Fission, atomkraft – Niels Bohr Institutet - Københavns Universitet

14. december 2011

Fission, atomkraft

Hej Spørg om Fysik
Jeg har nogle spørgsmål angående fission:

Er det kun ved fissile atomer (235U, 235Uran, 233Uran, 239Pu, 240Pu, 241Pu), der kan ske fission eller kan der f.eks. også ske fisson ved neutron bestråling af 238U?

Hvis det er sådan, hvad er forskellen så på f.eks. 235og 238U

Hvad bestemmer, ved neutron bestråling af 235om kernen spaltes, om den modtagne energi bliver udsendt som gamma stråling eller om der genudsendes en neutron?

Den termiske energi, som man udnytter på kernekraftværker, bliver den så blot udsendt ved fissionen? altså at der kommer varme når en kerne spaltes?

Eller er det sådan, at neutronerne, der bliver skudt ud, har en vis kinetisk energi og hvis så neutronerne rammer et element, så vil noget af den kinetiske energi de har blive omdannet til termisk energi?

Med venlig hilsen
AK

Alle tunge atomkerner kan fissionere. De meget tunge gør det spontant, de noget lettere er ret stabile og derfor skal fissionen induceres (=sættes i gang) f.eks. ved at bombardere den tunge kerne med neutroner.

Man kan beskrive det ved, at der er en barriere, der forhindrer fission. Hvis man er "bag ved barrieren" finder fissionen ikke sted men, hvis man kan "løftes over " barrieren, bliver kernen aflang og ender med at fissionere (gå i to stykker). Fissionsbarrierens højde er bestemt af en delikat balance mellem de kortrækkende og tiltrækkende kernekræfter, der virker mellem kernens protoner og neutroner og den langtrækkende elektriske frastødning, der virker mellem protonerne. Jo lavere fissionsbarriere, jo nemmere er det at fissionere.

Forgrenet kædereaktion

For at komme op over barrieren skal der bruges en vis mængde energi, den såkaldte aktiverings energi. 

Aktiveringsenergien bliver mindre jo tungere kernen er (mere præcist, den falder med Z2/A, hvor Z er protontallet og A det samlede antal protoner og neutroner). For meget tunge systemer er aktiveringsenergien lig med nul, dvs. kernen kan slet ikke holde sammen.

For samme element (f.eks. Uran, der har 92 protoner i kernen) er der også forskelle på aktiveringsenergien, f.eks. mellem 235U og 238U. For 238U er aktiveringsenergien ret høj (ca. 0,6 MeV) og for 235U er den næsten nul.

For at inducere fission med neutroner spiller sandsynligheden for at indfange en neutron en stor rolle. Denne sandsynlighed kalder fysikerne for "absorptions tværsnittet", og den varierer også fra kerne til kerne. 

Den første atomreaktor Chicago under 2. verdenskrig, maleri

Absorptionstværsnittet for meget langsomme neutroner er meget større for 235U end for 238U. Derfor bruges især 235U som brændstof i fissionsreaktorer. Hvis der er en blanding af 235U og 238U i reaktorens brændselsstave kan nogle af neutronerne inducere fission i 238U med lav sandsynlighed, men de bremses hutigt op og en del absorberes af 238U (og fører til dannelsen af 239Pu) - men de fleste neutroner bremses meget op og inducerer fission i 235U.

Patentbeskrivelse for atomreaktor udtaget af Enrico Fermi  og Leó Szilárd 

Med andre ord: sandsynligheden for fission er et produkt af fissionssandsynligheden og af neutronabsorptionssandsynligheden.

Når fissionen finder sted spaltes kernen i 2 stykker, det ene stykke typisk med massetal A= 90, det andet med massetal omkring A=130. 

Enrico Fermi NP 1937 (I, 1901 ? 1954), Chicago den første reaktor kritisk d. 2 Dec. 1943Den oprindelige tunge atomkerne har et større forhold mellem antal neutroner og antal protoner  end fissions stykkerne (fissions fragmenterne). Man kan sige, at de lette fragmenter har sværere ved at holde på neutronerne. Derfor frigøres der et antal neutroner ved hver fission (typisk 2-4 stykker). Disse neutroner har energier på omkring 2 MeV. 

Hvis man skal opretholde en kædereaktion, således at hver fission starter netop een (stabil drift) eller flere (eksplosiv reaktion) fissioner, må man bremse de frigjorte neutroner op i en såkaldt moderator, så neutronerne  kan reagere med nye kerner med høj sandsynlighed.  

Enrico Fermi NP 1937 (I, 1901 – 1954), Chicago den første reaktor kritisk d. 2 Dec. 1943

Til spørgsmålet om termiske energi:

Når en tung kerne fissioner, frigøres der bindingsenergi. Denne energi optræder som kinetisk energi (bevægelsesenergi) i de to fragmenter. Der frigøres ca. 200 MeV pr. fission.

Når fragmenterne bremses op bliver der varmt. Denne varme fjernes ved et kølekredsløb Leó Szilárd (Ungarn, 1898 – 1964) th.

(vandet bliver varmt). Via en varmeveksler (man adskiller de to kredsløb af sikkerhedshensyn) opvarmer dette vand (eller en anden væske) et nyt vandkredsløb, der bliver så varmt, at vandet omdannes til damp . Dampen kan drive en elektricitets generator og omdanne energien til elektricitet.

Ikke-stoppede neutroner vil også aflevere deres kinetiske energi og bidrage til opvarmningen, men den dominerende kilde til varme er fissionsfragmenternes kinetiske energi.

Med venlig hilsen
Professor Jens Jørgen Gaardhøje
Discovery Center, Niels Bohr Institutet