Fysik

Kärnklyvning är en reaktion där en atomkärna splittras (eller spricker). Kontrollerad fission är en realitet, medan kontrollerad fusion är ett hopp för framtiden. Hundratals kärnklyvningskraftverk runt om i världen vittnar om att kontrollerad klyvning är praktiskt genomförbart och, åtminstone på kort sikt, ekonomiskt försvarbart, vilket framgår av figur 1. Kärnkraften var av ringa intresse i årtionden efter TMI och Tjernobyl (och nu Fukushima Daiichi), men den ökande oron för den globala uppvärmningen har fått kärnkraften att återigen komma upp på bordet som ett livskraftigt energialternativ. I slutet av 2009 fanns det 442 reaktorer i drift i 30 länder som stod för 15 % av världens elproduktion. Frankrike levererar över 75 % av sin el med kärnkraft, medan USA har 104 reaktorer i drift som levererar 20 % av sin el. Australien och Nya Zeeland har inga. Kina bygger kärnkraftverk i takt med att ett startas varje månad.

Figur 1. De människor som bor i närheten av detta kärnkraftverk har ingen mätbar exponering för strålning som kan spåras till kärnkraftverket. Ungefär 16 % av världens elkraft produceras genom kontrollerad kärnklyvning i sådana kraftverk. Kyltornen är de mest framträdande dragen, men de är inte unika för kärnkraft. Reaktorn finns i den lilla kupolformade byggnaden till vänster om tornen. (kredit: Kalmthouts)

Fission är motsatsen till fusion och frigör energi endast när tunga kärnor delas. Som framgår av Fusion frigörs energi om produkterna av en kärnreaktion har en större bindningsenergi per nukleon (BE/A) än moderkärnorna. Figur 2 visar att BE/A är större för kärnor med medelhög massa än för tunga kärnor, vilket innebär att när en tung kärna splittras har produkterna mindre massa per nukleon, så att massan förstörs och energi frigörs i reaktionen. Energimängden per klyvningsreaktion kan vara stor, även med kärntekniska mått mätt. Diagrammet i figur 2 visar att BE/A är cirka 7,6 MeV/nucleon för de tyngsta atomkärnorna (A cirka 240), medan BE/A är cirka 8,6 MeV/nucleon för atomkärnor med A cirka 120. Om en tung kärna delas på mitten frigörs alltså cirka 1 MeV per nukleon, eller cirka 240 MeV per klyvning. Detta är ungefär 10 gånger energin per fusionsreaktion och ungefär 100 gånger energin från det genomsnittliga α-, β- eller γ-sönderfallet.

Spontan fission kan förekomma, men detta är vanligtvis inte det vanligaste sönderfallssättet för en viss nuklid. Till exempel kan 238U spontant klyvas, men det sönderfaller oftast genom α-emission. Neutroninducerad klyvning är avgörande, vilket framgår av figur 2. Eftersom de är laddningslösa kan även neutroner med låg energi träffa en kärna och absorberas när de känner den attraktiva kärnkraften. Stora kärnor beskrivs av en modell för flytande droppar med ytspänning och oscillationslägen, eftersom det stora antalet nukleoner agerar som atomer i en droppe. Neutronen attraheras och deponerar därmed energi, vilket gör att kärnan deformeras som en vätskedroppe. Om kärnan sträcks tillräckligt mycket smalnar den av i mitten. Antalet nukleoner i kontakt och styrkan hos den kärnkraft som binder ihop kärnan minskar. Coulombavstötning mellan de två ändarna lyckas då klyva kärnan, som sprängs som en vattendroppe i två stora bitar och några neutroner. Neutroninducerad klyvning kan skrivas som

n + AX → FF1 + FF2 + xn,

där FF1 och FF2 är de två dotterkärnorna, så kallade klyvningsfragment, och x är antalet producerade neutroner. Oftast är massorna hos fissionsfragmenten inte lika stora. Det mesta av den frigjorda energin går till kinetisk energi hos fissionsfragmenten, medan resten går till neutroner och exciterade tillstånd hos fragmenten. Eftersom neutroner kan inducera klyvning är en självunderhållande kedjereaktion möjlig, förutsatt att mer än en neutron produceras i genomsnitt – det vill säga om x>1 i n + AX → FF1 + FF2 + xn. Detta kan också ses i figur 3. Ett exempel på en typisk neutroninducerad klyvningsreaktion är

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

Bemärk att i denna ekvation förblir den totala laddningen densamma (bevaras): 92 + 0 = 56 + 36. När det gäller hela tal är också massan konstant: 1 + 235 = 142 + 91 + 3. Detta är inte sant när vi betraktar massorna med 6 eller 7 signifikanta ställen, som i det föregående exemplet.

