Fysiikka

Ydinfissio on reaktio, jossa ydin halkeaa (tai halkeaa). Hallittu fissio on todellisuutta, kun taas hallittu fuusio on tulevaisuuden toive. Sadat ydinfissiovoimalat eri puolilla maailmaa todistavat, että hallittu fissio on käytännöllistä ja ainakin lyhyellä aikavälillä taloudellista, kuten kuvasta 1 nähdään. Ydinvoima ei kiinnostanut vuosikymmeniä TMI:n ja Tšernobylin (ja nyt Fukushima Daiichin) jälkeen, mutta kasvava huoli ilmaston lämpenemisestä on tuonut ydinvoiman takaisin pöydälle toteuttamiskelpoisena energiavaihtoehtona. Vuoden 2009 lopussa 30 maassa oli toiminnassa 442 reaktoria, jotka tuottavat 15 prosenttia maailman sähköstä. Ranska tuottaa yli 75 prosenttia sähköstään ydinvoimalla, ja Yhdysvalloissa on 104 toiminnassa olevaa reaktoria, jotka tuottavat 20 prosenttia sähköstään. Australiassa ja Uudessa-Seelannissa ei ole yhtään. Kiinassa rakennetaan ydinvoimaloita yhden voimalan verran joka kuukausi.

Kuva 1. Tämän ydinvoimalan lähellä asuvilla ihmisillä ei ole mitattavissa olevaa altistumista voimalasta jäljitettävälle säteilylle. Noin 16 % maailman sähköenergiasta tuotetaan kontrolloidulla ydinfissiolla tällaisissa laitoksissa. Jäähdytystornit ovat merkittävin piirre, mutta ne eivät ole ainutlaatuisia ydinvoimassa. Reaktori on tornien vasemmalla puolella olevassa pienessä kupolimaisessa rakennuksessa. (luotto: Kalmthouts)

Fissio on fuusion vastakohta, ja siitä vapautuu energiaa vain raskaiden ytimien jakautuessa. Kuten kohdassa Fuusio todettiin, energiaa vapautuu, jos ydinreaktion tuotteilla on suurempi sidosenergia nukleonia kohti (BE/A) kuin lähtöytimillä. Kuvasta 2 nähdään, että BE/A on suurempi keskiraskaille ytimille kuin raskaille ytimille, mikä tarkoittaa, että kun raskas ydin halkaistaan, tuotteilla on vähemmän massaa nukleonia kohti, joten massa tuhoutuu ja energiaa vapautuu reaktiossa. Energiamäärä fissioreaktiota kohti voi olla suuri, jopa ydinvoiman standardien mukaan. Kuvan 2 kuvaaja osoittaa, että BE/A on noin 7,6 MeV/nukleoni raskaimmille ytimille (A noin 240), kun taas BE/A on noin 8,6 MeV/nukleoni ytimille, joiden A noin 120. Jos raskas ydin halkeaa kahtia, vapautuu siis noin 1 MeV nukleonia kohti eli noin 240 MeV fissiota kohti. Tämä on noin 10-kertainen energia fuusioreaktiota kohti ja noin 100-kertainen energia keskimääräiseen α-, β- tai γ-hajoamiseen verrattuna.

Spontaania fissiota voi tapahtua, mutta se ei yleensä ole tietyn nuklidin yleisin hajoamistapa. Esimerkiksi 238U voi halkeilla spontaanisti, mutta se hajoaa pääasiassa α-emissiolla. Neutronien aiheuttama fissio on ratkaisevan tärkeää, kuten kuvassa 2 nähdään. Koska neutronit ovat varauksettomia, jopa matalaenergiset neutronit voivat osua ytimeen ja absorboitua, kun ne tuntevat vetovoimaisen ydinvoiman. Suuria ytimiä kuvataan nestepisaramallilla, jossa on pintajännitys ja värähtelymoodit, koska suuri määrä nukleoneja käyttäytyy kuin atomit pisarassa. Neutroni vetää puoleensa ja siten tallettaa energiaa, mikä saa ytimen muotoutumaan nestepisaran tavoin. Jos ydintä venytetään tarpeeksi, se kapenee keskeltä. Kosketuksissa olevien nukleonien määrä ja ydintä yhteen sitovan ydinvoiman voimakkuus vähenevät. Kahden pään välinen Coulombin repulsio onnistuu tällöin halkaisemaan ytimen, joka poksahtaa vesipisaran tavoin kahdeksi suureksi kappaleeksi ja muutamaksi neutroniksi. Neutronien aiheuttama fissio voidaan kirjoittaa muodossa

