Välkommen till Resurscentrums frågelåda!

 

Vill du ha ett snabbt svar - sök i databasen: Anpassad Google-sökning
(tips för sökningen).
Använd diskussionsforum om du vill diskutera något.
Senaste frågorna. Veckans fråga.

15 frågor/svar hittade

Materiens innersta-Atomer-Kärnor [18606]

Fråga:
Hej jag har ganska många frågor.

1.En kärna av uran-235 träffas av en neutron. En fission inträffar. efter den har urankärna och neutronen bildat två nya atomkärnor och två fria neutroner. Den ena nya kärna är cesium-137. vilken är den andra?

2. De två atomkärnor 2H och 3H, slås samman.
a. vilket ämne är det före sammanslagningen?
b. efter kärnreaktionen finns en fri neutron och en atomkärna. Hur kan denna skrivas?
c. Vilket ämne är det alltså?
/Sara a, Runby, UpplandsVäsby

Svar:
1 Antalet protoner/neutroner före och efter fissionen bevaras:

protoner:
före 92 (atomnumret för U)
efter 55 (atomnumret för Cs)
differens 92-55=37 vilket är Rb

neutroner:
före (1+235-92)=144
efter (137-55)+2=84
differens 60

masstalet för den andra slutkärnan (37+60)=97

den andra slutkärnan är alltså Rb-97

2 a Båda kärnorna är väte (H)
b 2H + 3H -> 4He + n
c Helium bildas. Detta är den mest lovande fusionsreaktionen.
/Peter E

Nyckelord: fission [15]; fusion [15];

*

Materiens innersta-Atomer-Kärnor [18153]

Fråga:
Vi har precis kommit igång med atom och kärnkraft i årskurs 9 och pratade om fission idag. Frågan kom från en elev och jag kunde inte ge något svar som jag själv blev nöjd med.

Varifrån kommer den första neutronen in i kedjereaktionen ifrån?

Jag har alltid tänkt att det är ett planerat sönderfall av något ämne och en sökning gav svaret att det är en partikelaccelerator som också kan sätta fart på fissionen. Stämmer detta?

Finns det något relativt enkelt sätt att förklara en partikelaccelerator för en vetgirig åk 9?
/Petri M, Mariefreds skola, Mariefred

Svar:
Det finns alltid lite neutroner i en kärnreaktor eftersom både U-235 och U-238 har en liten sannolikhet att sönderfalla genom spontan fission, se fråga 16986 .

Även om en reaktor skulle kunna startas med neutronerna från spontan fission så använder man speciella strålkällor för neutroner. Speciellt för kärnvapen där det är viktigt att kedjereaktionen startar i exakt rätt ögonblick måste man ha en neutronkälla i form av en mycket kompakt accelerator som producerar neutroner med en kärnreaktion.

I en reaktor använder man normalt radioaktiva neutronkällor som Cf-252 (spontan fission) eller alfa-strålare+beryllium som utnyttjar reaktionen mellan en alfapartikel från alfasönderfall med beryllium:

a + 9Be --> 3a + n

Se vidare Startup_neutron_source och Neutron_source .

Det skulle föra för långt att beskriva olika typer av partikelacceleratorer. Particle_accelerator är en bra utgångspunkt. De enklaste, och äldsta, är elektrostatiska acceleratorer som i princip består av en jonkälla för positiva joner, ett evakuerat accelerationsrör och ett spänningsfall till jord, se nedanstående bild från Wikimedia Commons.



/Peter E

Nyckelord: kärnenergi [18]; kärnvapen [14]; fission [15]; accelerator [7];

1 http://science.howstuffworks.com/transport/engines-equipment/vdg3.htm

*

Materiens innersta-Atomer-Kärnor [17913]

Fråga:
Hej! Vid radioaktivt sönderfall erhålls energi, som ju värmer upp vattnet i kärnreaktorerna; vi säger att "det frigörs energi som värmer vatten i reaktorn". I vilken form uppenbarar den sig: Är det rörelseenergi hos restpartiklarna, som genom studsar mot andra partiklar får dessa att röra sig fortare(blir hetare) eller är det gammastrålningen som på något vis värmer materian/får den att röra sig fortare? Kort fråga: Hur manifesterar sig energin vid ett kärnsönderfall och hur får vi tag på den?
/Thomas Å, Knivsta

Svar:
Den största delen av de drygt 200 MeV (fråga 14847 ) som varje fission frigör går till rörelseenergi hos fissionsfragmenten. Resten går till beta- och gammastrålning.

En liten del av betasönderfallsenergin går till neutrinos som är förlorade energimässigt.

Det sänds även ut några MeV gammastrålning vid fissionsprocessen ("prompt gammas", till skilldad från fördröjda gamma vid betasönderfallet). Denna process konkurrerar med utsändning av neutroner, se länk 1.

