Fysik

Kernefission er en reaktion, hvor en kerne spaltes (eller spaltes). Kontrolleret fission er en realitet, mens kontrolleret fusion er et håb for fremtiden. Hundredvis af kernefissionskraftværker rundt om i verden vidner om, at kontrolleret fission er praktisk og, i det mindste på kort sigt, økonomisk rentabelt, som det fremgår af figur 1. Mens atomkraft var af ringe interesse i årtier efter TMI og Tjernobyl (og nu Fukushima Daiichi), har den voksende bekymring over den globale opvarmning bragt atomkraft tilbage på bordet som et levedygtigt energialternativ. Ved udgangen af 2009 var der 442 reaktorer i drift i 30 lande, som leverede 15 % af verdens elektricitet. Frankrig leverer over 75 % af sin elektricitet med kernekraft, mens USA har 104 reaktorer i drift, der leverer 20 % af sin elektricitet. Australien og New Zealand har ingen. Kina bygger atomkraftværker med en hastighed på en start hver måned.

Figur 1. De mennesker, der bor i nærheden af dette atomkraftværk, har ingen målbar eksponering for stråling, der kan spores til værket. Omkring 16 % af verdens elektriske energi produceres ved kontrolleret kernefission i sådanne anlæg. Køletårnene er de mest fremtrædende elementer, men de er ikke enestående for kernekraft. Reaktoren befinder sig i den lille kuppelformede bygning til venstre for tårnene. (credit: Kalmthouts)

Fission er det modsatte af fusion og frigiver kun energi, når tunge kerner spaltes. Som nævnt i Fusion frigives der energi, hvis produkterne af en kernereaktion har en større bindingsenergi pr. nukleon (BE/A) end moderkernerne. Figur 2 viser, at BE/A er større for kerner med middelstor masse end for tunge kerner, hvilket betyder, at når en tung kerne spaltes, har produkterne mindre masse pr. nukleon, så denne masse ødelægges, og der frigives energi i reaktionen. Energimængden pr. spaltningsreaktion kan være stor, selv efter nukleare standarder. Grafen i figur 2 viser, at BE/A er ca. 7,6 MeV/nucleon for de tungeste kerner (A ca. 240), mens BE/A er ca. 8,6 MeV/nucleon for kerner med A ca. 120. Hvis en tung kerne spaltes i to, frigøres der således ca. 1 MeV pr. nukleon eller ca. 240 MeV pr. spaltning. Dette er ca. 10 gange energien pr. fusionsreaktion og ca. 100 gange energien fra det gennemsnitlige α-, β- eller γ-henfald.

Spontan fission kan forekomme, men det er normalt ikke den mest almindelige henfaldsform for en given nuklid. For eksempel kan 238U spontant fissionere, men det henfalder mest ved α-emission. Neutroninduceret fission er afgørende, som det fremgår af figur 2. Da neutroner er ladningsløse, kan selv neutroner med lav energi ramme en kerne og blive absorberet, når de mærker den tiltrækkende kernekraft. Store kerner beskrives ved hjælp af en væskedråbe-model med overfladespænding og svingningsmodes, fordi det store antal nukleoner opfører sig som atomer i en dråbe. Neutronen tiltrækkes og afsætter således energi, hvilket får kernen til at deformere sig som en flydende dråbe. Hvis kernen strækkes tilstrækkeligt, bliver den smallere i midten. Antallet af nukleoner i kontakt og styrken af den kernekraft, der binder kernen sammen, bliver mindre. Coulomb-afstødning mellem de to ender lykkes derefter med at spalte kernen, der som en vanddråbe springer i to store stykker og et par neutroner. Neutroninduceret fission kan skrives som

n + AX → FF1 + FF2 + xn,

hvor FF1 og FF2 er de to datterkerner, kaldet spaltningsfragmenter, og x er antallet af producerede neutroner. Oftest er masserne af fissionsfragmenterne ikke ens. Det meste af den frigjorte energi går til kinetisk energi i fissionsfragmenterne, mens resten går til neutronerne og fragmenternes exciterede tilstande. Da neutroner kan fremkalde spaltning, er en selvbærende kædereaktion mulig, forudsat at der i gennemsnit produceres mere end én neutron – dvs. hvis x>1 i n + AX → FF1 + FF2 + xn. Dette kan også ses i figur 3. Et eksempel på en typisk neutroninduceret spaltningsreaktion er

n+{}_{}_{\text{92}}^{\text{235}}\text{U}\til {}_{\text{56}}}^{\text{142}}}\text{Ba}+{}_{{\text{36}}^{\text{91}}}\text{Kr}+3\text{n}\\\.

