Föreläsning Kärnenergi

Föreläsning
Kärnenergi
Sid288-295
Går det att skapa nya grundämnen på
konstgjord väg?
• Ja
• Redan 1919 genomförde Rutherford ett experiment där han sköt
alfapartiklar, heliumkärnor, mot kvävekärnor.
• 24He +712N817O + 11H
(p+ = 11H)
Man kan skapa kol av kväve
• Genom att skjuta in en neutron i en kvävekärna kan grundämnet kol
skapas.
• 01n +714N714C +11H
Kan man skapa guld
• Ja, genom att skjuta in en neutron i en kvicksilverkärna.
• 01n +80198Hg 79198Au +11H
• Ok, nu kan man inte bara putta in en neutron i en guldkärna
(guldnukleid) men i en partikelaccelerator är det fullt möjligt.
• Tyvärr är det mycket dyrare än att köpa guld 305 805kr/kg
Tyskland 1930-talet
Lise Meitner och Otto Frisch
• Lise och Otto experimenterar med att skjuta neutroner mot
atomkärnor.
• 1939 lyckas de klyva en uranisotop i två delar samtidigt som det
bildades energi.
• De hade upptäckt fission, kärnklyvning.
Kedjereaktion
• Kedjereaktion
Kan man tillverka en bomb
• Under andra världskriget hade Tyskland långtgående planer på att tillverka
en atombomb.
• Einstein som hade flytt till USA varnade för att tyskarna var på väg att
tillverka en atombomb.
• För att förekomma tyskarna startade man i USA ett hemligt projekt: ”the
Manhattan projekt”
• Ca 2000 ingenjörer arbetade dygnet runt med att försöka konstruera en
atombomb under ledning av Robert Oppenheimer.
• I slutet av projektet hade 130 000 deltagit i arbetet.
• Man lyckades 1945 tillverka en plutoniumbomb som testades i en
provsprängning den 16 juli 1945 i Alamogordoöknen i New Mexico.
President Truman beordrade bombning av
Japan efter epsisoden i Perl Harbour
• Två bomber
• Little Boy ( anrikat uran) 6 augusti 1945 släpptes över Hiroshima
• Fat man ( plutoniumbomb) 9 augusti 1945 över Nagasaki
• Little boy och Fatman
Hiroshima
Runt 100 000 människor uppskattas ha
dött omedelbart eller inom ett par
timmar.
Ungefär lika många har senare avlidit av
strålskador.
Det finns fortfarande en tydlig effekt på
äldre överlevande, vilka drabbas av
cancer eller högt blodtryck oftare än
jämnåriga från andra delar av Japan.
Det exakta antalet dödsoffer på grund
av ökad cancerrisk är svårt att fastställa
konkret, då det är den totala effekten av
omgivningsmiljön och arvsanlag som
ger cancerutfall.
Otvivelaktigt har dock risken för cancer
ökat signifikant även lång tid efter
bombningen.
Har vi lärt oss något?
• Följande länder har kärnvapen:
• USA
• RYSSLAND
• STORBRITANIEN
• FRANKRIKE
• KINA
• ISRAEL
• INDIEN
• PAKISTAN
• Nyligen provsprängde
NORDKOREA en underjordisk
atombomb.
• Det har diskuterats om IRAN är
på väg att tillverka en atombomb
men tillfälligt har IAEA kanske
lyckats undanröja detta hot.
• IAEA
Internationella atomenergi
organet
en avdelning inom FN
Hur fungerar fission?
• Fission
• 01n + 92235U3692Kr +56141Ba + 3 01n
• 01n + 92235U3790Rb +55143Cs+ 3 01n
•
1n
0
+ 92235U3890Sc +54143Xe+ 3 01n
Det finns en fredligare form av fission
Kärnkraft
• Genom att kontrollera kedjereaktionen med hjälp av styrstavar och
ett medium som bromsar neutronernas hastighet, vatten, kan man
utvinna energi med hjälp av kärnkraft.
• Energin som utnyttjas dels den energi som frigörs vid kärnklyvningen
dels rörelseenergin hos framrusande partiklar. Partiklarna bromsas av
vatten. Det bildas friktion. Vatten värms upp.
• Själva processen kan liknas vid en ångmaskin.
• Vatten värms upp - går via ledningar till en turbin- turbinen börjar
snurra-turbinen är sammankopplad med en generator som alstrar
ström.
