# Föreläsning 5 — Kärnkraft & Fusion > [!info] Kuriosa > Ernest Rutherford bombarderade kväve med alfapartiklar år 1917 och fick syre som produkt — han hade upptäckt **protonen** och utfört den första artificiella kärnreaktionen. --- ## Kärnreaktioner — allmänna principer Under alla kärnreaktioner bevaras: | Storhet | Förklaring | |---|---| | **Masstal** $A$ | Totalt antal nukleoner konstant | | **Laddning** $Z$ | Totalt antal protoner konstant | | **Energi** | Relativistisk totalenergi bevaras | | **Rörelsemängd** | $\vec{p}_{\text{tot}}$ bevaras | ### Q-värdet Q-värdet beskriver hur mycket energi som **frigörs** (eller krävs) i en reaktion: $\boxed{Q = \left(M_{\text{reaktanter}} - M_{\text{produkter}}\right)c^2}$ Skillnaden i massa kallas **massdefekten** $\Delta M$. | $Q$ | Typ | Innebörd | |---|---|---| | $Q > 0$ | **Exoergisk** (exoterm) | Energi frigörs — spontant gynnsamt | | $Q < 0$ | **Endoergisk** (endoterm) | Energi måste tillföras | > [!note] Notation > Reaktionen $A + B$ betecknar att rörande $A$ krockar med stillastående $B$. > [!warning] Tröskelenergi > Ibland krävs en viss **minsta kinetisk energi** (tröskelenergi) även för exoergiska reaktioner — annars kan rörelsemängden inte bevaras simultant med energibevarandet. --- ## Neutronabsorption Tyngre grundämnen bildas när en kärna absorberar neutroner. Eftersom neutronen är elektriskt neutral möter den **ingen Coulombbarriär** — den kan ta sig in i kärnan utan att behöva hög kinetisk energi. ${}^A_Z X + {}^1_0 n \to {}^{A+1}_Z X^* \to \ldots$ Det exciterade mellantillståndet sönderfaller sedan vidare, ofta via $\gamma$-emission eller $\beta^-$-sönderfall, och kan bilda ett nytt grundämne. > [!abstract] Stjärnors kök > Neutronabsorption (s-processen och r-processen) i stjärnor och supernovaexplosioner är hur de flesta grundämnen tyngre än järn bildas. --- ## Fission > [!info] Kuriosa — Lise Meitner > Otto Hahn och Fritz Strassmann fann 1938 att neutronbestrålning av uran gav barium som produkt — de förstod inte varför. Lise Meitner och Otto Frisch tolkade resultatet som **kärnklyvning** och myntade termen *fission*. Meitner nominerades flera gånger till Nobelpriset men fick det aldrig. ### Reaktionsmekanismen Det är **inte** ${}^{235}\text{U}$ självt som klyver, utan det ${}^{236}\text{U}$ som bildas när urankärnan absorberar en neutron: ${}^{235}_{92}\text{U} + {}^1_0 n \to {}^{236}_{92}\text{U}^* \to \text{fissionsprodukter} + 2\text{–}3\; {}^1_0 n + \text{energi}$ $\Delta E \approx 200\;\text{MeV per fission}$ > [!example] Kedjereaktion > De $2\text{–}3$ neutroner som frigörs kan träffa nya ${}^{235}\text{U}$-kärnor och utlösa ytterligare fissioner. Om tillräcklig massa finns (*kritisk massa*) blir reaktionen självunderhållande. ### Moderatorer Snabba neutroner måste bromsas ner (termaliseras) för att effektivt utlösa fission i ${}^{235}\text{U}$: | Moderator | Egenskaper | |---|---| | **Lättvatten** ($\text{H}_2\text{O}$) | Billigast och vanligast; absorberar en del neutroner | | **Tungvatten** ($\text{D}_2\text{O}$) | Dyrare men absorberar nästan inga neutroner | | **Grafit** ($\text{C}$) | Solid moderator; användes i de första reaktorerna (och i Tjernobyl) | ### Reaktortyper | Typ | Kylmedel | Notering | | ---------------------------- | ----------------------------------------------- | ----------------- | | **Kokvattenreaktor (BWR)** | Lättvatten kokar direkt i reaktorhärden | Enklare design | | **Tryckvattenreaktor (PWR)** | Lättvatten under högt tryck — kokar ej i härden | Vanligast globalt | --- ## Problem med kärnkraft ### INES — International Nuclear Event Scale Händelser klassificeras på en skala 1–7: | Nivåer | Kategori | |---|---| | 1–3 | Försämring av anläggningens djupförsvar | | 4–5 | Anläggningspåverkan | | 6–7 | Omgivningspåverkan (utsläpp) | **Historiska händelser:** | Händelse | År | INES-nivå | | ----------------------------- | --------- | --------- | | Forsmark (effektpuls) | 2006 | 2 | | Three Mile Island, Harrisburg | 1979 | 5 | | Tjernobyl | 1986 | 7 | | Fukushima | mars 2011 | 5? 