Lektion 6 Kärnan – Fission och fusion - bjornjonsson.se

Fysik B bjorn.jonsson@vgy.se
Värmdö Gymnasium www.bjornjonsson.se
Lektion 6 Kärnan – Fission och fusion
Principen för en kärnreaktor
Ett kärnkraftverk utvinner energi genom kärnklyvning (fission). I ett kärnkraftverk beskjuter man
urankärnor med neutroner för att på det sättet utvinna den energi som finns lagrad i atomkärnan
2
(enligt Einsteins ekvation E = mc och bindningsenergiresonemangen vi fört de senaste veckorna).
En kärnkraftsreaktor fungerar enligt nedanstående bild. Först beskjuts en moderkärna (normalt
235
används uran, närmare bestämt U ) med neutroner och därvid bildas två stycken ungefär hälften
92
så tunga dotterkärnor och ett antal fria neutroner som sedan kan hålla reaktionen igång.
Denna reaktion ger dessutom energi och den energin används till att koka vatten som förångas och
sedan kan användas för att få fart på en turbin. På det sättet kan man utvinna elektrisk energi från
kärnkraftverket enligt samma princip som för de värmemaskiner ni läste om i Fysik A.
Det finns två huvudsakliga sönderfall som sker i kärnreaktorn. Reaktionsformlerna för dessa är:
1
0
1
0
/BJ
235
236
141
92
1
n + U → U → Ba + Kr + 3 n (OBS! Quanta B s.272 har fel atomnummer för barium här!)
n +
92
235
92
U →
92
236
92
U →
56
140
54
Xe +
36
94
38
0
Sr + 2
1
0
n
Som synes ger båda dessa vägar gott om nya neutroner som kan fortsätta kedjereaktionen.
Med denna process följer också andra krav för att kedjereaktionen ska fortsätta, bl.a. att neutronerna
ska vara termiska (långsamma). Läs mer om detta i David Bodanis E = mc 2 och Quanta B.
Ex. Hur mycket energi frigörs då U-235 neutronklyvs och avger tre fria neutroner?
Den fullständiga klyvningsprocessen har sönderfallsformeln
1
236
141
92
1
U + n → U → Ba + Kr + ⋅ n + Q
235
92 0
92
56
36 3
0
där Q är sönderfallsenergin, d.v.s. den energi som frigörs i och med sönderfallsprodukternas
högre bindningsenergi per nukleon jämfört med kärnbränslet.
Sönderfallsenergin är lika med skillnaden i massenergi före och efter klyvningen av U-236.
Vi beräknar detta och utnyttjar det vi tidigare tagit reda på, d.v.s. att 1 u = 931,5 MeV.
1 (2)

Fysik B bjorn.jonsson@vgy.se
Värmdö Gymnasium www.bjornjonsson.se
Fusion
/BJ
m( U)
236,
046u
219 877 MeV
236
=
=
92
m( Ba)
140,
914u
131261
MeV
141
=
=
56
m( Kr)
91,
926u
85 629 MeV
92
36 = =
m( n)
1,
009u
940 MeV
1
= =
0
och vi får då
Q = E − E = 219877 − ( 131261 + 85629 + 3 ⋅ 940)
≈ 167 MeV
före
efter
Motsatsen till kärnklyvning, fission, är sammanslagning av två (lätta) kärnor, s.k. fusion. Även i
detta fall får man energivinster p.g.a. fusionsproduktens högre bindningsenergi per nukleon. Två
teoretiskt möjliga fusionsförlopp som vi har (eller lätt
skapar) bränsle för på jorden är fusion av olika
väteisotoper, nämligen Väte-2 (D, Deuterium) eller
Väte-3 (T, Tritium):
3
D + D → H + n + 3,
2 MeV
D + T
4
→ H + n + 17,
6 MeV
Problemet med dessa bägge processer är att hålla
dem igång, fusion kräver en temperatur av 10 7 K och
uppåt för att starta, vilket innebär att vätet snudd på
är i plasmaform (elektroner och kärnor separerade).
Materia i denna temperatur smälter alla kärl man försöker förvara den i, så man måste hålla ihop
bränslet med energikrävande magnetfält, vilket gör att man i de försöksreaktorer man byggt gör av
med mera energi för att få igång processen än man får ut från fusionen.
Forskarnas dröm är att få igång s.k. kall fusion, d.v.s. fusion i betydligt lägre temperaturer än det
som ovan nämns. Men trots att Hollywood flera gånger låtit drömmen bli verklighet (Helgonet,
Spindelmannen 2) är det ännu inte realiserat i verkligheten.
Vad händer i solen?
Solen producerar energi genom ett flertal olika processer. Solens yttemperatur är knappt 6000 K,
7
och dess innertemperatur är ungefär 10 °C. Fyra processer är viktiga:
+
p + p → d + e + υ
3
p + d→
He
He 3
3
+ γ
+ He → p + p
e
+ α
(denna process ger mest energi)
+ → 2γ
−
+
e e
(kallas annihilation, antipartiklarna förintar varandra)
Totalt gäller alltså att hela proton-protoncykeln ger
−
2 e + 4p
→ α + 2υ
e
Läxa: Läs mer om fusion i animationen på min hemsida (Fy B>Utdelat)
2 (2)