Fissionsfragmenten och strålning bromsas upp av omgivande material som kyls, normalt med vatten. Det varma vattnet (eller ångan) används i turbiner som driver generatorer.
/Peter E

Nyckelord: fission [15];

1 http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0306454900000396

*

Materiens innersta-Atomer-Kärnor [16986]

Fråga:
Varför klyvs vissa atomkärnor men andra inte?
/Veckans fråga

Ursprunglig fråga:
Hej, har en fråga här och undrar lite lätt varför atomkärnan just DELAS vid fission. Det känns lite som om det här fenomenet går emot alla andra sönderdelningar med radioaktivitet och allt vad det heter. Hur kan det komma sig att en neutron, vars hastighet för ändamålet dessutom är låg, kan absorberas av en U-235 kärna (och trots att U-236 är en förhållandevis "stabil" isotop av uran) för att sedan klyva hela kärnan? Svar skulle vara mycket uppskattat :)
/sven a, blackebergs gymnasium, stockholm

Svar:
Sven! Vi måste för det första skilja på spontan fission (som är en typ av radioaktivt sönderfall) och neutroninducerad fission (som är en kärnreaktion).

Neutroninducerad fission är vad som driver en kärnreaktor: en neutron infångas av en U-235 kärna och bildar U-236. Det är korrekt det du säger att U-236 är en relativt stabil kärna (halveringstid på miljontals år, se länk 1). Men U-236 kärnan är inte i sitt grundtillstånd när U-235 just har fångat in en neutron. I länk 1 kan vi se att separationsenergin för en neutron i U-236 är 6545 keV. Det betyder att om en långsam neutron fångas in av en U-235 kärna, så hamnar vi i tillstånd 6545 keV över grundtillståndet i U-236.

Nedanstående figur visar energin som funktion av avståndet mellan två lika delar i urankärnan. Vi ser för det första att grundtillståndet ligger c:a 200 MeV över energin vi har om vi separerar halvorna. Detta är alltså den energi som frigörs i fissionsprocessen. Vi ser också att det omedelbart till höger om grundtillståndet fins en barriär som hindrar fission från grundtillståndet (se emellertid nedan).

Om vi däremot kommer in med tillräckligt hög excitationsenergi till ett tillstånd över fissionsbarriären (markerad U-236) kan fissionen ske utan hinder.

Vi kan även med denna modell förklara varför U-238 inte är klyvbart med långsamma neutroner. Separationsenergin för en neutron för U-239 är 4806 keV, dvs betydligt lägre än för U-236. Följaktligen kommer man i U-239 hamna under fissionsbarriärn, och det är liten sannolikhet för fission.

För Pu-240 är separationsenergin 6533 keV, varför även Pu-239 är klyvbart med termiska neutroner.

Anledningen till denna skillnad på nära 2 MeV i separationsenergi är att U-236 och Pu-240 innehåller ett jämnt antal neutroner medan U-239 innehåller ett udda antal. Den sista neutronen i U-239 saknar då parenergin, som är en extra bindning för ett par av identiska nukleoner.

För tunga kärnor finns det trots fissionsbarriären en viss sannolikhet för fission även från grundtillståndet. Kärnan kan med en liten sannolikhet "tunnla" igenom barriären på liknande sätt som sker för alfasönderfall, se tunneleffekt . Denna process kallas spontan fission.

Se även fråga 14621 , Nuclear_fission och Spontaneous_fission .

/*fa*



/Peter E

Nyckelord: fission [15]; tunneleffekt [3]; kärnreaktion [5];

1 http://nucleardata.nuclear.lu.se/nucleardata/toi/nuclide.asp?iZA=920236
2 http://nucleardata.nuclear.lu.se/database/masses/

*

Materiens innersta-Atomer-Kärnor [16811]

Fråga:
hej:) jag håller på med mitt arbete i No och har fastnat lite, undrar om du kan hjälpa?

1. vilka olika ämnen skulle jag kunna få om en urankärna delade sig?

2. Hur många valenselektroner har Na?

3. varför är det svårt att få två protoner att sitta ihop? varför går det ändå?

4. vad krävs för att en elektron ska hoppa från ett inre skal till ett yttre?
/Jill l, lund

Svar:
Hej Jill! Bra, men ganska avancerade frågor!

1 Nästan alla medeltunga kärnor men utbytet är störst för masstal 90-110 och 130-150. Se nedanstående figur från Wikimedia Commons, Fission_product_yield .

2 Na har en valenselektron eftersom den finns i grupp 1 av det periodiska systemet, se WebElements .

3 Detta reds ut ganska detaljerat i fråga 12810 nedan. Två protoner kan inte bindas. Det som sker vid fusion i stjärnor är att diprotonen betasönderfaller (se bilden i fråga 10658 nedan) och bildar en deuteron.

4 Att det tillförs energi genom en kollision eller en foton.



/Peter E

Se även fråga 12810 och fråga 10658

Nyckelord: fission [15];

*

Materiens innersta-Atomer-Kärnor [16401]

Fråga:
Varför kan man inte använda vilket ämne som helst i ett kärnkraftverk?
/Daniel J, sveaskolan, Centrum

Svar:
Daniel! Idén med ett kärnkraftverk är att producera energi. Man måste alltså använda sig av en reaktion som ger energi. I ett kärnkraftverk använder man sig av fission (kärnklyvning). Som förklaras i fråga 14847 nedan får man energi genom att klyva tunga kärnor, eftersom en tung kärna väger lite mer än två hälften så stora kärnor.

