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 2000-04-07

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 SpallationNuclear_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 2002-10-10

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 2005-01-19

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, håller på att byggas i Frankrike, se ITER.

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: 21.1=2.2 MeV

³H: 32.8=8.4 MeV

⁴He: 47.0=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_formulaExamples_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 2006-09-27

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 2010-03-08