Fisjon av ett gram uran-235 frigjør 8,2 · 10¹⁰ joule. Det tilsvarer 22 800 kilowattimer varmeenergi. Uran er så tungt at det ene grammet er en kule på under fem millimeter. Skulle du hentet den samme energien fra olje, måtte du brent rundt to tonn. Fisjon og fusjon er de to måtene å hente energi ut av atomkjerner på, og forskjellen ligger i grafen over bindingsenergi per nukleon.
Legg merke til ordet varmeenergi. Et kjernekraftverk klarer å gjøre om omtrent en tredel av varmen til elektrisitet, resten går tapt som spillvarme. De 22 800 kWh varme blir altså rundt 7 500 kWh strøm i stikkontakten. Den forskjellen glipper ofte på prøver: energien som frigjøres i kjernen er varme, ikke ferdig levert strøm.
Fusjon kan gi enda mer energi per mengde brensel. Regnet per nukleon gir fusjon av deuterium og tritium omtrent fire ganger så mye som fisjon av uran. Sola har frigjort energi ved fusjon i omtrent fire og en halv milliard år, men gjennom andre reaksjoner enn deuterium-tritium-fusjon.
To prosesser som er rene motsetninger, og begge gir energi. Under ser vi på hvorfor, og på hva som gjør at den ene har drevet kraftverk siden 1950-tallet mens den andre fortsatt sitter på forsøksstadiet.
Hvorfor frigjør begge prosessene energi?
Svaret ligger i en graf du bør kunne tegne fra hukommelsen: gjennomsnittlig masse per nukleon (u), plottet mot nukleontallet.
Grafen starter høyt for de letteste kjernene, faller bratt, treffer et minimum i området rundt jern og nikkel, og stiger så svakt igjen mot de tyngste grunnstoffene. Jern-56 ligger svært nær minimum i masse per nukleon og er blant de aller mest stabile nuklidene vi kjenner. I Fysikk 1 er jern-56 den etablerte pekepinnen, og du kan trygt bruke den.
Vær likevel oppmerksom på at de to grafene ikke har bunnpunkt og toppunkt på nøyaktig samme nuklide. Lavest masse per nukleon har jern-56. Høyest bindingsenergi per nukleon har nikkel-62. Forskjellen kommer av at et proton og et nøytron ikke veier det samme, så regnestykkene skiller lag på fjerde desimal. Snakker du om regionen framfor én enkelt kjerne, er du på trygg grunn uansett hvilken av grafene som ligger foran deg.
Konsekvensen er enkel. Beveger du deg mot jern, går massen per nukleon ned, og massedifferansen kommer ut som energi etter E = Δm · c². Tunge kjerner må dele seg for å komme nærmere jern. Det er fisjon. Lette kjerner må smelte sammen. Det er fusjon. Begge prosessene beveger kjernene i retning av jern- og nikkelområdet, og begge gir energi fordi produktene til sammen veier litt mindre enn utgangsstoffene.
Den samme informasjonen ligger i grafen over bindingsenergi per nukleon, som er nesten et speilbilde: der har jern- og nikkelområdet et toppunkt i stedet for et bunnpunkt. Høy bindingsenergi per nukleon betyr lav masse per nukleon. Det er to måter å si det samme på.
Hva skjer ved fisjon?
Fisjon betyr spalting. En tung atomkjerne, typisk uran-235 eller plutonium-239, deles i to lettere datterkjerner.
Det skjer fordi tunge kjerner er ustabile i utgangspunktet. Protonene er positivt ladd og frastøter hverandre elektrisk, mens den sterke kjernekraften holder nukleonene sammen. Den sterke kjernekraften virker bare over svært korte avstander. I en stor kjerne rekker den så vidt fra nabo til nabo, mens den elektriske frastøtningen virker over hele kjernen. Balansen blir dårligere jo tyngre kjernen er.
Når en uran-235-kjerne absorberer et nøytron, kan den spaltes. Kjernen deler seg, og ut kommer to datterkjerner, energi, og som regel to eller tre nye frie nøytroner. De nøytronene kan treffe nye urankjerner, som deler seg og sender ut enda flere nøytroner. Dette er en kjedereaksjon, og det er hele poenget med et kjernekraftverk.
Datterkjernene er ofte eksitert, altså at de sitter igjen med overskuddsenergi rett etter spaltingen. Den kvitter de seg med som gammastråling i løpet av brøkdeler av et sekund.
