşürler, yani döteryum ve trityum plazma haline geçer. Atom çekirdeği etrafında birbirini iten elektronlar olmadan ve on milyonlarca derece sıcaklıkta, bu iki izotop birbirine bir metrenin katrilyonda biri kadar yaklaşabilir ve güçlü nükleer kuvvet devreye girip atomları birbirine kaynaştırır.

Döteryum ve trityumun toplam enerjisi, kaynaşmaları sonucunda oluşan helyumun enerjisinden daha yüksek olduğu için, her iki izotop kaynaştığında aradaki fark enerji olarak etrafa saçılır ve helyum oluşumu sırasında ekstra nötronlar açığa çıkar. Bu nötronlar, silindirik haznenin ortasındaki Plütonyum çubuğuna geri döner. Böylece füzyon sayesinde oluşan nötronlar, daha fazla fisyonu tetikler. Bu fisyon daha fazla nötron üretir, o nötronlar lityum döteritle birleşerek daha fazla trityum oluşturur ve bu trityum daha fazla döteryumla kaynaşarak daha fazla enerji açığa çıkarır. Yani, fisyonla beslenen füzyon, bir saniyenin 50 milyarda birlik kısmında patlayarak bütün düzeneği parçalarına ayırır ve adına bomba denilen bu yıkım aracı bütün ihtişamıyla etrafa megatonlarca enerji saçarak ölüm, yıkım ve acı getirir.

Sonuç: Unutulan Tehlike ve Gelecek

Şu anda dokuz ülkede atom bombası, altı ülkede ise hidrojen bombası bulunuyor. Bu yıkım silahları, savaşın doğasını kökten değiştirdi. Ne yazık ki, dünya genelinde var olan ve gezegeni yüzlerce kez yeryüzünden silebilecek kadar enerji barındıran on binlerce atom bombası, yalnızca iki tanesi kullanılsın diye üretilmedi (Hiroşima ve Nagazaki). İyi olmasına ihtimal vermediğimiz şeylerin olamayacağına inanma hatasına düşmek yerine, bu silahların doğasını ve potansiyel yıkımını anlamak, hepimizin sorumluluğundadır.