Kernefission (atomspaltning): Energi, anvendelser og historie

Lær om kernefission: energi, historie, anvendelser i atomkraft og våben, mekanismer, reaktordrift og sikkerhed — forstå atomspaltningens betydning og risici.

Atomspaltning er en form for atomreaktion. Når et atom splittes i mindre atomer, kaldes det kernefission eller atomspaltning. Nogle fissionsreaktioner afgiver store mængder energi og udnyttes både i atomvåben og i atomreaktorer til produktion af elektricitet. Kernefission blev opdaget i december 1938 af den tyske atomkemiker Otto Hahn og hans assistent Fritz Strassmann i Berlin; den fysiske forklaring blev hurtigt udviklet af Lise Meitner og Otto Frisch.

Hvad er et atom og hvilke kerner kan spaltes?

Et atom er den mindste partikel, som udgør et kemisk grundstof (f.eks. brint, ilt, magnesium). Alle atomer er meget små. Atomer består af tre komponenter eller partikler: protoner, neutroner og elektroner. Protonerne og neutronerne er klumpet sammen i en kugle kaldet en kerne, som befinder sig i midten af hvert atom. Elektronerne kredser rundt om kernen i dens "elektronsky". Grundstoffer med store kerner, som f.eks. uran og plutonium, har kerner, der kan spaltes eller omdannes ved neutronpåvirkning.

Hvordan foregår en fissionsproces?

Hvis en (relativt) meget stor atomkerne rammes af en langsom neutron, vil den undertiden blive ustabil og splittes i to (eller flere) mindre kerner. Når kernen går i stykker (eller spaltes), frigives energi, hovedsagelig i form af højeenergiske fotoner (gammastråler) og varme. Samtidig frigøres ofte flere neutroner fra den splittede kerne.

Hvilke isotoper der kan spalte let afhænger af deres nukleare struktur. Nogle isotoper, kaldet fissile (fx U-235, Pu-239), kan spaltes af langsomme (termiske) neutroner. Andre isotoper er fertile (fx U-238), hvilket betyder, at de ikke spaltes direkte af langsomme neutroner, men kan omdannes til fissile isotoper ved neutronfangst og radioaktivt henfald.

Kædereaktion, kritisk masse og neutronenergi

For nogle få isotoper (et atom med det samme antal protoner, men et forskelligt antal neutroner) kan en sådan spaltning frigøre mange neutroner. Hvis disse neutroner derefter rammer andre atomer, vil de få de andre atomer til at splitte. Dette kan ske igen og igen. Dette kaldes en kernekædereaktion, og den kan frigive enorme mængder energi meget hurtigt. Den energimængde, der frigives ved en atomkæde-reaktion, måles i kiloton. En kiloton er det samme som energien fra tusind tons TNT (trinitrotoluen). For meget hurtige, ukontrollerede kædereaktioner får man et våben; for kontrollerede reaktioner får man energi i reaktorer.

Begreber som kritisk masse (den mindste mængde materiale, hvor en selvopretholdende kædereaktion kan finde sted), neutronenergi (hurtige vs. langsomme neutroner) og neutronmoderator (stof, som sænker neutronernes energi, fx vand eller grafit) er centrale for at forstå og styre fissionsprocessen.

Styring i atomreaktorer

I en atomreaktor ønskes en langsomt kontrolleret kædereaktion, så varme kan produceres jævnt. Det sker ved hjælp af:

• Moderator – materiale (fx tungt eller let vand, grafit) der sænker neutronernes hastighed og øger sandsynligheden for spaltning i fissile isotoper.
• Styringsstænger (control rods) – lavet af neutronabsorberende materialer (fx bor eller kadmium), som kan indsættes for at reducere reaktionshastigheden eller fjernes for at øge den.
• Kølemiddel – fjerner varme fra brændselselementerne; varmen bruges til at koge vand til damp, som sætter en dampturbine i gang og genererer elektricitet.
• Indkapsling og sikring – tanke, reaktortrykbeholdere og sikkerhedssystemer, som forhindrer radioaktiv frigivelse.

Anvendelser

• Elektricitetsproduktion: Kernekraftværker leverer store mængder stabil baseload-el og udgør fortsat en væsentlig andel af verdens elektricitet.
• Militære formål: Hurtige ukontrollerede kædereaktioner udnyttes i atombomber.
• Marine fremdrift: Atomreaktorer driver nogle flådefartøjer som atomdrevne ubåde og isbrydere.
• Forskning og medicin: Forskningreaktorer producerer neutroner og radioisotoper til medicinsk diagnostik og behandling (fx technetium-99m) samt materialeforskning.

Sikkerhed, affald og miljø

Kerneenergi har fordele og risici. Fordele er høj energitæthed og lav udledning af CO2 under drift. Risiciene omfatter muligheden for alvorlige ulykker (eksempler fra historien omfatter hændelser som Three Mile Island, Chernobyl og Fukushima), samt håndtering af radioaktivt affald.

Affaldet fra fission omfatter brugt brændsel med høje aktiviteter og lang halveringstid, samt lav- og mellemaktivt affald fra drift og nedrivning. Løsninger omfatter midlertidig lagring, genbrug/reprocessering af brændsel og planlægning af permanent lagring i dybe geologiske magasiner. Forskning i nye reaktordesigns (fx hurtige reaktorer og avancerede brændstoffer) sigter mod at reducere affaldsmængde og udnytte brændstof mere effektivt.

Kort historisk perspektiv

Opdagelsen af fission i 1938 af Otto Hahn og Fritz Strassmann udløste en hurtig videnskabelig opklaring af fænomenet ved Lise Meitner og Otto Frisch. Under Anden Verdenskrig førte denne viden til Manhattan-projektet og udviklingen af de første atomvåben. Efter krigen blev teknologien også rettet mod civil anvendelse, og de første kommercielle atomkraftværker begyndte at levere elektricitet i 1950'erne og 1960'erne.

Vigtige begreber (kort)

• Neutron: neutral partikel i atomkernen som kan starte fission ved at ramme en atomkerne.
• Fissil: isotop der kan spaltes ved neutronpåvirkning (fx U-235, Pu-239).
• Fertile: isotop der kan omdannes til fissil ved neutronfangst (fx U-238).
• Kritisk masse: mindste mængde materiale til en selvopretholdende kædereaktion.
• Moderator: stof der sænker neutronernes energi for at øge spaltningseffektiviteten.

Kernefission er således et komplekst emne med stor teknisk og samfundsmæssig betydning: fra fundamentale nukleare processer over praktiske reaktordesigns til etiske og politiske overvejelser om sikkerhed, våbenkontrol og affaldshåndtering.

Spørgsmål og svar

Spørgsmål: Hvad er nuklear fission?

Spørgsmål: Hvem opdagede atomfission?

Spørgsmål: Hvad består atomer af?

Sp: Hvilke grundstoffer kan bringes til at gennemgå spaltning?

Spørgsmål: Hvordan opstår der en kædereaktion under kernespaltning?

Sp: Hvordan anvendes den varme, der udvikles under kernespaltningen?

Søg efter bogstav