NedTil bund    HjemTil hovedside
© www.akraft.dk ©
 G e n e r e l t   om   k e r n e f y s i k

      Emner på siden.


Kernespaltning - fission.

Når tunge atomkerner spaltes, udvikles enorme energimængder - brudstykkernes masser er lidt mindre end oprindeligt - masse omdannes til energi, som Einsteins berømte ligning viser:

- som udtrykker, at energien er lig med massen * lysets hastighed i 2. potens.

Spaltning af uran ved neutronindfangning kan ske på flere måder - f.eks.:

uranspaltning

Øverste tal (eks.: 235) er atomtallet (= antal nukleoner).
Nederste tal (eks.: 92) er atomnummeret (= antal protoner), der er 0 (nul) for neutronen.
Gammategnet viser de processer, der ledsages af gammastråling.

Den samlede masse af neutronen og urankernen er lidt større end den samlede masse af spaltningsprodukterne.
Forskellen i masse er omdannet til energi, der består dels af bevægelsesenergi i brudstykkerne fra spaltningen, dels af strålingsenergi.
Man kender ca. 35 forskellige spaltningsprodukter, der er grundstoffer med massetal mellem 70 og 160.
Ved kernespaltning udvikles omkring 3 millioner gange så stor energi som ved forbrænding af samme vægtmængde kul.
Den udviklede energi benyttes til at producere damp, der driver en turbine og en el-generator, som producerer el-energien.

I en reaktor på 1000 MWe (nytteeffekt 1000 MW) spaltes ca. 1020 atomer pr. sekund. Det giver et forbrug på ca. 1300 kg brændsel årligt.

Medens de fleste atomkerner kun kan spaltes, når neutronens energi ligger i wet bestemt område, er der få isotoper, der kan spaltes ved blot at indfange en neutron - uanset dens energi. Atomkerner, der spaltes ved blot at indfange en neutron kaldes fissile.

Fissile atomer er:


Top


Spaltning i atomreaktoren.

I et kernekraftværk sker energiproduktionen ved spaltning af tunge atomkerner - primært drejer det sig om 235U.

Kernespaltningen frembringes ved hjælp af de elektrisk neutrale kernepartikler - neutronerne. For at få en kædeproces i gang, må der ved spaltningen samtidig frigøres tilstrækkelig mange nye neutroner, der kan fortsætte spaltningerne.
Når en 235U kerne indfanger en neutron kommer kernen i voldsomme svingninger, der til sidst bevirker, at kernen spaltes i 2 brudstykker, der farer fra hinanden med voldsom hastighed, idet begge brudstykker er positivt elektrisk ladede. Samtidig udsendes i gennemsnit pr. spaltning ca. 2,5 neutroner med stor hastighed og energi.
Disse neutroner kan anvendes til at frembringe nye spaltninger.
Forskellen mellem et almindeligt kraftværk og et kernekraftværk ligger principielt kun på forskellen på den måde, energien frembringes på.
Man kan ikke umiddelbart få en kædereaktion i gang ved anvendelse af natururan, idet der er forlangt mellem de spaltelige 235U - kerner. En del af neutronerne vil dels lække ud af beholdningen - dels vil de indfanges af 238U atomer, hvilket ikke medfører spaltning og endelig vil enkelte indfanges i spaltningsprodukterne.
Under driften dannes en række spaltningsprodukter. Bl. a. en inaktiv gasart - Xenon.
Xenon-135 produceres direkte fra fissionen og fra et beta-henfald fra 135Te - tellur-125:

 
      135Te ———> 135I ———> 135Xe  ———> 135Cs  ———>  135Ba  .
< 0.5 min. - 6.7 timer - 9.2 timer - 2 * 106 år

Xenon har en overordentlig stor tilbøjelighed til at indfange neutroner.
Da stoffet efter nogen tids forløb dannes i atomreaktorer ved radioaktive henfald, er en reaktorens xenonindhold størst efter nogle timers forløb. Derfor kan det være vanskeligt at starte en reaktor, der har været stoppet nogle få timer.
Det kan ikke ske før efter få dages forløb, når xenonindholdet er faldet. Man kan alternativt indføre en kraftig neutronkilde for at få en kædeproces i gang igen.
Fænomenet kaldes for xenonforgiftning.