6? 7! | > [!info] Tjernobyl idag > Reaktorn täcks av **New Safe Confinement** — en enorm stålkonstruktion färdigställd 2016. Den är dimensionerad att hålla till år **2117**. ### Övriga nackdelar - **Miljö:** slutförvaring av radioaktivt avfall är olöst för de flesta länder; olycksrisk - **Byggtid och kostnad:** långa tillståndprocesser och konstruktionstider (undantag: Kina) - **Lönsamhet:** kärnkraftsverk måste sälja el till marknadspris — ofta svårt att gå med vinst --- ## Fördelar och framtid ### 4:e generationens reaktorer (~2030) | Reaktortyp | Kylmedel | Fördelar | | -------------------------- | ----------------- | --------------------------------------------------------- | | **Toriumreaktorer** | Smält salt | Torium är vanligare än uran; svårare att sprida kärnvapen | | **Saltkyld reaktor (MSR)** | Smält fluoridsalt | Passivt säker; kan bränna gammalt avfall | | **Blykyld reaktor (LFR)** | Smält bly | Hög temperatur, hög verkningsgrad | > [!warning] Utmaningar > Smält salt och smält bly är kraftigt **frätande** — materialteknik är en stor utmaning för kommersialisering. **Potentiella fördelar jämfört med befintliga reaktorer:** - Radioaktivt avfall farligt i par **hundra** år (mot ~100 000 för dagens avfall) - ~100× bättre bränsleutnyttjande - Befintligt kärnavfall kan användas som bränsle - Produktion av vätgas (energilagring) - Passivt säkra — kan inte smälta ner utan aktiva åtgärder --- ## SMR — Små Modulära Reaktorer > [!info] Vad är en SMR? > **Small Modular Reactor** — reaktorer med effekt under ~300 MW (jämfört med ~1000 MW för konventionella). De tillverkas som moduler i fabrik och transporteras till plats. **Fördelar:** - Snabbare att bygga och driftsätta - Lägre initial investering - Flexibla — kan placeras nära elförbrukning - Kan kopplas samman för större kapacitet --- ## Fusion Till skillnad från fission frigörs energi här genom att **sammansmälta** lätta kärnor. ### Principen — pp-kedjan (i solen) Nettoreaktionen: 4 protoner bildar en ${}^4_2\text{He}$-kärna: $4p \to {}^4_2\text{He} + 2e^+ + 2\nu_e + \text{energi}$ ### D-T-reaktionen (tekniskt mest lovande) ${}^2_1\text{H} + {}^3_1\text{H} \to {}^4_2\text{He} + {}^1_0 n + 17.6\;\text{MeV}$ > [!abstract] Enormt energitätt bränsle > 90 kg fusionsbränsle (deuterium + tritium) ger lika mycket energi som **600 000 000 kg kol**. ### Internationella fusionsprojekt | Projekt | Plats | Status/Mål | |---|---|---| | **JET** (Joint European Torus) | England | Avslutat 2024; satte effektrekord | | **ITER** | Södra Frankrike | Under byggnation; mål: Q > 1 (mer energi ut än in) | | **DEMO** | — | Nästa steg efter ITER; ska producera el till nätet | | **NOVATRON** | Sverige (LTU) | Ny konceptdesign med förbättrad inneslutning | > [!important] Utmaningen: Q > 1 > Fusionsplasmat måste hållas vid ~150 miljoner °C — tio gånger hetare än solens kärna. Magnetfältet i en **tokamak** (torusformad kammare) håller plasmat på plats. ITER är det första experiment designat att producera mer energi än det tillförs. > [!tip] Fusionsavfall > Fusionsreaktorer producerar **inget** långlivat radioaktivt avfall. Den enda biprodukten är helium — en ofarlig ädelgas. Neutronerna aktiverar reaktorväggen, men detta avfall är kortlivat (decennier, inte årtusenden).