I princip skulle man kunna använda vilken tung kärna som helst - säg tyngre är bly/vismut. Problemet är att klyva kärnorna. Man kan klyva kärnorna med hjälp av snabba neutroner producerade med en accelerator (se fråga 1351 nedan), men i en traditionell reaktor är det bara några få kärnor som kan klyvas av de långsamma (med låg energi) neutronerna som finns. Så för ett traditionellt kärnkraftverk är det nästan bara U-235 som kan användas som bränsle.
/Peter E

Se även fråga 14847 och fråga 1351

Nyckelord: fission [15];

*

Materiens innersta-Atomer-Kärnor [14847]

Fråga:
Vad är skillnaden mellan fission och fusion?
/Veckans fråga

Ursprunglig fråga:
Jag undrar hur jag enkelt förklarar skillnaden mellan fusion och fission för mina mellanstadieelever. Jag fick frågan av en elev som är väldigt intresserad av svaret men resten av klassen kommer sitta som fågelholkar när jag förklarar. Undrar därför om det finns en enkel, kort och koncis förklaring... Jag vill ju att de också ska förstå lite...
/Annica W, Centralskolan, Åtvidaberg

Svar:
Annica! Det är inte så lätt att förklara med mellanstadieelevernas begreppsbild. För full förståelse behöver man t.ex. förstå ett begrepp som bindningsenergi.

Det enklaste svaret är bara beskrivande: fusion är när man slår ihop lätta kärnor och fission är när man klyver tunga kärnor. Båda dessa processer ger energi (värme), så de kan användas t.ex. för att producera elektricitet.

Fissionsenergi är väl etablerat i praktiken i kärnkraftverk. Man klyver urankärnor genom att bombardera dem med neutroner. Eftersom det produceras 2-3 neutroner i varje fissionsprocess, går det att åstadkomma en kedjereaktion som kan underhållas kontinuerligt.

Fusionsenergi är däremot än så länge bara ett framtidshopp. Som en illustration till svårigheterna kan jag berätta att när jag började studera kärnfysik för drygt 30 år sedan så sade man att det kommer att ta 30 år att realisera en energiproducerande fusionsreaktor. I dag är uppskattningen: kanske om 50 år! Detta visar om inget annat hur svårt problemet är.

Anledningen till att kontrollerad fusion är så svår är att man försöker slå ihop två atomkärnor som är positivt laddade. Lika laddningar repellerar varandra, så för att kärnorna skall komma tillräckligt nära varandra så måste de skjutas mot varandra med hög hastighet. Hög hastighet hos atomerna i en gas betyder hög temperatur - flera miljoner grader. Man behöver kunna hålla ihop gasen och hindra den att expandera. Detta kan man göra med magnetfält, men det återstår ännu många problem att lösa. Nästa generation av försöksanläggning ITER, som är ett globalt samarbetsprojekt, kommer att byggas i Frankrike.

Fusion sker i alla stjärnor, inklusive solen, så solenergi och vindenergi är i princip fusionsenergi från en naturlig fusionsreaktor i solens centrum.

Låt oss se om vi kan förstå varför man kan utvinna energi både genom att slå samman lätta kärnor och att klyva tunga kärnor.

Atomkärnan består av positivt laddade protoner (vätekärnor) och neutrala neutroner. Protoner och neutroner kallas med ett gemensamt namn för nukleoner. Antalet nukleoner kallas masstal och betecknas med A. Antal protoner i en kärna kallas atomnummer och betecknas med Z. Det är atomnumret som bestämmer vilket grundämne man har att göra med.

Protonerna repellerar visserligen varandra, men det finns attraherande krafter mellan nukleonerna som är starkare är repulsionen. Nukleonerna kommer därför att bindas samman och ha vad vi kallar en bindningsenergi.

Man kan förstå förvånansvärt mycket av atomkärnors egenskaper genom en mycket enkel modell: vätskedroppsmodellen. Man betraktar atomkärnan som en vätskedroppe - t.ex. en vattendroppe - så att nukleonerna motsvarar vattenmolekyler. Vattenmolekylerna i en vattendroppe binds samman genom krafter mellan närliggande molekyler, dvs den attraktiva kraften har kort räckvidd. Molekylerna i en vattendroppe har också en bindningsenergi - man måste tillföra energi för att "koka bort" molekyler. Se Semi-empirical_mass_formula för mer om vätskedroppsmodellen.

Bindningsenergin per nukleon visas i nedanstående figur. Grovt kan man säga att bindningsenergin för de flesta kärnor är c:a 8-9 MeV per nukleon. För lätta kärnor är bindningsenergin lägre, och den minskar även för mycket tunga kärnor. De mest stabila kärnorna - högst bindningsenergi - finns omkring masstalet 60, dvs järn och nickel.