Figur 2. Neutroninducerad klyvning visas. Först tillförs energi till denna stora kärna när den absorberar en neutron. Genom att agera som en träffad vätskedroppe deformeras kärnan och börjar smalna av i mitten. Eftersom färre nukleoner är i kontakt kan den repulsiva Coulombkraften bryta kärnan i två delar där även några neutroner flyger iväg.

Figur 3. En kedjereaktion kan ge upphov till självunderhållande klyvning om varje klyvning ger upphov till tillräckligt många neutroner för att inducera ytterligare minst en klyvning. Detta beror på flera faktorer, bland annat hur många neutroner som produceras i en genomsnittlig fission och hur lätt det är att få en viss typ av nuklid att fissionera.

Inte varje neutron som produceras av en fission inducerar en fission. Vissa neutroner flyr från det klyvbara materialet, medan andra interagerar med en kärna utan att få den att klyvas. Vi kan öka antalet fissioner som produceras av neutroner genom att ha en stor mängd fissionerbart material. Den minsta mängd som krävs för självunderhållande klyvning av en viss nuklid kallas dess kritiska massa. Vissa nuklider, t.ex. 239Pu, producerar fler neutroner per klyvning än andra, t.ex. 235U . Dessutom är vissa nuklider lättare att få till klyvning än andra. I synnerhet 235U och 239Pu, är lättare att klyva än den mycket rikligare 238U . Båda faktorerna påverkar den kritiska massan, som är minst för 239Pu.

Anledningen till att 235U och 239Pu är lättare att klyva än 238U är att kärnkraften är mer tilldragande för ett jämnt antal neutroner i en atomkärna än för ett udda antal. Betänk att {}_{\text{92}}^{\text{235}}{\text{U}}_{\text{143}}}\\\ har 143 neutroner, och {}_{\text{94}}^{\text{239}}{\text{P}}_{\text{145}}}\\ har 145 neutroner, medan {}_{\text{92}}^{\text{238}}{\text{U}}_{\text{146}}}\\ har 146. När en neutron möter en kärna med ett udda antal neutroner är kärnkraften mer attraktiv, eftersom den extra neutronen gör att antalet neutroner blir jämnt. Omkring 2 MeV mer energi deponeras i den resulterande kärnan än vad som skulle vara fallet om antalet neutroner redan var jämnt. Denna extra energi ger upphov till en större deformation, vilket gör klyvning mer sannolik. 235U och 239Pu är således överlägsna fissionsbränslen. Isotopen 235U utgör endast 0,72 % av naturligt uran, medan 238U utgör 99,27 % och 239Pu inte förekommer i naturen. Australien har de största uranförekomsterna i världen och står för 28 % av de totala uranförekomsterna. Därefter följer Kazakstan och Kanada. USA har endast 3 % av de globala reserverna.

De flesta fissionsreaktorer använder 235U , som separeras från 238U till en viss kostnad. Detta kallas anrikning. Den vanligaste separationsmetoden är gasdiffusion av uranhexafluorid (UF6) genom membran. Eftersom 235U har mindre massa än 238U har dess UF6-molekyler högre genomsnittshastighet vid samma temperatur och diffunderar snabbare. En annan intressant egenskap hos 235U är att det företrädesvis absorberar mycket långsamma neutroner (med energier på en bråkdel av en eV), medan klyvningsreaktioner producerar snabba neutroner med energier i storleksordningen en MeV. För att göra en självförsörjande klyvningsreaktor med 235U är det därför nödvändigt att bromsa (”termalisera”) neutronerna. Vatten är mycket effektivt, eftersom neutroner kolliderar med protoner i vattenmolekyler och förlorar energi. Figur 4 visar en schematisk bild av en reaktorkonstruktion, kallad tryckvattenreaktor.

