Fusion
I stjärnornas inre sker en sammanslagning av atomernas beståndsdelar: detta kallas fusion. Då allt större atomer byggs upp, frigörs energi: det är denna kärnreaktion som skapar solens värme.
Under högt tryck pressas två protoner tillsammans. De har lika laddning och repellerar därför varandra: det behövs högt tryck och hög hastighet för att de ska kunna slås samman.
Vid sammanslagningen avges en positron och en neutrino, varvid den ena protonen då omvandlas till en neutron: samtidigt avges värme. Det är värmen i sin tur, som orsakar den höga hastigheten hos partiklarna: en startad fusion pågår så länge det finns lämpligt bränsle.
Om atomkärnan fångar in en elektron omvandlas den till normalt väte; annars är materian joniserat väte.
Om ytterligare en proton slår sig samman med vätekärnan, bildas isotopen för väte, deuterium.
En deuteriumatom kan slå sig samman med en annan deuteriumatom, varvid det bildas Helium. Vid sammanslagningen avges då två protoner. Protonerna kan starta om och bilda en ny väteatom.
Två heliumatomer kan slå sig samman och bilda Beryllium.
Berylliumatomen kan slå sig samman med en heliumatom och bilda en kolatom. Kolatomen består av sex protoner och sex neutroner.
Någon större atom än kol byggs normalt inte upp i stjärnorna vid fusion. Skulle det ske, faller atomkärnan snart sönder igen till en kolatom. Följande händer i så fall:
En proton kan förena sig med kolatomen och bilda en kväveisotop.
En proton kan därefter sönderfalla till en neutron, varvid en neutrino och en positron avges: därmed bildas mer värme.
Atomkärnan är nu en kolisotop med sju neutroner.
En proton slår sig samman med kolisotopen, varvid en kvävekärna bildas: den har sju protoner och sju neutroner.
Så byggs atomkärnan på, men då den innehåller åtta protoner och åtta neutroner, avger den en heliumkärna, varvid det återstår en kolkärna. Processen kan börja om.
Det är först då kärnbränslet i stjärnan börjar ta slut, som det bildas grundämnen som är tyngre än kol: syre, neon, magnesium, kisel, svavel och järn bildas. Då har stjärnan förbränt allt kärnbränsle den kan. Därpå kollapsar den, på grund av att den inre strålningsvärmen avtar. Efter kollapsen exploderar den som en supernova: först då bildas grundämnen som är tyngre än järn.
Det tar en miljon år för värmen (partiklar med hög hastighet) att gå från solens centrum till solens yta.
Fission
Tidigare nämnde jag ett exempel för en sönderfallskedja vid radioaktiv strålning. Vid sönderfallet blir det en eller flera neutroner över. Om denna partikel får lämplig hastighet och om den träffar en annan tung atomkärna, kan nästa atomkärna också falla sönder. Beroende på hur tätt de radioaktiva atomerna ligger, dör antingen partikelbombardemanget ut, håller en konstant nivå eller ökar. Det är då partiklarna ökar i antal som en härdsmälta kan ske eller en atombomb kan explodera: det är en så kallad kedjereaktion.
Radioaktivitet finns naturligt i jordens inre. Då Kelvin definierade termodynamiken, uppskattade han jordens ålder till 20 miljoner år, beräknat på uppskattningen av hur varm jorden uppskattningsvis varit från början och hur varm den är i dag. Vad han inte kände till var radioaktiviteten, som fördröjer jordens avsvalnande. Man anser numera att jorden är 4,5 miljarder år gammal.
Vid ett kärnkraftverk har man radioaktiva stavar av uran och plutonium, som sätts in i en reaktortank. För att förhindra att processen skenar, så det uppstår en härdsmälta, för man in moderatorstavar, vanligtvis av grafit, mellan de radioaktiva stavarna: genom att skjuta in eller dra ut moderatorstavarna hålls kärnklyvningen på lämplig nivå. Kärnklyvningen avger värme, som får koka vatten. Ångan från vattnet driver en turbin, som i sin tur driver en generator. Det är alltså frågan om en ångdriven generator. Bränslet är billigt.