n + AX → FF1 + FF2 + xn,

jossa FF1 ja FF2 ovat kaksi tytärydintä, joita kutsutaan fissiofragmenteiksi, ja x on syntyneiden neutronien lukumäärä. Useimmiten fissiofragmenttien massat eivät ole samat. Suurin osa vapautuvasta energiasta menee fissiofragmenttien liike-energiaksi, ja loput menee neutroneihin ja fragmenttien kiihdytystiloihin. Koska neutronit voivat indusoida fissiota, itseään ylläpitävä ketjureaktio on mahdollinen edellyttäen, että keskimäärin syntyy enemmän kuin yksi neutroni – eli jos x>1 in n + AX → FF1 + FF2 + xn. Tämä voidaan nähdä myös kuvasta 3. Esimerkki tyypillisestä neutronien aiheuttamasta fissioreaktiosta on

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

Huomaa, että tässä yhtälössä kokonaisvaraus pysyy samana (säilyy): 92 + 0 = 56 + 36. Myös kokonaislukujen osalta massa pysyy vakiona: 1 + 235 = 142 + 91 + 3. Tämä ei pidä paikkaansa, kun tarkastelemme massoja 6 tai 7 merkitsevään paikkaan asti, kuten edellisessä esimerkissä.

Kuvio 2. Massat, jotka eivät ole yhtä suuria kuin massat. Kuvassa on esitetty neutronien aiheuttama fissio. Ensin tähän suureen ytimeen laitetaan energiaa, kun se absorboi neutronin. Ydin käyttäytyy kuin lyöty nestepisara, se deformoituu ja alkaa kaventua keskeltä. Koska vähemmän nukleoneja on kosketuksissa toisiinsa, hylkivä Coulombin voima pystyy hajottamaan ytimen kahteen osaan, jolloin myös osa neutroneista lentää pois.

Kuvio 3. Ytimen halkeaminen. Ketjureaktio voi tuottaa itseään ylläpitävää fissiota, jos jokainen fissio tuottaa riittävästi neutroneita vähintään yhden uuden fission aikaansaamiseksi. Tämä riippuu useista tekijöistä, kuten siitä, kuinka monta neutronia syntyy keskimääräisessä fissiossa ja kuinka helppoa on saada tietyn tyyppinen nuklidi fissioitumaan.

Ei jokainen fissiossa syntyvä neutroni saa aikaan fissiota. Jotkut neutronit karkaavat fissiokelpoisesta aineesta, kun taas toiset ovat vuorovaikutuksessa ytimen kanssa saamatta sitä fissioon. Voimme lisätä neutronien tuottamien fissioiden määrää, jos meillä on suuri määrä fissiokelpoista ainetta. Nuklidin kriittiseksi massaksi kutsutaan sitä vähimmäismäärää, joka tarvitaan tietyn nuklidin itseään ylläpitävään halkeamiseen. Jotkin nuklidit, kuten 239Pu, tuottavat enemmän neutroneita fissiota kohti kuin toiset, kuten 235U . Lisäksi jotkin nuklidit on helpompi saada fissioon kuin toiset. Erityisesti 235U ja 239Pu ovat helpommin fissioituvia kuin paljon runsaammin esiintyvä 238U . Molemmat tekijät vaikuttavat kriittiseen massaan, joka on pienin 239Pu:lla.