Lagringsproblemet har en annen årsak. En tung urankjerne har flere nøytroner per proton enn en stabil middels tung kjerne trenger. Når den deles i to, arver datterkjernene et nøytronoverskudd. De er derfor ustabile nuklider som henfaller videre, som regel ved beta-minus, ofte gjennom flere ledd før de lander på noe stabilt. Jod-131, cesium-137 og strontium-90 er de kjente eksemplene. Halveringstidene varierer mye: jod-131 henfaller i løpet av dager, mens cesium-137 og strontium-90 har halveringstider på rundt 30 år.
Kritisk masse
Skal kjedereaksjonen holde seg gående, må nok av nøytronene treffe en ny kjerne før de slipper ut av materialet. Den minste mengden som klarer det kalles kritisk masse. Verdien avhenger av blant annet isotopsammensetning, form, tetthet og materialene rundt. Det finnes derfor ikke én fast kritisk masse som gjelder i alle reaktorer.
Derfor er brenselet i en reaktor fordelt på mange små brenselelementer som hver for seg er underkritiske, mens de til sammen gir en kontrollert kjedereaksjon.
Hva skjer ved fusjon?
Fusjon går motsatt vei. To lette kjerner smelter sammen til én tyngre. Det er slik stjerner produserer energi.
I sola går det meste gjennom proton-proton-kjeden, som har tre steg. Først smelter to protoner sammen, det ene gjøres om til et nøytron, og resultatet er en deuteriumkjerne pluss et positron og et nøytrino. Så treffer deuteriumkjernen et nytt proton og blir til helium-3, samtidig som det sendes ut gammastråling. Til slutt møtes to helium-3-kjerner og danner helium-4, og da frigjøres to protoner som kan starte på nytt. Nettoreaksjonen er fire hydrogenkjerner inn, én heliumkjerne ut.
Legg merke til det første steget: et proton gjøres om til et nøytron. Det er en svært sjelden prosess. Sola kommer unna med det fordi den har ufattelig mye hydrogen og ufattelig god tid. En reaktor på jorda som bygde på proton-proton-kjeden ville produsert nesten ingenting.
Hvor mye energi er det snakk om?
Her kan du regne selv. Start med fisjon av ett gram rent uran-235.
n=\frac{6{,}022\cdot10^{23}}{235}\approx2{,}56\cdot10^{21}Hver fisjon frigjør i snitt rundt 200 MeV, altså 200 · 10⁶ · 1,602 · 10⁻¹⁹ J = 3,20 · 10⁻¹¹ J.
E=2{,}56\cdot10^{21}\cdot3{,}20\cdot10^{-11}\,\mathrm{J}\approx8{,}2\cdot10^{10}\,\mathrm{J}Delt på 3,6 · 10⁶ J/kWh blir det 22 800 kWh. Ett tonn olje regnes vanligvis til 41,9 · 10⁹ J, så 8,2 · 10¹⁰ J svarer til 1,96 tonn, altså i underkant av to tonn olje.
Så fusjon. Reaksjonen mellom deuterium og tritium er den man satser på i reaktorer:
{}^2\mathrm{H}+{}^3\mathrm{H}\rightarrow{}^4\mathrm{He}+\mathrm{n}Slå opp nuklidemassene og trekk fra:
| Side | Masse |
| ²H + ³H | 2,014102 u + 3,016049 u = 5,030151 u |
| ⁴He + n | 4,002603 u + 1,008665 u = 5,011268 u |
| Δm | 0,018883 u |
Med 1 u = 931,49 MeV/c² gir det
\begin{aligned}E&=0{,}018883\cdot931{,}49\,\mathrm{MeV}\\&\approx17{,}6\,\mathrm{MeV}\approx2{,}8\cdot10^{-12}\,\mathrm{J}\end{aligned}Tallet ser lite ut ved siden av de 200 MeV fra fisjon, helt til du deler på antall nukleoner. Fisjonen fordeler 200 MeV på 236 nukleoner, altså 0,85 MeV hver. Fusjonen fordeler 17,6 MeV på fem nukleoner, altså 3,5 MeV hver. Fusjon er rundt fire ganger så energitett per nukleon.
To forbehold på urantallet. De 200 MeV er et gjennomsnitt, siden fisjon gir ulike datterkjerner fra gang til gang. Og regnestykket forutsetter rent uran-235 som spaltes fullstendig. Ett gram reaktorbrensel gir langt mindre.