Om man hade haft ett kärnkraftverk i en villa, skulle det räcka med en uranstav per år, storlek som en penna, kostnad ett par tusen kronor, för att värma upp villan. Den komplicerade anläggningen att sköta en reaktor, det tjocka skyddet och riskerna tillåter inte detta i praktiken. Men i princip skulle man kunna ha ett kärnkraftverk för husbehov, storlek som en varmvattenberedare, omgiven av en meter tjock betong.
Ett på 50-talet fantiserade man om att ha atomdrivna bilar. Länk
Hinner man inte med att reglera ett kärnkraftverk, kan härdsmälta ske: så skedde i Tjernobyl 1986. Härdsmältan där ledde till en förening mellan uran och betong, omöjlig att skapa på annat sätt, vilken man gärna vill studera. För närvarande håller arbetare på att förstärka den provisoriska förseglingen av det havererade verket: arbetare iklädda blyskydd och övrig skyddsutrusning, får åka hiss upp på taket till reaktorn och utföra ett arbete, till exempel svetsning, under maximalt fem minuter. Därefter får de aldrig mer vistas vid ett kärnkraftverk, inte heller skaffa barn.
Även andra härdsmältor har skett, Harrisburg 1979 och Fukushima 2011. I det sistnämnda fallet trodde man att en reglerventil var öppen, men detta kontrollerades inte manuellt, varvid härdsmälta skedde.
En atombomb fungerar så, att uran läggs som ett skal inne i en stålkapsel. Det radioaktiva materialet är då för glest för att en kedjereaktion ska kunna starta av sig själv. Då man ska detonera bomben, startar man en kemisk explosion, som pressar samman det radioaktiva materialet: det blir nu så tätt, att allt fler protoner hela tiden avges: en kedjereaktion sker. Vill man ha en mindre miljöfarlig atombomb, kan man ha en vätebomb: dock måste denna tändas med uran. För att det ska bli en kedjereaktion krävs en uranklump på 18 centimeters diameter eller 53 kg. Ref.: Nationalencyklopedin, fission.
Hitlers tekniker menade att det krävdes mera än detta och brydde sig inte om att utveckla atombomben, då de ansåg att så mycket uran inte fanns att skaffa i världen.
För en vätebomb räcker det med väte, storlek som en fotboll. Vätet måste dock antändas med en liten uranbomb.
Länk
Då man hade upptäckt neutronen 1932, började Enrico Fermi bestråla tunga atomkärnor med neutroner, i avsikt att skapa ännu tyngre grundämnen. I stället bildades lättare grundämnen. Lise Meitner och Otto R. Frisch skrev en artikel som förklarade fenomenen 1939, där de benämnde det “fission”, vilket betyder celldelning. Ref.: Nationalencyklopedin, fission.
Det var Leo Szilard som 1933 kom på, att om man har ett ämne, där atomkärnan kan spjälkas av en neutron, men kan skicka iväg två neutroner, borde man få igång en kedjereaktion. Han författade ett brev, som han bad Einstein skriva under och skicka till president Roosevelt, för att få uppmärksamhet och bli tagen på allvar. Leo träffade på Enrico Fermi, som under kriget flytt från Italien till USA, just under utdelningen av Nobelpriset. I massmedia fick de läsa att europeiska forskare hade lyckats klyva en urankärna. Forskarna kom på att neutronerna måste bromsas för att kärnklyvningen ska få bästa resultat: en neutron med för hög hastighet kan omvandla kärnans neutroner i stället för att klyva kärnan. Tyskarna satsade på tungt vatten som bromsmedia, medan USA satsade på grafit. Sedan inträdde censuren, eftersom det var krig: forskarna i USA visste därefter inte hur långt fienden kommit i forskningen.
