Kärnfysik och energiproduktion Översikt över modern fysik Kärnfysik och energiproduktion Naturens minsta byggstenar Vanlig materia  atomer  atomkärnor och elektroner   neutroner och protoner  kvarkar Kärnfysik

Atomkärnan En atomkärna består av ett antal neutroner och protoner, Översikt över modern fysik Atomkärnan En atomkärna består av ett antal neutroner och protoner, dessa kallas tillsammans kärnpartiklar, eller nukleoner. + Partikel Laddning Massa Neutron 0 1,008665 u Proton +e 1,007276 u Elektron - e 5,485799·10-4 u 1u = 1,66·10-27 kg Antalet protoner betecknas Z och kallas atomnummer. Antalet neutroner betecknas N. Antalet kärnpartiklar betecknas A och kallas masstal. A En specifik kärna betecknas: Kemisk beteckning Periodisk tabell Z www.shef.ac.uk/~chem/web-elements

Översikt över modern fysik Exempel på atomkärnor

Atomkärnan Kärnor med samma antal protoner, men olika antal Översikt över modern fysik Atomkärnan Utgör ca 11% av naturligt Magnesium Kärnor med samma antal protoner, men olika antal neutroner kallas för isotoper, t ex: Utgör ca 10% av naturligt Magnesium Utgör ca 79% av naturligt Magnesium + Kärnpartiklarna hålls i kärnan ihop i en sfärisk form. Kärnans radie ges av r  r0 A1/3, r0  1,2·10-15 m 2 r

Den starka kärnkraften Översikt över modern fysik Den starka kärnkraften Vad får neutroner och protoner att hålla samman i en atomkärna? Det finns en elektrostatisk repulsion mellan protonerna. Den kraft som håller samman atomkärnan kallas för den starka kärnkraften och är en av de 3 fundamentala krafterna i naturen (de andra är gravitation och elektrosvag kraft). Den starka kärnkraftens exakta form är ej känd, men följande egenskaper är välkända: Oberoende av laddning (i stort sett). Kort räckvidd, ca 10-15 m.

Naturligt förekommande kärnor Översikt över modern fysik Naturligt förekommande kärnor Balansen mellan den starka kärnkraften, med dess korta räckvidd, och den elektrostatiska repulsionen mellan protonerna, gör att atomkärnor endast existerar naturligt för vissa givna kombinationer av antalet neutroner och protoner. Vissa kärnor i naturen är instabila och bryts spontant upp i delar.  Radioaktivitet

Översikt över modern fysik Bindningsenergi Två empiriska fakta leder oss till begreppet bindningsenergi För att frigöra en kärnpartikel från en atomkärna så måste energi tillföras (kärnpartiklarna hålls samman av den starka kärnkraften som måste övervinnas). För en given atomkärna så är summan av de individuella kärnpartiklarnas massor större än kärnans massa. + + + bindningsenergi  Bindningsenergi =  m c2

Översikt över modern fysik Bindningsenergi Ju större bindningsenergi en atomkärna har, ju svårare är det att sönderdela den. För att kunna jämföra olika atomkärnor brukar man presentera bindningsenergin per nukleon som funktion av masstalet. Figuren visar att vi kan vinna energi genom att slå ihop lätta kärnor (fusion) eller genom att sönderdela tunga kärnor (fission).

Bindningsenergi Exempel: Bestäm bindningsenergin för tritium (= 31H). Översikt över modern fysik Bindningsenergi Exempel: Bestäm bindningsenergin för tritium (= 31H). Lösning: Tritium består av två neutroner och en proton. Deras sammanlagda massor är (inkluderande elektronmassor) mindv  2·1,008665 + 1,007824 = 3,025154 u Masskillnaden blir m = mindv - mtritium  3,025154 - 3,016050 = 0,009104 u Bindningsenergin blir (1u  931,5 MeV) ’Bindningsenergi’  931,5 · 0,009104 = 8,480 MeV Bindningsenergin per nukleon blir ’Bindningsenergi’/A  8,480 / 3  2,827 MeV

