Hvad er kernereaktioner? Fusion, fission og radioaktivt henfald

Lær om kernereaktioner: fusion, fission og radioaktivt henfald — hvordan de virker, frigiver energi og påvirker solen, atomreaktorer og moderne forskning.

En kernereaktion er en proces, der involverer en atomkerne eller mere end en atomkerne. De mest almindelige former er

1. Kernefusion, en reaktion, hvor to eller flere partikler støder sammen. Resultatet er nye partikler, som er forskellige fra de første.
2. Kernefission, en kerne, der splittes i stykker.
3. Radioaktivt henfald, hvor en kerne spytter noget ud og forvandler sig selv til en anden slags kerne.

I tilfælde af radioaktivitet er reaktionen spontan. Spaltning og fusion kan ske med vilje for at frigøre energi. Denne energi kan så bruges til forskellige ting, f.eks. til at lave damp (som i et atomkraftværk). Den kan også bruges som energi til en bombe.

I eksemplet i figur ⁶ fusionerer ^Li med deuterium. Herved dannes beryllium, som derefter henfalder til to alfapartikler.

Atomreaktioner forekommer i solen, i atomreaktorer, i partikelacceleratorer og i det ydre rum. Bortset fra radioaktivthenfald er det kun meget få kernereaktioner, der finder sted på jorden, bortset fra disse særlige steder. Atomreaktorer bruger kernereaktioner til at producere varme og elektricitet. Acceleratorer forårsager undertiden atomreaktioner for at fremstille radioaktive materialer. Partikler fra det ydre rum forårsager kernereaktioner i jordens atmosfære, som gør luften lidt radioaktiv.

Nukleare reaktioner adskiller sig fra kemiske reaktioner ved, at de ikke har brug for en katalysator. Radioaktivt henfald kan heller ikke stoppes, fremskyndes eller forsinkes.

Kernefusion

Kernefusion er sammensmeltning af to lettere atomkerner til en tungere kerne. For at to positivt ladede kerner kan komme tæt nok til at fusionere, kræves meget høje temperaturer og/eller stort tryk for at overvinde deres elektriske frastødning. I naturen foregår dette i solen og andre stjerner, hvor proton‑proton‑kæden og CNO‑cyklusene omdanner brint til helium og frigiver store mængder energi.

Teknologisk forsøger man at udnytte fusion til ren energiproduktion (f.eks. i tokamaks eller ved inertial confinement). De mest lovende reaktioner i forsøg er deuterium‑tritium (D‑T) og deuterium‑deuterium (D‑D). Ved fusion omdannes en lille mængde masse til energi ifølge Einsteins formel E = mc², og denne "masse‑defekt" er årsag til den store energimængde pr. reaktion.

Kernefission

Kernefission sker, når en tung atomkerne (som uran eller plutonium) absorberer en neutron og spaltes i to lettere fragmenter. Spaltningen frigiver energi og ofte flere frie neutroner, som kan ramme andre kerner og skabe en kædereaktion. Hvis kædereaktionen holdes kontrolleret, bruges den til el‑produktion i atomreaktorer; hvis den bliver ukontrolleret, kan den føre til en eksplosion (atomvåben).

I reaktorer regulerer man reaktionen med moderatorer (som sænker neutronernes hastighed) og kontrolstænger (som absorberer neutroner). Spaltningsprodukterne er ofte radioaktive og skal håndteres som nukleart affald.

Radioaktivt henfald

Radioaktivt henfald er en spontan omdannelse af en ustabil kerne til en mere stabil kerne. De mest almindelige henfaldstyper er:

• Alfa‑henfald: udsendelse af en alfapartikel (to protoner + to neutroner).
• Beta‑henfald: omdannelse af en neutron til en proton eller omvendt, med udsendelse af et elektron (beta‑) eller positron (beta+), ofte ledsaget af en neutrino.
• Gamma‑henfald: emission af højenergetisk elektromagnetisk stråling fra en eksiteret kerne.

Henfald sker med karakteristiske hastigheder, angivet ved en halveringstid (den tid det tager for halvdelen af en given mængde af isotopen at henfalde). Aktivitet måles i becquerel (Bq), hvor 1 Bq = 1 henfald pr. sekund. Aktiviteten falder eksponentielt med tiden.

Anvendelser og forekomst

Kernereaktioner og radioaktive isotoper har mange praktiske anvendelser: elproduktion i atomreaktorer, medicinske isotoper til diagnostik og behandling, datering af organiske materialer (f.eks. C‑14), industrielt brug som gammagrafi og sterilisering, samt forskning i partikelacceleratorer. Som nævnt forekommer kernereaktioner naturligt i solen og i det ydre rum, og partikler fra det ydre rum skaber også radioaktive isotoper i jordens atmosfære.

Sikkerhed og miljø

Stråling fra nukleare reaktioner kan være farlig for levende organismer. Sikkerhedsforanstaltninger inkluderer afskærmning (bly, beton), afstand, tidsbegrænsning og kontrolleret håndtering af radioaktivt affald. Affald klassificeres efter aktivitet og halveringstid, og langtidslagring og behandling er en vigtig del af den nukleare sikkerhedspolitik.

Forskelle fra kemiske reaktioner

Nukleare reaktioner ændrer atomkernen og kan skabe helt nye grundstoffer eller isotoper. De involverer energiskalaer (MeV) der er millioner af gange større end typiske kemiske reaktioners energier (eV), og de påvirkes ikke af katalysatorer eller almindelige kemiske forhold. Radioaktivt henfald kan generelt ikke stoppes eller kontrolleres på samme måde som kemiske processer.

Samlet set er kernereaktioner centrale for vores forståelse af universet og har både store muligheder (energiforsyning, medicin) og udfordringer (sikkerhed, affaldshåndtering).

Spørgsmål og svar

Spørgsmål: Hvad er en atomreaktion?

Sp: Hvordan virker kernefusion?

Spørgsmål: Hvad er resultatet af en atomfissionsreaktion?

Spørgsmål: Hvordan adskiller radioaktivt henfald sig fra andre typer reaktioner?

Spørgsmål: Hvor finder kernereaktioner sted?

Spørgsmål: Hvad er nogle anvendelsesmuligheder for den energi, der frigives ved en kernereaktion?

Søg efter bogstav