I en källare under Chicago University staplade Fermi grafitplattor med hål. I hålen fördes stavar av uran och kadmium in. Kadmiumstavarna var här moderatorstavar. En efter en drogs kadmiumstavarna ut. Om beräkningarna var korrekta, skulle en självgående kärnklyvning komma i gång; om beräkningarna var fel, skulle antingen ingen kärnklyvning komma igång, alternativt en härdsmälta ske. Fermi stod redo med en hink kadmiumlösning som en brandsläckare. Det skedde den 2 augusti 1939. Ingen av de 42 närvarande bar någon skyddsutrustning. Då den sista moderatorstaven drogs ut, la mätutrustningen av. Ingen av de närvarande registrerade emellertid något. Man antog att fissionen förlöpte efter beräkningarna. Efter 28 minuter sköt man in moderatorstavarna. Länk Ref.: Illustrerad Vetenskap 7/00.
Två år och åtta månader senare släppte USA en atombomb över Japan.
För att lugna ner befolkningen lät USA sina soldater utsättas för strålningen från atombomber: de hade allt från skyttevärnsgravar som skydd till inget skydd alls. Efteråt intervjuades soldaterna om hur de mådde. De fick byta kläder, duscha och tvätta fordonen tills radioaktiviteten sjunkit under en förutbestämd nivå: därefter ansågs faran vara över.
Då insåg man inte hur farligt det egentligen var. Man är mer medveten om faran i dag i kärnkraftsanläggningar. Eftersom personal måste gå in under reaktortanken för att reparera mekanismen där, går det inte att undvika att bli bestrålad. Den personal som måste reparera något radioaktivt föremål, måste jobba med utsträckta armar: på så sätts utsätts kroppen för mindre strålning än när man står intill föremålet. Efter ett arbetspass mäts personalens radioaktiva utstrålning: på händer och bröstkorg och i utandningsluften: hamnar man över ett visst värde får man inte gå ut från kärnkraftsanläggningen: man får duscha, äta och dricka och få läkarvård tills radioaktiviteten sjunkit under en bestämd nivå.
Man vill inte ta någon risk genom att skicka upp en satellit med kärnkraftverk. Sista satelliten med radioaktivt ktaftverk sändes upp 1988. Länk
Avfall från kärnkraftverk
Det finns över 400 kärnkraftverk i världen. De har hittills producerat över 200 000 ton radioaktivt avfall. Vissa isotoper är radioaktiva i 100 000 år. Kritiker menar att vi kan inte få folk ta hand om vårt avfall om 100 000 år. Bara i Sverige behövs 4 500 kopparkapslar (stora som oljefat) för att ta hand om avfallet. Länk Länk
I en uranstav är 99% U238, en stabil isotop. Den återstående procenten består av plutonium, americum och curium, där americum är radioaktiv i 100 000 år. Man kan urskilja de tre radioaktiva ämnena ur en förbrukad uranstav.
Man kan göra nya bränslestavar av americum och sätta in dem i speciella kärnkraftverk. Avfallet är då radioaktivt i bara 1000 år. Detta kallas transmutation. Här uppstår ett par nya problem. En sådan reaktor kan inte omges av vatten, som då stoppar kärnklyvningen. Americum är en dålig värmeledare, så enbart stavar med detta grunämne kommer att smälta.
På ett laboratorium i Karlsruhe experimenterar man med bränslestavar av americum. Ämnet är så starkt radioaktivt, att laboratorium normalt bara kan hantera 0,1 gram. På detta laboratorium kan man hantera upp till 150 gram. Man har kommit fram till att tre ämnen går att blanda med americumoxid för att leda av värmen: zirkoniumoxid, magnesiumoxid samt molybden. Laboratoriet i Karlsruhe tillverkar pellets, som ska ingå i bränslestavar med americum.
En reaktor med stavar av americum är svårhanterbar. Därför ska man bygga om ett gammalt kärnkraftverk i Dubna, Ryssland. Är mängden samlad amreikum under ett visst värde, är kärnklyvningen inte självgående: man måste hela tiden mata på med neutroner. Detta ska ske med en magnetisk ring, som accelerarerar protoner till nästan ljushastigheten. Protonerna träffar en blyplatta, varvid neutroner avges. Länk
En rysk atomdriven ubåt, hade en så pass effektiv reaktor, att den kunde köra ifrån ankommande torpeder. Reaktorn hade en blandning av smält bly och vismult som kylmedel. Detta kylmedel får inte oxidera: det var detta som skedde, då ubåten, U705, råkade ut för en härdsmälta. Håller man syrehalten inom vissa nivåre, kan detta kylmedlet fungera för en rekator bestående av amrericum-stavar.