Top


Kædeproces i atomkraftværker.

Naturligt forekommende uran indeholder 0.72% af 235U, der er fissil og 99.28% 238U, der ikke er fissil.
For at få en kædeproces i gang i atombomber skal man isolere 235U til en renhed på over 90%.
I et a-kraftværk skal processen styres, således at den foregår tilstrækkelig langsomt. Man skal kunne styre processen, så der lige præcist dannes netop så mange neutroner, at man kan vedligeholde en kædeproces.
Langsomme neutroner indfanges flere hundrede gange lettere af 235U-kerner end hurtige neutroner. De indfanges desuden lettere af 235U- end af 238U-kerner.
Spaltningsneutronerne har meget stor hastighed (ca. 60.000 km/s) og indfanges ikke så let. Man vil derfor øge chancerne for indfangning og spaltning, hvis neutronernes hastighed nedsættes.
Det sker ved at lade neutronerne fra spaltningerne passere gennem en såkaldt moderator eller neutronbremse.

Top



Moderatoren eller neutronbremsen.

moderator Nedbremsning sker mest effektivt ved sammenstød med partikler, der næsten har samme masse som neutronen. Den mest effektive neutronbremse er derfor brintatomer, som de findes i almindelig vand.
En god og effektiv nedbremsning er ikke den vigtigste egenskab ved en god moderator, den skal have en meget lille tilbøjelighed til at absorbere neutroner.
En lille absorption er nødvendig, hvis man vil anvende naturlig uran uden berigning.
Let- og tungtvandsreaktorer anvender samtidig moderatoren som kølemedium.
Tungt vand består af ilt og tung brint, hvor de tunge brintatomer indeholder en neutron. Herved får tung brint den dobbelte dobbelte masse i forhold til alm. brint.
Tungt vand absorberer praktisk taget ikke neutroner. Derfor kan reaktorer med tungt vand anvende naturligt uran som brændsel.
Til gengæld skal man have anlæg til at udvinde tungt vand fra almindeligt vand, hvilket er meget kostbart.
Der skal anvendes store mængder tungt vand, da kernen er mere åben end i LWR-typen Det skyldes, at tungt vand er en dårligere moderator, og der skal flere sammenstød til, inden neutronerne er nedbremsede tilstrækkeligt.
Enkelte reaktortyper benytter tungt vand som moderator men let vand til afkøling. Det billiggør driften, men kan give problemer med forurening af det tunge vand led let vand.
En del typer anvender grafit som moderator. Der skal ret tykke lag til, inden neutronerne er nedbremsede - kernen er derfor større end i de øvrige typer. Grafit har mange gode egenskaber, det kan f.eks. tåle høje temperaturer.
Typen er navnlig udviklet i England, hvor man anvender carbondioxid som kølemiddel.
Andre typer anvender den dyrere inaktive luftart helium.
For at få en kædeproces i gang, må der ved spaltningen samtidig frigøres tilstrækkelig mange nye neutroner, der kan fortsætte spaltningerne.

Egnede moderatorer er:

Top


Berigning.


Uran til anvendelse i letvandsreaktorer »beriget« til 2-4% af det spaltelige 235U.

Berigningen sker i store og kostbare diffusionsanlæg eller i ultracentrifuger, som man kan se et udsnit af på figuren.
Man anvender en kemisk uranforbindelse uranhexafluorid - 235/238UF6, der er gasformigt over 60 °C. Den lidt lettere 235U-isotop diffunderer en smule nemmere gennem membranerne end den lidt tungere 238U. Ved flere tusind passager gennem membraner opstår 2 fraktioner - en beriget del - og en del med depleteret uran.
Berigningsprocessen er overordentlig kostbar og højteknologisk.