Den lägre bindningsenergin för lätta kärnor förklaras av att små kärnor har relativt mycket "yta". Nukleonerna på ytan har inga grannar "utåt", så bindningen blir mindre. Det är denna effekt som orsakar ytspänning i en vattendroppe, se ytspänning .

Nedgången i bindningsenergi för tunga kärnor beror på repulsionen mellan protonerna. Coulomb-repulsionen har lång räckvidd till skillnad från attraktionskraften mellan nukleonerna som har kort räckvidd. Detta betyder att bindningen går som masstalet A och repulsionen som Z(Z-1)/2 där Z är kärnladdningen (antal protoner). För kärnor med många protoner kommer därför coulomb-repulsionen att bli större och därmed bindningsenergin att minska.

Låt oss titta lite på energiförhållandena för fission och fusion.

Om vi delar en urankärna med A c:a 240 hamnar vi omkring A=120. Bindningsenergin per nukleon är 7.5 vid A=240 och 8.4 vid A=120 (se figuren nedan). Vi vinner alltså en bindningsenergi på c:a (8.4-7.5)*240=216 MeV. Detta är ett mycket högt värde för en kärnreaktion, och är anledningen till att det går att utvinna så mycket energi genom fission av tunga kärnor.

Kvalitativt kan man även förstå fissionsprocessen med vätskedroppsmodellen: en inkommande neutron sätter urankärnan i svängning. Om deformationen har tillräckligt stor amplitud, kommer coulomb-repulsionen att ta överhanden och kärnan kan delas i två delar.

Den mest effektiva fusionsreaktionen är att slå ihop deuterium med tritium:

d + 3H --> 4He + n

Bindningsenergierna (Nuclear_binding_energy ) för de ingående kärnorna är enligt figuren nedan

2H: 2*1.1=2.2 MeV
3H: 3*2.8=8.4 MeV
4He: 4*7.0=28.0 Mev
n: 0 MeV

Differensen i bindningsenergi blir alltså 28.0-(2.2+8.4)=17.4 MeV. Som synes är anledningen till den stora frigjorda energin att 4He-kärnan (alfapartikeln) är mycket stabil. Detta är det enda man inte kan förstå med den enkla vätskedroppsmodellen - för att förstå detta behöver man kvantmekanik.

Vätskedroppsmodellen kan även förklara vilken kärna för ett giver masstal är stabilast, se Semi-empirical_mass_formula#Examples_for_consequences_of_the_formula . Även massparablerna (fråga 13758 ) förklaras bra av massformeln.

Hoppas du kan använda en något av ovanstående utan alltför mycket fågelholksreaktion. Mer om ämnet finns under nedanstående länkar (på engelska): länk 1 är mer om bindningsenergi och länk 2 om kärnenergi.



/Peter E

Nyckelord: bindningsenergi [21]; fusion [15]; fission [15]; kärnenergi [18]; vätskedroppsmodellen [5]; kärnreaktion [5];

1 http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/nucene/nucbin.html
2 http://science.howstuffworks.com/nuclear-power.htm

*

Materiens innersta-Atomer-Kärnor [14415]

Fråga:
När man 1938 bestrålade uran med neutroner skedde det i Barium. En av klyvningsprodukterna kunde inte utskiljas från Barium eftersom den var just Barium, men borde inte den andra ha gått att skilja ut?
/Jöns-Erik E, Sundsta-Älvkullegymnasiet, Karlstad

Svar:
Jo, man separerade flera kända lättare grundämnen. Problemet var att det var inte lätta grundämnen man väntade sig. Man väntade sig tunga (då okända) grundämnen. Det var inte hel fel tänkt. Vi vet nu t.ex. att det bildas 239U genom neutroninfångning i 238U. Denna isotop sönderfaller till 239Np och vidare till 239Pu. Det bildas alltså två tyngre grundämnen, neptunium och plutonium, men i så små mängder att Hahn och Strassmann inte kunde se dem. De såg bara ett antal lättare ämnen, bland annat barium, som bildats i klyvningsprocessen.

Det var Lise Meitner som kom på att de bildade ämnena var kända lätta ämnen och inga nya transuraner, se länk 1. Plutonium upptäcktes lite senare av Glenn T Seaborg, se länk 2.
/Peter E

Nyckelord: fission [15];

1 http://www.ur.se/vetenskap/435
2 http://www.mbe.doe.gov/me70/manhattan/seaborg_plutonium.htm

*

Materiens innersta-Atomer-Kärnor [13690]

Fråga:
Varför är klyvingsprodukterna i ett kärnkraftverk radioaktiva.
/Veckans fråga

Ursprunglig fråga:
För att värma upp stavarna i ett kärnkraftverk så klyver man atomerna...när man klyver dom så blir dom radioaktiva...varför klyver man inte dom så mycket tills dom inte är radioaktiva?
/Joni L, Forssaklackskolan, Borlänge

Svar:
Det enkla svaret är att det kan man inte påverka. Kärnorna klyvs enligt de regler naturen bestämt.