Bemærk, at i denne ligning forbliver den samlede ladning den samme (er bevaret): 92 + 0 = 56 + 36. For så vidt angår hele tal, er massen også konstant: 1 + 235 = 142 + 91 + 3. Dette er ikke tilfældet, når vi betragter masserne ud til 6 eller 7 betydende steder, som i det foregående eksempel.

Figur 2. Neutroninduceret fission er vist. Først tilføres der energi til denne store kerne, når den absorberer en neutron. Ved at opføre sig som en ramt væskedråbe deformeres kernen og begynder at blive smallere i midten. Da færre nukleoner er i kontakt, er den frastødende Coulombkraft i stand til at bryde kernen i to dele, idet nogle neutroner også flyver væk.

Figur 3. En kædereaktion kan producere selvbærende fission, hvis hver fission producerer nok neutroner til at fremkalde mindst én yderligere fission. Dette afhænger af flere faktorer, herunder hvor mange neutroner der produceres i en gennemsnitlig fission, og hvor let det er at få en bestemt type nuklid til at fissionere.

Det er ikke alle neutroner, der produceres ved fission, der inducerer en fission. Nogle neutroner undslipper det spaltbare materiale, mens andre vekselvirker med en kerne uden at få den til at spalte. Vi kan øge antallet af fissioner, der produceres af neutroner, ved at have en stor mængde spaltbart materiale. Den minimumsmængde, der er nødvendig for selvbærende spaltning af en given nuklid, kaldes dens kritiske masse. Nogle nuklider, f.eks. 239Pu, producerer flere neutroner pr. fission end andre, f.eks. 235U . Desuden er det lettere at få nogle nuklider til at fissionere end andre. Især 235U og 239Pu, er lettere at fissionere end det langt hyppigere 238U . Begge faktorer påvirker den kritiske masse, som er mindst for 239Pu.

Forklaringen på, at 235U og 239Pu er lettere at fissionere end 238U, er, at atomkraften er mere tiltrækkende for et lige antal neutroner i en kerne end for et ulige antal. Overvej, at {}_{{\text{92}}}^{\text{235}}{{\text{U}}_{{text{143}}}\\\ har 143 neutroner, og {}_{{\text{94}}}^{{\text{239}}}{\text{P}}_{\text{145}}}\\ har 145 neutroner, mens {}_{{{text{92}}}^{{{{text{238}}{{\text{U}}_{{text{146}}}\ har 146. Når en neutron møder en kerne med et ulige antal neutroner, er kernekraften mere tiltrækkende, fordi den ekstra neutron vil gøre antallet lige. Der deponeres ca. 2 MeV mere energi i den resulterende kerne, end hvis antallet af neutroner allerede var lige. Denne ekstra energi giver større deformation, hvilket gør spaltning mere sandsynlig. 235U og 239Pu er således overlegne spaltningsbrændstoffer. Isotopen 235U udgør kun 0,72 % af naturligt uran, mens 238U udgør 99,27 %, og 239Pu findes ikke i naturen. Australien har de største uranforekomster i verden, idet de udgør 28 % af de samlede uranforekomster. Herefter følger Kasakhstan og Canada. USA har kun 3 % af de globale reserver.

De fleste fissionsreaktorer anvender 235U , som adskilles fra 238U med en vis bekostning. Dette kaldes berigning. Den mest almindelige separationsmetode er gasdiffusion af uranhexafluorid (UF6) gennem membraner. Da 235U har mindre masse end 238U , har dets UF6-molekyler en højere gennemsnitshastighed ved samme temperatur og diffunderer hurtigere. En anden interessant egenskab ved 235U er, at det fortrinsvis absorberer meget langsomt bevægende neutroner (med energier på en brøkdel af en eV), hvorimod spaltningsreaktioner producerer hurtige neutroner med energier i størrelsesordenen en MeV. For at lave en selvbærende fissionsreaktor med 235U er det derfor nødvendigt at bremse (“termalisere”) neutronerne. Vand er meget effektivt, da neutronerne kolliderer med protoner i vandmolekylerne og mister energi. Figur 4 viser en skematisk fremstilling af en reaktorkonstruktion, den såkaldte trykvandsreaktor.