Syy siihen, että 235U ja 239Pu ovat helpommin fissioituvia kuin 238U, on se, että ydinvoima vetää enemmän puoleensa parillista määrää neutroneita ytimessä kuin paritonta määrää. Tarkastellaan, että {}_{\text{92}}^{\text{235}}{\text{U}}_{\text{143}}\\\\ on 143 neutronia ja {}_{\text{94}}^{\text{239}}{\text{P}}_{\text{145}}\\\ on 145 neutronia, kun taas {}_{{\text{92}}^{{³”teksti{238}}{³”teksti{U}}_{³”teksti{146}}\\\\ \ \ 146. Kun neutroni kohtaa ytimen, jossa on pariton määrä neutroneita, ydinvoima on vetovoimaisempi, koska ylimääräinen neutroni tekee lukumäärästä parillisen. Syntyvään ytimeen sitoutuu noin 2 MeV enemmän energiaa kuin jos neutronien lukumäärä olisi jo ennestään parillinen. Tämä lisäenergia aiheuttaa suuremman muodonmuutoksen, mikä tekee fissiosta todennäköisempää. Näin ollen 235U ja 239Pu ovat parempia fissiopolttoaineita. Isotoopin 235U osuus luonnonuraanista on vain 0,72 prosenttia, kun taas 238U:n osuus on 99,27 prosenttia ja 239Pu:ta ei esiinny luonnossa. Australiassa on maailman suurimmat uraaniesiintymät, 28 prosenttia kaikista uraaniesiintymistä. Sen jälkeen tulevat Kazakstan ja Kanada. Yhdysvalloilla on vain 3 % maailman varannoista.

Useimmissa fissioreaktoreissa käytetään 235U:ta , joka erotetaan 238U:sta jonkin verran. Tätä kutsutaan rikastamiseksi. Yleisin erotusmenetelmä on uraaniheksafluoridin (UF6) kaasudiffuusio kalvojen läpi. Koska 235U:lla on pienempi massa kuin 238U:lla, sen UF6-molekyyleillä on suurempi keskinopeus samassa lämpötilassa ja ne diffundoituvat nopeammin. Toinen 235U:n mielenkiintoinen ominaisuus on se, että se absorboi mieluiten hyvin hitaasti liikkuvia neutroneita (joiden energia on eV:n murto-osa), kun taas fissioreaktiot tuottavat nopeita neutroneita, joiden energia on MeV:n luokkaa. Jotta 235U:lla voitaisiin tehdä itseään ylläpitävä fissioreaktori, neutronit on siis hidastettava (”termalisoitava”). Vesi on erittäin tehokas keino, koska neutronit törmäävät vesimolekyylien protoneihin ja menettävät energiaa. Kuvassa 4 on kaaviokuva eräästä reaktorirakenteesta, jota kutsutaan painevesireaktoriksi.

Kuva 4. Painevesireaktori on älykkäästi suunniteltu hallitsemaan suurten 235U-määrien fissiota ja samalla käyttämään fissioreaktiossa syntyvää lämpöä höyryn tuottamiseen sähköenergian tuottamiseksi. Säätösauvat säätävät neutronivirtaa niin, että kriittisyys saavutetaan, mutta sitä ei ylitetä. Jos reaktori ylikuumenee ja vesi kiehuu pois, ketjureaktio päättyy, koska vettä tarvitaan neutronien lämmittämiseen. Tämä luontainen turvaominaisuus voi ylittyä äärimmäisissä olosuhteissa.

