Svar:
Litium som är en del av bränslet tillsätts från början i den gas som ska upphettas och bli plasmat.

Man kan inducera en ström med hjälp av ett varierande magnetfält. På grund av resistansen hos plasmat
sker en uppvärmning. Denna metod fungerar bäst i början eftersom resistansen
minskar vid högre temperaturer.

En laddad partikel som rör sig i ett magnetfält påverkas av en kraft som är
vinklerät mot
både partikelns hastighet och magnetfältets riktning. Partikeln kommer att
röra sig i en cirelrörelse
om den startar vinkelrät mot fältet, annars i en spiralformad rörelse.
Genom listigt utformade magnetiska fält kan man få partiklarna att stanna i
ett
begränsat område ("magnetisk flaska"). Det blev inga formler för jag tycker
det är lättare att förklara utan.

Neutronerna som träffar reaktorväggen orsakar kärnreaktioner vid vilka
radioaktiva nuklider skapas. De kan ha lång halveringstid
vilket gör att väggarna är radioaktiva under lång tid, förmodligen tusentals
år.

Länkar: EFDA, EFDA-JET, General Atomics - Fusion Energy
2003-05-04

Svar:
Det enda kända sättet att åstadkomma kall fusion är med hjälp av myoner. Bäst är förutsättningarna om man har en
gasblandning av lika delar deuterium (tvåtungt väte) och
tritium (tretungt väte). Det behöver inte alls vara kallt
för att det ska funka, tvärt om, bäst går det vid flera hundra grader plus.

Problemet med myonfusion som energikälla är att det kostar mycket energi att producera myoner. Det betyder att myonerna måste "återanvändas" för många fusioner och detta är svårt bland annat eftersom myonens livstid är ett par mikrosekunder!

För att framställa myoner accelererar man protoner (vätekärnor)
till hög energi och låter dom kollidera med något material.
Då bildas pioner, som snabbt sönderfaller till myoner.

Se vidare Kall_fusion, Cold_fusion och nedanstående länk.
/KS/lpe 1998-11-28

Svar:
Kall fusion innebär att man vid rumstemperatur skulle kunna slå samman två kärnor av tungt väte till helium och då få ut en massa energi. Problemet är att vätekärnorna är elektriskt laddade och stöter bort varandra. För
att de skall kunna beröra varandra och smälta samman till en kärna måste
man kollidera dem med så hög fart att man övervinner de elektriska krafterna
som stöter isär dem. För detta behövs höga temperaturer = höga farter på
kärnorna och att man har en gas av väte med mycket stor täthet = stor
sannolikhet för kollision.

Vissa experiment som gjordes för några år sedan
tydde på att man skulle kunna slå samman vätekärnor vid rumstemperatur genom
att utnyttja att man kan få mycket höga tätheter av vätgas genom att suga upp
gasen i palladium genom elektrolys, se bilden nedan. Senare experiment har inte kunnat bekräfta
detta och det anses nu allmänt att det första experimentet inte var riktigt
utfört eller möjligen var fusk.

Se vidare Kall_fusion, Cold_fusion och webbsidor under länk 1. Länk 2 är en detaljerad genomgång av skeendet och diskussion om vad som gick fel.

/Lars Gislén/lpe 1997-03-20

Svar:
Det kan ske på flera olika sätt. I en vätebomb är det gamma- och röntgenstrålningen från en atombomb. I en tokamak (som
EFDA-JET i England) inducerar man en stark ström i plasmat. Man kan också skjuta in partiklar från en accelerator.
Vid JET använder man också radiovågor för upphettningen.
Ett annat sätt är att avfyra jättestarka lasrar mot en liten kula
som innehåller det tunga vätet. Slutligen finns ett sätt att åstadkomma
fusion utan uppvärmning med hjälp av speciella partiklar. Det kallas
myonkatalyserad fusion.
/KS/lpe 1999-10-11

Svar:
Det går inte att med enbart uppgiften "4 W" beräkna stråldosen. Man måste
veta avstånd, exponeringstid, neutronernas energifördelning, med mera.
Neutronstrålning är ett svårt kapitel, också för en garvad strålskyddsfysiker.
Vad som är lätt att räkna ut är att 4 W energiproduktion svarar mot
10¹² (1000000000000) neutroner per sekund vid deuterium-deuterium
fusion.

Närmre detaljer kan man hitta i boken TOO HOT TO HANDLE av Frank Close (1990). Där nämns på sidan 126 att de borde ha fått flera gånger dödlig stråldos. Exakt hur beräkningarna gjorts framgår inte. På sidan 265 finns en grundlig genomgång av de olika reaktionsmekanismerna.

Detaljerad information information finns under länk 1.
/KS 2000-10-22

Svar:
Detta är en fundamental fråga. Var de inte rädda för att världshaven
skulle explodera när de smällde av den första vätebomben?