Andre metoder er under udarbejdelse.
Med laserteknik, kan man med bestemte foton-energier ionisere f.eks. 235U og ikke 238U, hvilket gør det muligt at separere de enkelte isotoper i et elektrisk felt.
Laser isotop separation - AVLIS - processen har stor interesse. Den er billig og langt mindre energikrævende end andre metoder. Metoden har den ulempe, at det vil gøre det muligt for mange lande med simpel teknik at berige uran til bombeformål.
Laserprocessen kræver en meget præcis laserfrekvens eller et nøje defineret energiniveau i laserstrålen for at kunne ionisere en af stoffets isotoper.
Med en eksakt tunet laserstråle med en bestemt energi kan man konvertere et UF6 molekyle indeholdende 235U til fast UF5, der derefter kan separeres fra hinanden.

Der er andre processer - SILEX er en molekylær proces.

Top


Formering - Breeding.

Reaktorer uden moderator kaldes hurtige reaktorer på grund af, at spaltningerne foregår med de hurtige spaltningsneutroner.
Ved spaltning med hurtige neutroner frigøres flere neutroner pr. spaltning i gennemsnit end ved spaltning med langsomme neutroner.
Disse ekstra neutroner kan indfanges i 238U-kernerne, hvorved der dannes fissilt plutonium.

Den samme proces kan ske ved at anvende thorium, der omdannes til det fissile 233U.
Thoriumreserverne er ca. 3 gange større end uranreserverne.

Den hurtige formeringsreaktor- breederen - omtales andet sted.

Formeringsreaktorer

Breeding kan desuden ske i en fusionsreaktor, hvis man omgiver reaktoren med en kappe af 238U eller thorium, hvorved der dannes henholdsvis 239Pu og 233U.
Man kan ikke umiddelbart ombytte brændslet med en anden fissil isotop, da der er nogen forskel på de fysiske egenskaber - ikke mindst m.h.t. neutronudbyttet pr. spaltning. Det kræver en modificering af reaktoren at benytte f.eks. MOX-brændsel (brændselsblanding med U-235 og Pu-238), hvor plutoniumindholdet medfører et højere neutronflow i kernen.

Top


Omregningstabel for energienheder

Omregningstabel for energienheder
1 enhed = kilojoule (kJ) kWh ton råolie MTOe ton kul m³ gas BTU MeV
1 kilojoule 1.00 2.78*10-4 23.9*10-9 23.9*10-15 34.1*10-9 28.4*10-6 0.95 6.24*1015
1 kilowatt-time 3600 1.00 86.0*10-6 86.0*10-12 123*10-6 102*10-3 3413 22.5*1019
1 Mtoe *) 41.9*1012 11.6*109 1.00*109 1.00 1.43*106 1.19*109 39.7*1012 262*1027
1 ton kul 29.3*106 8.14*103 700*10-3 700*10-9 1.00 832 2.78*106 183-15
1 m³ gas 35.2*103 978 841*10-6 841*10-12 1.20*10-3 1.00 33.4*103 220*1018
1 BTU *) 1.055 293*10-6 25.2*10-9 25,2*10-15 36.0*10-9 30.0*10-6 1.00 6.59*1033
1 MeV *) 1.60*10-16 44.5*10-21 3.82*10-24 3.82*10-30 5.47*10-24 4.55*10-21 1.52*10-16 1.00
1 kg 235U spaltet 78.8*109 21.9*106 1.88*103 1.88*10-3 2.69*103 2.24*106 75*109 492*1024
*)

BTU = British Termal Unit.
MeV = mio. elektronvolt.
Mtoe = mio. ton olieækvivalenter


Top

Præfikser i SI- navne & symboler.

© www.akraft.dk ©

Op Til top   HjemTil hovedside

Oprettet 2. 11. 2002 - - opdateret 19.02.2012
Site Meter