Til bund    Til hovedside

© www.akraft.dk ©

• Generelt om kernespaltning - fission
• Kernespaltning og kædeproces i atomreaktorer.
• Moderatoren.
• Berigning af brændsel.
• Formering - Breeding.
• Måleenheder for energi.
• Præfikser anvendt i SI (systemet).

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

• e = mc²

Øverste tal (eks.: 235) er atomtallet (= antal nucleoner),
nederste tal (eks.: 92) er atomnummeret (= antal protoner), der er 0 (nul) for neutronen.
Gammategnet viser de processer, der udvikler gammastråling.

• Typisk fissionsenergi fra spaltning af ²³⁵U.
  
  

  Energi	MeV
  Kinetisk energi fra fissions-fragmenterne	168
  Energi fra gammastråling ved fission	5
  Kinetisk energi af fissions-neutroner	5
  Energi fra betastråling fra fissions-produkter	7
  Gammastråling fra fissions-produkter	6
  Neutrinoers energi (ikke udnyttelige)	11
  Total	*)202

  
  

  (Den "nyttige energi" på ca. 190 MeV svarer til ca. 3 * 10^-11 Joule)
  Til sammenligning vil en kemisk oxydering - forbrænding - frigøre omkring 4-5 eV - eller ca. 40 mio. gange mindre energi pr. masseenhed.
  
  

• 1 gram uran afgiver ved spaltning 78.8 mia. Joule = 78.8 GJ varmeenergi.
  Til ren elproduktion udnyttes ca. 35 % af denne energi.
• 1 g svær fuelolie (nedre brændværdi ca. 40.500 kJ/kg) afgiver ca. 40.5 kJ = 0.011 kWh.
  Ved ca. 40 % virkningsgrad kræver det ca. 220 g olie at producere 1 kWh.
  Den højere udnyttelse skyldes at konventionelle kraftværker benytter en højere arbejdstemperatur.

Fissile atomer er:

• ²³⁵U. Isotopen findes i naturligt forekommende uran i en mængde på 0.7 %.
  De 99.3 % består at isotopen ²³⁸U, der ikke er spaltelig.
  ²³⁵Uran er den eneste fissile isotop, der findes naturligt.
• ²³³Uran. Forekommer stort set ikke naturligt. Produceres ved bestråling af Thorium.
  
• ²³⁹Pu (Plutonium-239)er ikke naturligt forekommende. Det er en transuran.
  Det dannes ved bestråling af ²³⁸U og en påfølgende omdannelse ved radioaktivt henfald.
  Det dannes derfor i brændselselementerne under driften.
  En betydelig del - 30-40 % af energien fra a-kraftværker - stammer fra spaltning af plutonium, som dannes under driften.
  Andre plutoniumisotoper kan også spaltes.
  ²⁴⁰Pu spalter spontant uden ydre anledning. Det er brændslets indhold af denne isotop der gør, at brugt brændsel ikke egner sig som grundlag for fremstilling af atombåben.
  Også isotopen ²⁴¹Pu er spaltelig.
  

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 ———> 135Jod  ———> 135Xe  ———> 135Cs  ———>  135Ba  .

      < 0.5 min.  - 6.7 timer - 9.2 timer - 2 * 106 år

Top

Top

Egnede moderatorer er:

• Moderatorer

• Stof	Formel	Effektivitet	Nedbremsning - cm.
  Let vand	H2O	62	5.74
  Tungt vand	D2O	4820	10.93
  Grafit	C	216	19.7
  Beryllium	Be	62	125

Effektivitet eller »Modererating Ratio« er beregnet udfra egenskaberne ved nedbremsning og sandsynligheden for at neutronen bliver absorberet

Top

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 lettere 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.
Laser processen kræver en meget præcis laserfrekvens eller 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

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.

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.

Top

Omregningstabel for energi-enheder

1 enhed =	kJoule (kJ)	kWh	tons råolie	MTOe	t kul	m³ n-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 tons 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. t. olieækvivalenter

Top

Præfikser i SI- navne & symboler

Talbetegnelse	M-faktor	Navn	Symbol	M-faktor	Navn	Symbol
Quadrillion	1024	yotta	Y	10-24	yocto	y
Trilliard	1021	zetta	Z	10-21	zepto	z
Trillion	1018	exa	E	10-18	atto	a
Billiard	1015	peta	P	10-15	femto	f
Billion	1012	tera	T	10-12	pico	p
Milliard	109	giga	G	10-9	nano	M
Million	106	mega	M	10-6	mikro	µ
Tusinde	103	kilo	k	10-3	milli	m
Hundrede	102	hekto	h	10-2	centi	c
Ti	101	deca	da	10-1	deci	d


M-faktor = multiplikations-faktor

Til top

Til hovedside