Säätösauvoja, jotka sisältävät hyvin voimakkaasti neutroneita absorboivia nuklideja, käytetään neutronivirran säätämiseen. Suuren tehon tuottamiseksi reaktorit sisältävät satoja tai tuhansia kriittisiä massoja, ja ketjureaktiosta tulee helposti itseään ylläpitävä, mitä kutsutaan kriittisyydeksi. Neutronivirtaa on säädeltävä huolellisesti, jotta vältetään fissioiden eksponentiaalinen lisääntyminen, jota kutsutaan ylikriittisyydeksi. Säätösauvat auttavat estämään ylikuumenemisen, ehkä jopa sulamisen tai räjähdysmäisen purkamisen. Vesi, jota käytetään neutronien termalisoimiseen, mikä on välttämätöntä, jotta ne saadaan aikaan fissiota 235U:ssa ja saavutetaan kriittisyys, antaa negatiivisen palautteen lämpötilan nousulle. Jos reaktori ylikuumenee ja vesi kiehuu höyryksi tai rikkoutuu, veden puuttuminen lopettaa ketjureaktion. Reaktorin radioaktiiviset fissiotuotteet voivat kuitenkin edelleen tuottaa huomattavaa lämpöä. Jäähdytysnesteen häviämisonnettomuuden varalta on siis otettava käyttöön muita turvaominaisuuksia, kuten ylimääräinen jäähdytysvesi ja pumput.

Yksi jo mainittu nuklidi on 239Pu, jonka puoliintumisaika on 24 120 y eikä sitä esiinny luonnossa. Plutonium-239 valmistetaan reaktoreissa 238U:sta, ja se tarjoaa mahdollisuuden hyödyntää loput 99 % luonnonuraanista energialähteenä. Seuraavassa reaktiosekvenssissä, jota kutsutaan jalostukseksi, tuotetaan 239Pu:ta. Jalostus alkaa 238U:n neutronikaappauksella :

Uraani-239 hajoaa sen jälkeen β-:

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

Neptunium-239 myös β- hajoaa:

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

Plutonium-239 kertyy reaktoripolttoaineeseen nopeudella, joka riippuu 238U:n neutronisieppaustodennäköisyydestä (kaikki reaktoripolttoaine sisältää enemmän 238U:ta kuin 235U:ta). Erityisesti plutoniumin valmistukseen suunniteltuja reaktoreita kutsutaan kasvatusreaktoreiksi. Ne näyttävät olevan luonnostaan vaarallisempia kuin tavanomaiset reaktorit, mutta vielä ei tiedetä, voidaanko niiden vaaroista tehdä taloudellisesti hyväksyttäviä. Tšernobylin neljä reaktoria, joista yksi tuhoutui, rakennettiin plutoniumin jalostamiseen ja sähköntuotantoon. Näiden reaktoreiden rakenne poikkesi merkittävästi edellä kuvatusta painevesireaktorista. Plutonium-239:llä on 235U:hun verrattuna etuja reaktoripolttoaineena: se tuottaa keskimäärin enemmän neutroneita yhtä fissiota kohti, ja termisen neutronin on helpompi saada se fissioitumaan. Se eroaa myös kemiallisesti uraanista, joten se on luonnostaan helpompi erottaa uraanimalmista. Tämä tarkoittaa, että 239Pu:lla on erityisen pieni kriittinen massa, mikä on etu ydinaseissa.

PhET Explorations: Ydinfissio

Ketjureaktion käynnistäminen tai ei-radioaktiivisten isotooppien käyttöönotto sen estämiseksi. Hallitse energiantuotantoa ydinreaktorissa!

Klikkaa ladataksesi simulaation. Suorita Java-ohjelmalla.

Yhteenveto

• Ydinfissio on reaktio, jossa ydin halkeaa.
• Fissiossa vapautuu energiaa, kun raskaat ytimet halkeavat keskiraskaiksi ytimiksi.
• Self-sustained fissio on mahdollista, koska neutronien aiheuttama fissio tuottaa myös neutroneja, jotka voivat aiheuttaa muita fissioita, n + AX → FF1 + FF2 + xn, missä FF1 ja FF2 ovat kaksi tytärydintä eli fissiofragmenttia ja x on tuotettujen neutronien määrä.
• Kriittisen massan saavuttamiseksi tulisi olla vähimmäismassa, jota kutsutaan kriittiseksi massaksi.
• Kriittistä massaa suurempi massa voi tuottaa ylikriittisyyden.
• Uusien tai erilaisten isotooppien (erityisesti 239Pu) tuottamista ydinmuunnoksella kutsutaan jalostukseksi, ja tähän tarkoitukseen suunniteltuja reaktoreita kutsutaan jalostusreaktoreiksi.