Titta på nuklidkartan nedan. Stabila kärnor är markerade med mörkrött, och kända kärnor av det grå området. Kärnan som klyvs i ett kärnkraftverk är 235U. Denna är markerad med en svart punkt uppe till höger i diagrammet. 235U har ett större överskott av neutroner än vad stabila lättare kärnor har.

Eftersom klyvningsprocessen inte kan "sortera" neutroner och protoner, måste alla klyvningsprodukter hamna på linjen mellan 235U (egentligen 236U eftersom det är infångandet av en neutron som orsakar klyvningen) och origo.

Alla kärnor på linjen ligger emellertid nedanför de stabila kärnorna. Kärnor på linjen har ett överskott av neutroner. Detta korrigeras först genom att 2-3 neutroner sänds ut i klyvningsprocessen (dessa kan sedan underhålla kedjereaktionen) och senare genom b--sönderfall. En del av dessa b--instabila kärnor har lång halveringstid (många år) och utgör en del av det avfall man får från ett kärnkraftverk. Det bildas även ett antal tunga kärnor (s.k. transuraner och aktinider), och de utgör den mycket långlivade delen (hundratusentals år) av avfallet.

Se vidare frågorna om kärnkraftsavfall.



/Peter E

Nyckelord: kärnkraftsavfall [11]; fission [15];

*

Energi [13180]

Fråga:
Vad är skillnaden mellan kokarreaktorer och tryckvattenreaktorer?

Hur kan det komma sig att kylvattnet (från havet) blir radioaktivt? Det är väl inte i kontakt med reaktortanken!? Det sägs ju att det leds ut radioaktivt avfall i havet på detta sätt, är det sant?
/

Svar:
De i Sverige förekommande typerna av kärnreaktorer beskrivs i

Tryckvattenreaktor (Pressurized_Water_Reactor ):

och

Kokarreaktor (Boiling_Water_Reactor ):

.

Den väsentligaste skillnaden är att man i en tryckvattenreaktor har ett internt slutet kylvattensystem med värmeväxlare, så att vatten som varit inne i reaktortanken inte kommer in i turbinen. I en kokarreaktor är det samma vatten i reaktorn som driver turbinen. Detta kräver lite mer av turbinen - den får alltså inte läcka!

Den vattenvolym som släpps ut ifrån ett kärnkraftverk består till mer än 99,99% av kylvatten, dvs värmeväxlat vatten. Kylvattnet innehåller ingen radioaktivitet från kärnkraftverket. Men på samma ställe som kylvattnet släpps ut till havet igen, släpper man även ut så kallat utsläppsvatten (alltså resterande 0,01% av det totala vattenutsläppet). Detta vatten innehåller vanligtvis lite radioaktivitet eftersom det kommer ifrån en tank som samlar upp "smutsvatten" inifrån kraftverket. "Smutsvattnet" kan komma ifrån duschutrymmen, golvdränage eller tex vatten som använts för att spola rent rör och tankar. Innan man släpper ut detta vatten till havet renas det genom olika filter och därefter tar man ett prov för att se att det är godkänt för utsläpp. Mängden radioaktivitet som släpps ut till havet är alltså liten.

Den mesta radioaktiviteten som släpps ut är i gasform genom skorstenen. Hur mycket radioaktivitet som släpps ut (både via skorstenen och med kylvattnet) regleras av Strålsäkerhetsmyndigheten (Strålsäkerhetsmyndigheten (tidigare Statens kärnkraftinspektion och Statens strålskyddsinstitut) ). Eftersom radioaktiviteten snabbt sprids ut blir den snart mindre än den naturliga bakgrundsstrålningen.

Den mesta radioaktivitet som bildas i ett kärnkraftverk tas om hand och lagras under kontrollerade former till de skall slutförvaras, se kärnkraftsavfall .

Mer om kärnenergi finns under länk 1 nedan. Se även Nuclear_power , Nuclear_reactor_technology och ENERGY FOR THE FUTURE - The Nuclear Option .
/Peter E

Nyckelord: kärnenergi [18]; kärnkraftsavfall [11]; fission [15];

1 http://science.howstuffworks.com/nuclear-power.htm

*

Materiens innersta-Atomer-Kärnor [12960]

Fråga:
Hej, jag håller på med mitt projektarbete som handlar om kärnfysik och energiutvinning. Jag har några frågor. Idag har vi ju ännu inte något elproducerande fusionskraftverk och jag undrar hur ett sådant skulle kunna se ut i framtiden?. I ett kärnkraftsverk så värmer man ju upp vatten genom klyvning som senare går genom en turbin och till en generator och då har man ström. Vattnet fungerar ju också som moderator och dämpar strålningen i ett kärnkraftsverk. Men i ett framtida fusionskraftverk skulle väl inte vatten vara av samma betydelse?

Borde man inte i ett framtida fusionskraftverk kunna omvandla energin från fusionen direkt till elektrisk energi via generator istället för att gå omvägen via vatten och en turbin. Eller måste man värma upp vatten och gå den vägen för att kunna tillgodogöra sig fusionsenergin?