Hva skiller fisjon fra fusjon i praksis?
| Egenskap | Fisjon | Fusjon |
| Hva skjer | Tung kjerne spaltes i to lettere | To lette kjerner smelter til én tyngre |
| Typisk brensel | Uran-235, plutonium-239 | Deuterium og tritium |
| Utløses av | Et fritt nøytron treffer kjernen | Ekstremt høy temperatur og trykk |
| Hvor det skjer naturlig | Sjelden, i tunge ustabile kjerner | I stjerner, blant annet i sola |
| Kjedereaksjon | Ja, må kontrolleres aktivt | Nei, prosessen stanser av seg selv hvis noe svikter |
| Energi per nukleon | Ca. 0,85 MeV | Ca. 3,5 MeV |
| Avfall | Langlivede fisjonsprodukter og transuraner | Helium og reaktormaterialer som blir radioaktive av nøytronstråling |
| Status i dag | I kommersiell drift over hele verden | På forsøksstadiet |
Hvordan fungerer et kjernekraftverk?
Et kjernekraftverk er i praksis et dampkraftverk der varmekilden er en kjedereaksjon i stedet for en fyrkjele.
Kontrollstavene styrer reaksjonen. De er laget av materiale som suger til seg frie nøytroner. Senkes de ned mellom brenselelementene, fanger de nøytroner, færre kjerner spaltes, og effekten går ned. Trekkes de opp, skjer det motsatte.
Moderatoren bremser nøytronene. De som slynges ut ved fisjon går altfor fort til å bli fanget effektivt av en ny urankjerne. I den vanligste reaktortypen, lettvannsreaktoren, er det vannet rundt brenselelementene som senker farten, og først da blir kjedereaksjonen selvgående. Moderatoren gjør også at kravet til anrikning blir lavere, altså at en mindre andel av urankjernene trenger å være uran-235.
I nettopp lettvannsreaktoren er dette samtidig en innebygd sikkerhetsmekanisme: forsvinner vannet, forsvinner moderatoren, og kjedereaksjonen stanser. Vær forsiktig med å gjøre dette til en regel for alle reaktorer. Tsjernobyl-reaktoren brukte grafitt som moderator og vann som kjølemiddel, og der ga tap av vann motsatt effekt, altså økt effekt i stedet for stans. Andre reaktorer kan bruke tungtvann eller grafitt som moderator, mens gass kan brukes som kjølemiddel. Skriv «i en lettvannsreaktor» når du beskriver denne mekanismen.
Stanset kjedereaksjon betyr heller ikke at varmeproblemet er over. Fisjonsproduktene i brenselet fortsetter å henfalle, og henfallene avgir varme. Denne restvarmen ligger rett etter stans på rundt 6 til 7 prosent av full effekt og avtar over timer og dager. En reaktor som er skrudd av må derfor fortsatt kjøles. Det var akkurat dette som gikk galt i Fukushima.
Varmen føres bort i en primærkrets med vann under høyt trykk. Dette gjelder trykkvannsreaktorer, som er den vanligste typen. Vannet i primærkretsen er radioaktivt og forlater aldri reaktorbygget. I en varmeveksler går varmen over i en sekundærkrets uten radioaktivitet, der vannet kokes til damp som driver turbin og generator. I en kokvannsreaktor er det bare én krets, og dampen fra reaktoren går rett på turbinen.
Tsjernobyl og Fukushima
De to ulykkene folk flest kjenner til hadde ulike årsaker. I Tsjernobyl i 1986 var det en kombinasjon av menneskelige feil under en test og konstruksjonssvakheter i reaktortypen. I Fukushima i 2011 tålte reaktorene selve jordskjelvet, men tsunamien som fulgte slo ut kjøleaggregatene, og uten kjøling ble restvarmen i brenselet et problem.
Avfallet
Fisjon gir to typer problematisk avfall. Fisjonsproduktene er de radioaktive datterkjernene. Transuranene oppstår når en urankjerne fanger et nøytron uten å spaltes og i stedet blir til et enda tyngre grunnstoff. Flere av disse har halveringstider på tusener av år, og det er de som gjør langtidslagring til et spørsmål om geologi framfor teknologi.
Hvorfor er fusjonsreaktorer så vanskelige?