Figur 4. En tryckvattenreaktor är smart utformad för att kontrollera klyvningen av stora mängder 235U , samtidigt som den värme som produceras i klyvningsreaktionen används för att skapa ånga för att generera elektrisk energi. Kontrollstängerna justerar neutronflödet så att kriticitet uppnås, men inte överskrids. Om reaktorn överhettas och vattnet kokar bort, avslutas kedjereaktionen, eftersom vatten behövs för att termalisera neutronerna. Denna inneboende säkerhetsfunktion kan överväldigas under extrema omständigheter.

Kontrollstavar som innehåller nuklider som mycket starkt absorberar neutroner används för att justera neutronflödet. För att producera stor effekt innehåller reaktorer hundratals till tusentals kritiska massor, och kedjereaktionen blir lätt självunderhållande, ett tillstånd som kallas kriticitet. Neutronflödet bör regleras noggrant för att undvika en exponentiell ökning av fissioner, ett tillstånd som kallas superkriticitet. Kontrollstavar hjälper till att förhindra överhettning, kanske till och med en härdsmälta eller explosiv nedmontering. Det vatten som används för att termalisera neutroner, vilket är nödvändigt för att få dem att inducera fission i 235U och uppnå kriticitet, ger en negativ återkoppling för temperaturökningar. Om reaktorn överhettas och vattnet kokar till ånga eller bryts sönder, dödar avsaknaden av vatten kedjereaktionen. Betydande värme kan dock fortfarande genereras av reaktorns radioaktiva klyvningsprodukter. Andra säkerhetsfunktioner måste därför införlivas i händelse av en olycka med förlust av kylvätska, inklusive extra kylvatten och pumpar.

En nuklid som redan har nämnts är 239Pu, som har en halveringstid på 24 120 år och som inte finns i naturen. Plutonium-239 tillverkas av 238U i reaktorer, och det ger en möjlighet att utnyttja de övriga 99 % av naturligt uran som energikälla. Följande reaktionssekvens, som kallas brytning, producerar 239Pu. Odlingen börjar med neutroninfångning av 238U :

Uranium-239 sönderfaller sedan β-:

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

Neptunium-239 sönderfaller också β-:

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

Plutonium-239 byggs upp i reaktorbränsle med en hastighet som beror på sannolikheten för neutroninfångning av 238U (allt reaktorbränsle innehåller mer 238U än 235U). Reaktorer som är särskilt konstruerade för att framställa plutonium kallas för bridreaktorer. De verkar i sig vara farligare än konventionella reaktorer, men det är fortfarande okänt om deras faror kan göras ekonomiskt acceptabla. De fyra reaktorerna i Tjernobyl, inklusive den som förstördes, byggdes för att framställa plutonium och producera elektricitet. Dessa reaktorer hade en konstruktion som skilde sig avsevärt från den tryckvattenreaktor som illustreras ovan. Plutonium-239 har fördelar jämfört med 235U som reaktorbränsle – det producerar i genomsnitt fler neutroner per klyvning och det är lättare för en termisk neutron att få det att klyvas. Det skiljer sig också kemiskt från uran, så det är i sig lättare att separera från uranmalm. Detta innebär att 239Pu har en särskilt liten kritisk massa, vilket är en fördel för kärnvapen.

PhET Explorations: Kärnklyvning

Starta en kedjereaktion eller introducera icke-radioaktiva isotoper för att förhindra en sådan. Kontrollera energiproduktionen i en kärnreaktor!

Klicka för att ladda ner simuleringen. Körs med Java.

Avsnittssammanfattning

• Kärnklyvning är en reaktion där en atomkärna splittras.
• Kärnklyvning frigör energi när tunga atomkärnor splittras till atomkärnor med medelhög massa.
• Självständig klyvning är möjlig, eftersom neutroninducerad klyvning också producerar neutroner som kan inducera andra klyvningar, n + AX → FF1 + FF2 + xn, där FF1 och FF2 är de två dotterkärnorna, eller klyvningsfragmenten, och x är antalet producerade neutroner.
• En minimimassa, kallad kritisk massa, bör finnas för att uppnå kriticitet.
• Mer än en kritisk massa kan ge superkriticitet.
• Produktionen av nya eller olika isotoper (särskilt 239Pu) genom kärnomvandling kallas för förädling, och reaktorer som är konstruerade för detta ändamål kallas för förädlingsreaktorer.

.