Jag har en annan fråga också och undrar hur spontan fission i naturen fungerar. Skulle det inte kunna uppstå en kedjereaktion typ som i en atombomb?
/Adam Ö, Falu frigymnasium, Falun

Svar:
Standardkonstruktionen på en fusionsreaktor är en torusformad (bilringsformad) inneslutning med ett magnetfält. De laddade partiklarna i den heta plasman kommer alltså inte åt röret som bildar torusen. Neutronerna kan däremot ta sig ut, och det är dessa som kan transportera energin ut från reaktorn.

Man har lyckats med vad som kallas "theoretical break even" i JET, EFDA-JET . Detta innebär att man fått ut lika mycket energi som man satt in (lika mycket energi kommer ut från fusionen som man sätter in för att värma plasman). Problemet är att energin finns i form av neutroner med hög energi, och problemet man skall lösa med nästa generation fusionsreaktor (ITER, EFDA , se nedanstående bild) är att ta vara på den energin. Hur detta skall ske och vilka material man skall använda vet man inte ännu. Se ovanstående länkar, Fusion_power och nedanstående sökning för mer information om fusion.

Det fordras mycket speciella förhållanden för att en kedjereaktion skall vara möjlig. Man har hittat plutonium i en uran-gruva i Afrika (Oklo, Gabon), och eftersom plutonium är ganska kortlivat har plutoniet antagligen bildats i en naturlig reaktor, se En naturlig kärnreaktor: Oklo och Natural_nuclear_fission_reactor . Naturligt uran innehåller bara 0.7% av den klyvbara U-235, så naturliga kedjereaktioner är mycket ovanliga.

I en vanlig lättvattenreaktor har man 3-5% U-235. Det är då precis möjligt att vidmakthålla en kedjereaktion. För ett kärnvapen behöver man nära 100% U-235, så en atombomb kan inte uppstå naturligt.



/Peter E

Nyckelord: fusion [15]; fission [15];

Avancerad sökning på 'fusion' i denna databas

*

Materiens innersta-Atomer-Kärnor [12888]

Fråga:
Vilka radioaktiva restprodukter får man ut vid delning av Uran-235 i ett kärnkraftverk. Jag tror det ena är Cesium-135, men vad är det mer?
/Per J, Spyken, Lund

Svar:
Fission - eller, som det också kallas, kärnklyvning - innebär, rent allmänt, att en tung atomkärna delar sig i två lättare kärnor. Det förekommer att tunga atomer fissionerar utan yttre påverkan, s.k. "spontan" fission, men i de flesta fallen krävs det att den tunga kärnan först blir träffad av t.ex. en neutron för att fissionen ska komma igång. Ofta sänds en eller flera neutroner också ut i samband med klyvningen.

Ett bra exempel är det du tar upp i din fråga, nämligen klyvningen av uran-235 i kärnkraftverk. När en uran-235 atom fångat in en neutron och sedan klyvs, kan en mängd olika par av "resultatkärnor" bildas. Alla parkombinationer som uppfyller kravet att det totala antalet protoner och neutroner på vardera sidan om reaktionspilen förblir konstanta är i princip möjliga. Sannolikheten för att ett visst par ska bildas är dock långtifrån lika stort för alla kombinationer - här kommer en massa kärnfysik in i bilden....

De allra flesta kärnorna som bildas i klyvningen av uran är radioaktiva och kommer därför att sönderfalla. Hur fort detta går beror på deras halveringstider. En av de saker som gör kärnkraft problematiskt är just att vissa klyvningsprodukter - och/eller deras sönderfallsprodukter - har långa eller ganska långa halveringstider.

Exempel på radioaktiva klyvningsprodukter man hittar i kärnbränsleavfall är jod-131 (8 timmars halveringstid), cesium-137 (30 år) och strontium-90 (29 år). Eftersom jod och strontium kan lagras i olika organ i människokroppen, är radioaktiva isotoper av dessa ämnen speciellt farliga, och de nämns därför ofta i debatten om kärnenergi.

Till dessa kommer ett antal mycket tyngre kärnor - t.ex. plutonium och s.k. aktinider - som bildas inuti bränslestavarna i andra typer av kärnreaktioner. Dessa har relativt höga produktionssannolikheter och i regel mycket långa halveringstider, vilket gör att kärnavfallet förblir radioaktivt under lång tid.

Bilden nedan (anpassad från länk 2), visar sannolikheten för olika klyvningsprodukter att bildas i fission av uran-235 under samma betingelser som vi hittar i ett kärnkraftverk. Om vi använder cesium-135 som ett exempel, tar vi reda på att denna isotop har 55 protoner och (135-55)=80 neutroner, och går in i diagrammet och läser av att dess produktionssannolikhet y ligger mellan 1 och 10 hundratusendelar per klyvning. Detta är förhållandevis lågt i förhållande till många andra möjliga produktkärnor.

Cesium-135s halveringstid på 2 miljoner år gör, i kombination med att den inte bildas med särskilt hög sannolikhet, att den inte bidrar så mycket med strålning per tidsenhet (kallas också aktivitet).