Radioaktivitet Kärnor som ej är stabila sönderfaller spontant. Översikt över modern fysik Radioaktivitet Kärnor som ej är stabila sönderfaller spontant. Dessa kärnor kallas för radioaktiva kärnor. Livslängden för en radioaktiv kärna varierar stort från kärna till kärna, från ns upp till tiopotenser av år. När radioaktiva kärnor spontant sönderdelas så sänds olika ”partiklar” ut. De vanligaste är: helium kärna, kallas -strålar eller -partiklar, elektron, kallas -strålar eller -partiklar, fotoner, kallas -strålar. Vid radioaktivt sönderfall bevaras alltid totala antalet kärnpartiklar

Radioaktivt sönderfall och halveringstid Översikt över modern fysik Radioaktivt sönderfall och halveringstid Antalet radioaktiva kärnor som finns vid en given tid t avtar exponentiellt Tiden t = T1/2 då halva mängden sönderfallit, kallas för halveringstid. T1/2 2T1/2

Biologiska effekter Översikt över modern fysik Jämförelse av skadeverkning från olika typer av strålning Strålningstyp Q 200 keV röntgenstrålning 1 -strålning 1 --strålning 1 Protoner 10 -strålning 10-20 Långsamma neutroner 2 Snabba neutroner 10 Dosekvivalenter mottaget av USA-inv. Strålkälla H (mrem/år) Kosmisk strålning 28 Radioaktivitet i jord/luft 28 Interna radioaktiva kärnor 39 Radon (in-andats) 200 Konsumtionsvaror 10 Läkar/tandläkardiagnos 39 Medicin 14 Effekter vid engångsdoser < 50 rem Inga korttidseffekter. 50 - 300 rem strålningssjuka. 400 - 500 rem 50% av exponerade personer avlider. > 600 rem I stort sett alla avlider. Gränsvärde USA Befolkning, < 500 mrem/år Arbete, < 5 rem/år

garbo.lucas.lu/~kosu_fokin Översikt över modern fysik Kärnreaktioner garbo.lucas.lu/~kosu_fokin En reaktion mellan två atomkärnor kan åstadkommas genom att låta två atomkärnor kollidera med tillräckligt hög energi (så att den elektrostatiska repulsionen övervinns). Vid en kärnreaktion kan nukleoner överföras från en av de kolliderande kärnorna till den andra. Exempel + Vid en kärnreaktion kan energi vinnas eller förloras (beroende på kolliderande kärnor och restprodukter).

Översikt över modern fysik Fission När en 235U kärna fångar in en neutron (med låg energi) så finns en stor sannolikhet att den sönderdelas i två nya kärnor, samtidigt som ett antal (1-5) neutroner frigörs. Denna process kallas för fission. Ungefär 200 MeV energi frigörs per fission. Detta är en oerhört stor energimängd, vilket inses av att fission av ett kg 235U skulle ge en energi på ca 82·1012 J = 22777777 kWh

Översikt över modern fysik Kedjereaktion De neutroner som frigörs vid fission av 235U kan användas till att fissionera nya 235U kärnor, härvid produceras nya neutroner som kan användas ….  kedjereaktion Okontrollerad fission  fissionsbomb Kontrollerad fission  kärnreaktor n U

Kärnreaktorer Översikt över modern fysik I en kärnreaktor har följande komponenter en viktig funktion. Bränsleelement: Innehåller det klyvbara ämnet Moderator: Bromsar ner de producerade neutronerna till termiska neutroner. I många reaktorer används vatten som moderator, och utnyttjas samtidigt till att ta upp den värmeenergi som produceras vid fissionen. Kontrollstavar: Fångar upp (absorberar) neutroner och hindrar dem därmed att fissionera fler kärnor. Nettoeffekten blir att från varje fission utnyttjas en neutron till att producera en ny fission; reaktorn sägs fungera kritiskt.