Figur 4. En trykvandsreaktor er snedigt konstrueret til at kontrollere spaltningen af store mængder 235U , samtidig med at den bruger den varme, der produceres i spaltningsreaktionen, til at skabe damp til produktion af elektrisk energi. Kontrolstavene justerer neutronstrømmen, således at kriticitet opnås, men ikke overskrides. Hvis reaktoren overophedes og vandet koger væk, afsluttes kædereaktionen, fordi der er brug for vand til at termalisere neutronerne. Denne iboende sikkerhedsfunktion kan overvældes under ekstreme omstændigheder.

Kontrolstænger, der indeholder nuklider, som meget kraftigt absorberer neutroner, anvendes til at justere neutronstrømmen. For at producere stor effekt indeholder reaktorer hundreder til tusinder af kritiske masser, og kædereaktionen bliver let selvbærende, en tilstand, der kaldes kritikalitet. Neutronstrømmen skal reguleres omhyggeligt for at undgå en eksponentiel stigning i antallet af spaltninger, en tilstand, der kaldes superkriticitet. Kontrolstænger hjælper med at forhindre overophedning, måske endda en nedsmeltning eller eksplosiv demontering. Det vand, der bruges til at termalisere neutronerne, hvilket er nødvendigt for at få dem til at fremkalde fission i 235U og opnå kriticitet, giver en negativ feedback for temperaturstigninger. Hvis reaktoren overophedes og koger vandet til damp eller bliver brudt, dræber fraværet af vand kædereaktionen. Der kan dog stadig udvikles en betydelig varme fra reaktorens radioaktive fissionsprodukter. Der skal derfor indbygges andre sikkerhedsfunktioner i tilfælde af en ulykke med tab af kølemiddel, herunder hjælpekølevand og -pumper.

En nuklid, der allerede er nævnt, er 239Pu, som har en halveringstid på 24.120 år og ikke findes i naturen. Plutonium-239 fremstilles af 238U i reaktorer, og det giver mulighed for at udnytte de øvrige 99 % af naturligt uran som energikilde. Følgende reaktionssekvens, kaldet brygning, producerer 239Pu. Avl begynder med neutronindfangning af 238U :

Uranium-239 henfalder derefter β-:

239U → 239Np + β- + ve(t1/2 = 23 min).

Neptunium-239 henfalder også β-:

239Np → 239Pu + β- + ve(t1/2 = 2,4 d).

Plutonium-239 ophobes i reaktorbrændsel med en hastighed, der afhænger af sandsynligheden for neutronindfangning af 238U (alt reaktorbrændsel indeholder mere 238U end 235U). Reaktorer, der er konstrueret specielt til at fremstille plutonium, kaldes bryggerreaktorer. De synes i sagens natur at være mere farlige end konventionelle reaktorer, men det er stadig uvist, om deres farer kan gøres økonomisk acceptable. De fire reaktorer i Tjernobyl, herunder den reaktor, der blev ødelagt, blev bygget til at fremavle plutonium og producere elektricitet. Disse reaktorer havde et design, der var væsentligt forskelligt fra den ovenfor beskrevne trykvandsreaktor. Plutonium-239 har fordele i forhold til 235U som reaktorbrændsel – det producerer i gennemsnit flere neutroner pr. spaltning, og det er lettere for en termisk neutron at få det til at spalte. Det er også kemisk forskelligt fra uran, så det er i sagens natur lettere at udskille fra uranmalm. Det betyder, at 239Pu har en særlig lille kritisk masse, hvilket er en fordel for kernevåben.

PhET Explorations: Kernespaltning

Start en kædereaktion, eller indfør ikke-radioaktive isotoper for at forhindre en. Styr energiproduktionen i en atomreaktor!

Klik for at downloade simuleringen. Kør ved hjælp af Java.

Sammenfatning af afsnittet

• Kernefission er en reaktion, hvor en kerne spaltes.
• Kernefission frigiver energi, når tunge kerner spaltes til kerner med middelstor masse.
• Selvstændig fission er mulig, fordi neutroninduceret fission også producerer neutroner, der kan inducere andre fissioner, n + AX → FF1 + FF2 + xn, hvor FF1 og FF2 er de to datterkerner, eller fissionsfragmenter, og x er antallet af producerede neutroner.
• En minimumsmasse, kaldet den kritiske masse, skal være til stede for at opnå kriticitet.
• Mere end en kritisk masse kan give superkriticitet.
• Produktionen af nye eller forskellige isotoper (især 239Pu) ved kerneomdannelse kaldes avl, og reaktorer, der er konstrueret til dette formål, kaldes avlsreaktorer.