/Margareta H

Nyckelord: kärnkraftsavfall [11]; fission [15];

1 http://www.ssi.se/kaernkraft/framsida.html
2 http://www.cea.fr/gb/publications/Clefs45/contents.htm

*

Energi [12726]

Fråga:
det finns ju ett samband mellan energi och materia. altså är materia i lekmansterm sammanslagen energi. kan man utvinna energin, och omvända, materian till energi? och i så fall, hade det kunnat finnas 100% energi och 0% materia i hela universum?

kanske dåligt formulerat, men du förstår nog.
/fredrik l, naturhumanistiska, helsingborg

Svar:
Fredrik! Alldeles i början på vårt universums existens - precis efter Big Bang - tror vi att det bara fanns energi, ingen materia! Allt eftersom universum expanderade och "svalnade" omvandlades energin till den materie världen består av nu i flera steg.

Kan vi nu gå åt andra hållet, dvs omvandla massa till energi? Jodå, det går alldeles utmärkt nere på kärnnivå - genom att antingen slå ihop lätta atomkärnor till tyngre (fusion) eller klyva tyngre atomkärnor (fission) kan vi omvandla en del av kärnmassan till energi enligt Einsteins formel (E=mc2).

Hur det går till kan vi se på bilden nedan (från Nationalencyklopedin ). Kurvan visar hur atomkärnans potentiella energi ändrar sig när atomkärnans massa ökar. Vi ser att lätta kärnor som deuterium (D, "tungt väte") har hög potentiell energi, så när man slår ihop dem till helium (4He) kan man utvinna energiskillnaden (den skära stapeln). Om vi tvärtom klyver mycket tunga kärnor som uran (U) så att vi bildar två lättare kärnor (med massa i närheten av kurvans minimum), frigörs också energi (den gröna stapeln).

Den potentiella energin i bilden motsvaras av kärnornas inre bindningsenergi - ju högre den potentiella energin är, desto lägre är bindningsenergin per massenhet.

Läs mer: Slå upp "universum", "fusion", "fission" och "bindningsenergi" i t.ex. Nationalencyklopedin ....



/Margareta H

Nyckelord: massa-energi [1]; fusion [15]; fission [15]; bindningsenergi [21];

*

Energi, Materiens innersta-Atomer-Kärnor [1351]

Fråga:
Berätta om transmutation av kärnavfall!
/Veckans fråga

Ursprunglig fråga:
Jag läser om kärnkraft, och jag tycker att transmutation av radioaktivt avfall verkar vara något bra. Vad är problemen? Varför kan man inte omvandla det instabila uranet till tex. bly och få ut energi? Var kan jag läsa mer om forskning på transmutationer? /Nanna
/Nanna T, Umeå

Svar:
Detta är ett ganska tekniskt ämne, men vi skall försöka förklara det så enkelt som möjligt.

För att förstå bakgrunden till transmutation är det nyttigt att titta på de problem som finns med kärnenergin som vi utnyttjar den nu:

  • Den ger upphov till långlivat radioaktivt avfall som är besvärligt att bli av med på ett säkert sätt.

  • Kärnkraftreaktorer kan haverera och ge upphov till allvarliga skadeverkningar. Orsaken till detta är att man måste samla mycket (många ton) klyvbart uran i en liten volym för att kedjereaktionen skall kunna underhållas. Detta ger upphov till två problem:
    1. Reaktorn kan om man förlorar kontrollen bli "överkritisk" (varje generation neutroner från fissionsprocessen producerar fler neutroner som ger upphov till fission) och rusa iväg. I de flesta reaktorer som finns i dag så upphör denna "rusning" dock av sig själv, men reaktorn kan förstöras.
    2. Även om fissionsprocessen upphör (vilket den gör om en reaktor havererar), så måste man fortsätta att kyla bränslet under flera timmar. Om man inte gör det får man vad man kallar en härdsmälta. Har man otur så kan det radioaktiva materialet i härden komma ut i omgivningen. Olyckan i Three-Mile-Island var en härdsmälta, men den kraftiga inneslutningen, som finns i de flesta moderna reaktorer, höll, och ingen radioaktivitet kom ut i omgivningen.
Det grundläggande säkerhetsproblemet med våra nuvarande reaktorer är allså att de måste innehålla mycket uran. Om man försökte göra en mindre reaktor, så skulle alltför många neutroner läcka ut ur reaktorn, och vi kan inte vidmakthålla kedjereaktionen.

Idén med transmutation är att man tillför extra neutroner utifrån. Dessa produceras genom att man låter en stråle med protoner från en partikelaccelerator träffa ett strålmål och producera neutroner genom s.k. spallation (sönderdelning - man slår alltså i princip sönder atomkärnorna i sina beståndsdelar neutroner och protoner, se Spallation#Nuclear_spallation ). Reaktorn placeras nära strålmålet, och de extra neutronerna medför att vi kan underhålla en kedjereaktion med mindre mängd uran i reaktorn - reaktorn är "underkritisk", vilket innebär att så snart vi stänger av acceleratorn (det kan vi alltid göra - det är bara att dra ur "sladden"), så har vi ett snällt hanterbart system, som inte kan ge upphov till en härdsmälta.