To kjerner er begge positivt ladd og frastøter hverandre kraftig. Skal de komme nær nok til at den sterke kjernekraften tar over, må de kollidere med enorm fart. I praksis betyr det rundt 150 millioner grader for deuterium-tritium-fusjon, omtrent ti ganger varmere enn solens kjerne. Ved slike temperaturer smelter alle kjente materialer, stoffet foreligger som plasma, og plasmaet må holdes svevende av magnetfelt.
Fordi proton-proton-kjeden er for treg, satser man på deuterium og tritium. Deuterium er hydrogen med ett nøytron, og det finnes omtrent ett deuteriumatom per 7 000 vanlige hydrogenatomer i vann. Lite i prosent, mye i mengde. Tritium er verre. Det har to nøytroner, er radioaktivt og finnes knapt naturlig.
Reaksjonen skaper sitt eget problem. Den sender ut et raskt nøytron, og siden nøytronet er elektrisk nøytralt går det tvers gjennom magnetfeltet. Det farer rett ut og svekker reaktorveggene over tid.
Løsningen er å fange det. Nøytronet absorberes av litium i veggen, og ut kommer tritium og helium-4. Reaktoren lager da sitt eget brensel. En viktig utfordring er å produsere nok tritium til å erstatte det reaktoren bruker. Litium-6, som er særlig nyttig til dette, utgjør under 8 prosent av naturlig litium.
Den vanligste konstruksjonen kalles Tokamak, et smultringformet kammer med magnetspoler rundt. Det største prosjektet er ITER i Frankrike, dimensjonert for 500 MW fusjonseffekt fra 50 MW tilført oppvarmingseffekt.
Merk hva ITER er og ikke er. ITER er et forskningsanlegg som skal vise at et brennende plasma kan holdes i gang og gi mer fusjonseffekt ut enn oppvarmingseffekt inn. Anlegget har ingen turbin og ingen generator, og skal ikke levere en eneste kilowattime til strømnettet. Varmen dumpes i kjølesystemet. Det er først et framtidig demonstrasjonskraftverk, ofte kalt DEMO, som skal koke vann til damp og produsere strøm. De 50 MW gjelder oppvarming av plasmaet, ikke hele anleggets strømforbruk.
Gevinstene er store hvis det lykkes. Hydrogen finnes i overflod, sluttproduktet helium er ufarlig, og ingen kjedereaksjon kan løpe løpsk, siden prosessen stanser når de nødvendige forholdene ikke lenger opprettholdes.
Fire ting som ofte blir blandet sammen
«Fusjon er fisjon baklengs og må derfor koste energi.» Nei. Begge frigjør energi, fordi begge beveger seg mot jern- og nikkelområdet. Det avgjørende er retningen i forhold til dette området.
«Bindingsenergi per nukleon og masse per nukleon er samme graf.» De måler to sider av samme sak og ser derfor motsatte ut. Sjekk alltid hva som står på y-aksen før du leser av et toppunkt eller et bunnpunkt.
«Kontrollstavene er alt som trengs.» Mange husker kontrollstavene og hopper over moderatoren. Uten noe som bremser nøytronene blir det ingen selvgående kjedereaksjon i en lettvannsreaktor. Og selv med stavene helt nede sitter restvarmen igjen i brenselet.
«Kjernemasse og nuklidemasse er det samme.» Nuklidemassen inkluderer elektronene. I de fleste reaksjoner er antallet elektroner likt før og etter, og da kansellerer massene hverandre, slik som i deuterium-tritium-regnestykket over. Dannes eller forsvinner det elektroner eller positroner, må du korrigere.
Ofte stilte spørsmål
Hva er forskjellen på fisjon og fusjon, kort sagt?
Hvorfor er jern-56 så viktig?
Skal ITER produsere strøm?
Er reaktoren trygg når kjedereaksjonen er stanset?
Kan en fusjonsreaktor smelte ned?
Hva er kritisk masse?
Hvorfor bruker vi ikke fusjon allerede?
Lær mer
Sitter atomkjernens oppbygning, massedefekt og bindingsenergi, følger fisjon og fusjon nesten av seg selv. Når du regner, er det lurt å starte med å kontrollere at ladning og nukleontall er bevart. På EnkelEksamen finner du videoundervisning i Fysikk 1 der kjernereaksjoner gjennomgås steg for steg, med regneeksempler og oppgaver. Trenger du repetisjon av atomets oppbygning, kan du starte med Bohrs atommodell. Vil du gå dypere i hva atomkjernen består av, har vi en egen artikkel om partikkelfysikk.
REA3038
Fysikk 1 – Privatist
REA3038
Fysikk 1 – VGS