Det finns en viktig skillnad. I en vätebomb sker reaktionerna snabbt
med starka kärnkrafter. I solen tillkommer en sak,
en proton ska omvandlas till en neutron, och det kan inte den starka
kärnkraften göra. Det kan bara ske med den svaga växelverkan,
och det gör förloppet långsamt. Ytterst handlar det omvandla en u-kvark
till en d-kvark. Quark-flavour (som det heter på engelska) kan bara
ändras av den svaga växelverkan.
/KS 2001-02-07

Svar:
Viktor! Du har rätt i att d+d kan ge ⁴He, och det är denna man helst vill ha eftersom den är mest bunden (och ger därmed mest energi). Det finns emellertid två problem.

Det ena är att man får nästa inga ⁴He i d+d reaktionen, man får nästan bara ³He+n och ³H+p. Detta beror på att om man slår ihop två deuteroner så bildas ⁴He i ett högt exciterat tillstånd (över 20 MeV). Detta tillstånd är obundet och sönderfaller med utsändande av en proton eller en neutron. Det finns en mycket lite chans att det sönderfaller genom att skicka ut ett gamma, men eftersom den elektromagnetiska växelverkan är så svag är detta en nästan försumbar gren.

Det andra problemet är att man vill ha en neutron ut. Neutronen är oladdad, så den kan ta sig ut genom magnetfältet. Laddade partiklar hålls innestängda av magnetfältet. Neutronerna är alltså bärarna av energin man vill ha ut ur fusionsreaktorn. Hur man sedan skall ta vara på denna energi är ännu inte klart. Det är detta man vill finna ut med ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), se EFDA och International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER).

Se även kall fusion.
/Peter E 2004-05-22

Svar:
Therese! Ja, vad är luktens hastighet? Ljudets hastighet är den hastighet med vilken tryckförändringar fortplantar sig i luft, se fråga 12639. Låt oss se vad resultatet blir om vi förklarar luktspridning med diffusion. Enligt Nationalencyklopedin är

diffusion: spontan materialtransport eller utbredning av ett ämne, orsakad av slumpvisa förändringar i egenrörelserna hos ämnets atomer eller molekyler (diffusion).

Ni har helt rätt i att diffusion beror av den fria medelväglängden och molekylernas medelhastighet.

Fria medelväglängden är bra utredd under länk 1 nedan. Där finns även en kalkylator. Värdet för normaltrycket 760 mmHg och 300 K är 0.92 mikrometer, dvs c:a 10000 gånger molekylens diameter (vi har approximerat molekyldiametern till 0.1 nm).

Molekylernas medelhastighet v (rms) kan fås ur

mv²/2 = 3kT/2 dvs

v = (3kT/m)^1/2

m är molekylens massa, T är absoluta temperaturen och k=1.380650510^-23 J K^-1 är Boltzmanns konstant, se Physical Reference Data. Vi behöver även en atomär massenhet u = 1.6605388610^-27 kg från samma källa.

För luft (molmassa 28.8) och temperatur 300 K blir medelhastigheten (rms, dvs medelvärdet av v²) ungefär 510 m/s med ovanstående formel.
Kalkylatorn under länk 1 ger naturligtvis samma värde för
v(rms), men det vi egentligen behöver är medelvärdet av v som blir 470 m/s.

Molekylerna transporteras med vad som brukar kallas "random walk". För denna ges den tillryggalagda sträckan d av

d = lN^1/2

där l är fria medelväglängden och N antal kollisioner, se länk 2. Den totala vägen molekylen färdas är

Nl = vt

där v är medelhastigheten och t tiden. Insättning i formeln för d ger då

d = l(vt/l)^1/2 = (vtl)^1/2

Vi ser alltså att den tillryggalagda sträckan inte som brukligt är proportionell mot tiden utan mot roten ur tiden. Sätter vi in ovanstående värden får vi

d = (470t0.9210^-6)^1/2

Ovanstående uttryck har plottats med MatLab, se nedan. Man behöver alltså vänta i mer än en halv timme för att den typiska molekylen skall ha kommit en meter bort! Medelhastigheten (högra panelen) är alltså nere i 0.2 mm/timme efter knappt en timme! Observera att diagrammen beskriver transporten av en medelmolekyl. De molekyler som har "tur" kommer fram betydligt snabbare. För en parfymmolekyl är säkert molmassan och diametern mycket större, vilket medför en ännu långsammare doftspridning!

Man kan då fråga sig varför kvinnor använder parfym när mannen endast kan attraheras när han i princip redan är infångad. Antingen kan kvinnor inte fysik - vilket inte är sant - eller så finns det en annan effekt än diffusion som sprider doften. Små vindpustar som orsakas av att något rör sig är mycket mer effektiva för att transportera dofter!

/Peter E 2005-02-03

Svar:
Det intressanta är inte densititen utan kombinationen densitet och inneslutningstid. Det är då det heta plasmat har möjlighet att producera tillräckligt många fusionsreaktioner. Som framgår av länk 1 fordras för deuterium-tritium fusion att

   nt >= 10¹⁴ s/cm³

där n är densiteten i partiklar/cm³ och t är inneslutningstiden i sekunder. För en rimlig inneslutningstid på 1 sekund blir alltså densiteten 10¹⁴ /cm³. Detta kan jämföras med densititen för luft vid normalt tryck och temperatur c:a 310¹⁹ /cm³. Densiteten för plasmat är alltså ett hyggligt förvakuum på c:a 210^-3 torr!
/Peter E 2006-01-22

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