En annan fördel är att vi kan "förbränna" (transmutera) allt radioaktivt material, och vi kan på så sätt bli av med avfallet.

En tredje fördel är att vi kan använda thorium som bränsle. Det finns mycket mer thorium än uran (speciellt eftersom vanliga reaktorer bara använder mindre är 1% av uranet - isotopen U-235), varför vi har en i praktiken outtömlig energikälla som dessutom är säker och inte ger upphov till radioaktivt avfall.

Figuren nedan visar principen för ett system för transmutation som även producerar elektricitet.

Detta låter nästan för bra för att vara sant! Vi löser alla problem med den nuvarande kärnkraften och får en outtömlig energikälla! Det finns emellertid olösta (med antagligen inte olösliga) problem:

  • Idén är ganska ny, och det krävs ett långt och dyrt utvecklingsarbete för att realisera den.
  • Man måste kunna utföra en kemisk separation av olika grundämnen i bränslet: de stabila och kortlivade ämnena kan slutförvaras, medan långlivade radioaktiva ämnen måste föras tillbaka till transmutationsreaktorn.
  • Bara ett till synes enkelt problem som att göra ett strålmål som tål en mycket intensiv bestrålning med protoner är inget trivialt. Man arbetar nu med ganska komplicerade system med en blandning av bly/vismut i flytande form.
  • I Sverige har vi ytterligare ett problem: utveckling av ett transmutationssystem är olagligt enligt den beryktade "tankeförbudsparagrafen":
    Paragraf sex i lagen om kärnteknisk verksamhet lyder: Ingen får utarbeta konstruktionsritningar, beräkna kostnader, beställa utrustning eller vidta andra sådana förberedande åtgärder i syfte att inom landet uppföra en kärnreaktor. Gemenligen kallad "Lex Birgitta Dahl" - oåterkallerlig.
    Riksdagen måste ändra denna lag innan verkligt utvecklingsarbete kan komma igång i Sverige. (Tillägg: Lagen är numera avskaffad)
Numera bedrivs forskning om transmutation i ganska stora projekt i flera länder. Än så länge får man nog betrakta dessa som "förstudier".

Ämnet är relativt nytt och det mesta som finns skrivet är på engelska och ganska tekniskt. Länken, som uppdateras kontinuerligt, ger en lista på de websites vi hittat.
/Peter Ekström

Nyckelord: kärnenergi [18]; kärnkraftsavfall [11]; transmutation av kärnavfall [2]; fission [15];

1 http://www.pixe.lth.se/links/search.asp?class2=%267%3B&sForm=true

*

Materiens innersta-Atomer-Kärnor [530]

Fråga:
Finns det ingen risk vid experiment med partikelaccelerator att man skapar en hittills okänd kedjereaktion med katastrofala konsekvenser?
/

Svar:
En kedjereaktion är en serie självförstärkande händelser. I kärnfysik kan neutroner ge upphov till kedjereaktioner när det klyvbara materialet har uppnått kritisk massa. Både kärnvapen och kärnkraftverk är beroende av en kedjereaktion. I fissionsprocessen frigörs c:a 3 neutroner (förutom de två fissionsfragmenten). Om mer är en av dessa neutroner orsakar en ny fission, så kommer antalet kärnklyvningar att öka okontrollerbart (kärnvapen) eller kontrollerbart (kärnkraftverk).

Nej, för partikelacceleratorer är det ingen fara. De förutsättningar som gäller för kedjereaktioner är mycket speciella så att risken för att något sådant ska hända är väldigt liten. En av de som var med och utvecklade atombomben under andra världskriget har berättat för mig att vid ett tillfälle var man orolig för att neutronerna som frigjordes vid bombens explosion skulle starta en kedjereaktion som spred sig i hela atmosfären. En av de teoretiska fysikerna i projektet fick då i uppdrag att undersöka om det fanns en sådan risk. Han räknade i fjorton dagar och kom sen tillbaka och sa: “Nej, det kommer inte att hända“. Det gjorde det inte heller!

Se vidare Chain_reaction .
/Peter E

Nyckelord: fission [15]; kärnvapen [14];

*

Ämnesområde
Sök efter
Grundskolan eller gymnasiet?
Nyckelord: (Enda villkor)
Definition: (Enda villkor)
 
 

Om du inte hittar svaret i databasen eller i

Sök i svenska Wikipedia:

- fråga gärna här.

 

 

Frågelådan innehåller 7203 frågor med svar.
Senaste ändringen i databasen gjordes 2017-11-19 11:33:22.


sök | söktips | Veckans fråga | alla 'Veckans fråga' | ämnen | dokumentation | ställ en fråga
till diskussionsfora

 

Creative Commons License

Denna sida från NRCF är licensierad under Creative Commons:
Erkännande-Ickekommersiell-Inga bearbetningar
.