Kärnkraft i Sverige Översikt över modern fysik Från http://www1.sydkraft.se/bkab/ 1. I reaktorn finns uranbränsle och vatten. 2. När uranet klyvs frigörs energi som värmer det omgivande vattnet. 3. Vattnet börjar koka, ånga bildas. 4. Ångan leds vidare till turbinen. 5. Ångan träffar med hög hastighet turbinens skolvar. Turbinaxeln roterar med 3.000 varv per minut. 6.Turbinen driver den generator som alstrar elektriciteten. 7. Elen leds vidare via kraftledningar till de olika förbrukarna. 8. När ångan avgett sin energi i turbinen leds den vidare till kondensorn som består av ett stort antal smala rör genom vilka havsvatten pumpas. När ånga träffar utsidan av rören kondenseras den, det vill säga blir vatten. 9. Vattnet pumpas tillbaka till reaktorn där det värms upp igen för att göra ett nytt kretslopp. Reaktorerna i Barsebäcksverket och Oskarshamnsverket är så kallade kokarreaktorer (Boiling Water Reactor,BWR).

Nackdelar med kärnreaktorer En mängd radioaktiva ämnen skapas, en del med mycket lång halveringstid. Förvaring av radioaktiva restprodukter under mycket lång tid! Fissionsprocessen sker kritiskt, vilket medför risk för härdsmälta. Begränsad mängd kärnbränsle tillgängligt. Alternativ: Fusion Acceleratorbaserad teknik för energiproduktion

Fusion Mer energi per nukleon kan vinnas vid sammanslagning Översikt över modern fysik Fusion Mer energi per nukleon kan vinnas vid sammanslagning (fusion) av lätta kärnor än vid klyvning (fission) av tunga. Det finns massor av deuterium (2H) i havet, vilket är lätt att separera från vanligt väte. För att överkomma den elektrostatiska repulsionen måste energi tillföras. Om termisk energi i en gas (plasma) utnyttjas så måste gasen (plasman) ha en temperatur på ca 4·108 K! Förekommer i stjärnor och fusionsbomber (vätebomb).

Fusionsreaktorer Hitinitlls har alla försök att i laboratoriet Översikt över modern fysik Fusionsreaktorer Hitinitlls har alla försök att i laboratoriet skapa en fortvarig fusionsprocess ”kostat” mer energi än vad som vunnits. Ett problem är att hålla den oerhört heta plasman innesluten tillräckligt lång tid. Magnetisk inneslutning: (t ex Tokamak reaktorn i princeton)

Fusionsreaktorer Inertial confinement: Bränslepellets bestrålas med Översikt över modern fysik Fusionsreaktorer Inertial confinement: (www.nuc.berkeley.edu/thyd/icf/IFE.html) Bränslepellets bestrålas med hög-intensitets laser eller atomkärnor  hög täthet, tryck och temperatur alstras i det inre av varje pellet.

Acceleratorbaserad teknik Översikt över modern fysik Acceleratorbaserad teknik www-adtt.lanl.gov Ett av problemen med en traditionell kärnreaktor är att en mängd radioaktiva ämnen skapas, en del med mycket lång halveringstid. Kan det radioaktiva sönderfallet påskyndas? Ja, genom kärnreaktioner (transmutation) Lämpligt för restprodukter från kärnreaktorer: Neutroninducerade reaktioner med hög neutronenergi + Behövs: Hög intensitet av neutroner

Acceleratorbaserad teknik Översikt över modern fysik Acceleratorbaserad teknik Producera protoner med hög energi och intensitet i en protonaccelerator. Låt protonerna producera neutroner genom att kollidera med ett metallmaterial. Neutronerna reagerar sedan med de kärnor som finns i bränslet och omvandlar (transmuterar) dem till mindre farliga ämnen.

Acceleratorbaserad teknik Översikt över modern fysik Acceleratorbaserad teknik

Acceleratorbaserad teknik Översikt över modern fysik Acceleratorbaserad teknik Fördelar med acceleratorbaserad teknik Omvandlar långlivade radioaktiva ämnen till stabila och kortlivade ämnen (förvaring max 300 år). Kan användas för energiproduktion. Säkrare funktion än traditionell kärnreaktor (fungerar underkritiskt)