Plutoniumet har en halveringstid på 24 600 år och curium 17 000 år.
Halveringstiden kan förkortas om man kyler ner avfallet till 10°K. Plutonium 210 omvandlas till bly genom alfasönderfall. Halveringstiden är 138 dagar. Genom att kyla ner blir halveringstiden endast sju dagar. Ref.: Illustrerad Vetenskap 11/07.
Fusionsreaktorer
Bränslet i en fusionsreaktor består av tungt (deuterium) och supertungt väte (tritium), som finns eller kan framställas i nästan obegränsade mängder. Ur en liter havsvatten kan man få bränsle som ger energi motsvarande 300 liter olja. Bränslet måste värmas upp till 100 miljoner grader, innan det blir till ett plasma, där atomkärnorna kan smälta samman. Eftersom det rör sig om ett plasma, har elektronerna ryckts bort från atomerna, som då blivit positiva och repellerar varandra. De måste tryckas ihop till ett avstånd på 10-11 mm för att fusionen ska kunna ske. Plasmat måste hållas i en magnetring med vakuum. Rör plasmat vid reaktorväggen, kyls det av, samtidigt som väggen smälter. I huvudsak används deuterium som bränsle, men tritium måste starta processen. Mer tritium framställs efterhand i fusionsprocessen. En värmeväxlare förser en turbin med ånga, vilken i sin tur driver en generator, alldeles som vid ett fissionskraftverk. 1991 kunde man för första gången hålla igång en reaktor under två sekunder. Under denna tid frigjordes två miljoner watt energi.
Ref.: Illustrerad Vetenskap 2/95, Illustrerad Vetenskap 1/96
Vid ett annat försök fick man fusionen att starta genom att beskjuta ett par mm stora kulor med deutrium med hjälp av laser. Detta är en s k pulserande energikälla.
Kall fusion
1989 påstod kemisterna Stanley Pons och Martin Fleischmann att de kunde starta en kall fusion: de kunde få två vätekärnor att smälta samman vid rumstemperatur: därmed skulle världens energiproblem lösas, menade de. Ingen lyckades emellertid upprepa deras experiment: det blev ett fiasko.
Det går inte att förena två vätekärnor annat än vid mycket hög temperatur, eftersom protonerna i kärnorna repellerar varandra. Vid den höga temperaturen har partiklarna så hög hastighet, att de kan slås samman vid en eventuell kollision.
En japansk forskare, fysikern Kanetada Nagmine, meddelade att han lyckades med kall fusion. Experimentet gick till så här:
| En väte- och en deuteriumatom förenas. Eftersom protonerna repellerar kärnorna, har kärnorna ett stort avstånd. Deras gemensamma omloppsbanor med elektroner håller dock samman atomparet. | |
| Kanetada bytte ut en elektron mot en myon, som är 200 gånger tyngre än elektronen: därför har den en mindre omloppsbana än elektronens och pressar samman kärnorna. | |
| Kärnorna kan slås samman, om de kommer mycket nära varandra. | |
| Kärnan exploderar då igen (z). Därvid bildas en heliumkärna, en neutron och en myon. Myonen kan starta nya processer. | |
Men processen är ännu inte tillräckligt tillförlitlig - ännu finns det inga kärnkraftverk för kall fusion. Det är dock bara om partiklarna i kärnan ställer in sig i vissa lägen, som en explosion sker. Förloppet går ännu inte att styra tillförlitligt.
Ref.: Illustrerad Vetenskap 4/98.
Alternativa energikällor
En japansk forskare menar att om man tar vara på hushållets
komposterbara avfall, tillsätter bakterier som bryter ner detta, och om
bakterierna producerar väte, kan vätet räcka till hushållets elproduktion.
Ref.: Ny Teknik 10/03.