A- Kärnreaktor
B- Styrstavar
C- Turbin
Generator
bränslestavar
kondensator
Moderator =
vatten
Effekten styrs med bränslestavar och
vatten. Vatten bromsar ned
neutronerna. Styrstavarna fångar in
neutroner. Hastigheten på
kedjereaktion kan styras
Kärnenergi omvandlas till elektrisk
energi
Det finns 438 kärnkraftverk i världen
Nuclear power plants world-wide, in operation, as of 01 June
2015
I Sverige finns 10 reaktorer
• I Sverige finns för närvarande 10
reaktorer.
• Forsmark 3 st
• Oskarshamn 3st
( Oskarshamn 2 har inte startats
upp efter revision oktober 2015)
• Ringhals 4 st
• Barsebäck 1 och 2 togs ur bruk
1999 respektive 2005
• Folkomröstningen 1980
”kärnkraften ska avvecklas”
• 2010 riksdagsbeslut: existerande
kraftverk får bytas ut mot nya när
de tjänat ut.
Två svåra olyckor
• Tjernobyl
• Tjernobyl 26 april 1986
• Fukushima
• Mars 2011
Fusion
• Hopslagning av atomkärnor
• Sker i solen
• Fusion är den energi som driver solen och stjärnorna.
• Fusion sker då lätta ämnen, till exempel vätekärnor, smälter samman
till tyngre ämnen, samtidigt som enorma mängder energi frigörs.
• För att detta skall kunna ske krävs extremt höga temperaturer och
tryck.
• I solen och stjärnorna gör starka gravitationskrafter det enkelt för
fusion att ske naturligt.
Fusion
• På jorden är det mycket svårare att uppnå dessa förutsättningar dock
skulle det vara mycket fördelaktigt att utnyttja fusion på jorden då det
krävs nämligen endast 10 gram deuterium, framställt ur 500 liter
vatten, och 15 gram tritium, framställt ur 30 gram litium, för att
försörja en medelsvensk med all elektricitet han behöver under sin
livstid.
• Några få fusionskraftverk skulle kunna täcka hela jordens
energibehov.
• Avfallet från en fusionsreaktor blir ofarligt på bara 100 år
• Vanliga fissionsreaktorer skapar avfall som blir ofarligt
först efter 100 000år
Fusionbomb = vätebomb
• För att skapa tillräcklig hög temperatur och tillräckligt högt tryck för
att fusion ska kunna ske används en fissionsbomb.
• Därefter utlöses vätebomben.
• Tsarbomba 30 oktober 1961
Fusion framtidens energikälla
• 12H + 13H24He + 01n + Energi
• För att fusion ska kunna ske krävs enormt höga temperaturer
150 miljoner °C. S.k. plasma.
• Det finns inga kända material som klarar dessa temperaturer.
• Man kan lösa det genom elektromagnetism.
• Man håller ihop härden med starka magnetfält.
• Detta är möjligt i en tokamak
Tokamak
• Med hjälp av ett starkt elektriskt fält skapas
magnetism som håller hop härden där fusionen kan
ske.
• Det finns ett 20-tal forskningsreaktorer.
• I Frankrike byggs ITER där ca 1000 forskare från
större delen av världen forskar.
• Än så länge skapas inte mer energi
än vad det krävs att driva reaktorn.
• 2020 hoppas man kunna ta
den i bruk.
Den berömda formeln E=
2
mc
• Både i fission och fusion är massan större i moderkärnan jämfört med
dotterkärnorna.
• Denna skillnad i massa omvandlas till energi.
• E= energi (kilojoule= kj)
• m= massa (kg)
• c= ljusets hastighet (3 x 108 m/s)
• Einsteins berömda energiformel från 1905
E=
2
mc
• Formeln innebär att en liten mängd materia innehåller enorma
mängder energi.
• E= 1kg x (3 x108)2
= 1 x 9 x 1016
= 9 x 1016 joule
= 90 000 000 000 000 000 J
Jämförelse. En vattenkokare krävde 396 000 j för att koka upp en liter
vatten.
9x1016Joule kan omvandlas till 25 000TWh.
Om Sveriges årsförbrukning av el är ca 150TWh finns tillräcklig energi i
1kg materia för att täcka 160 år av elförbrukning.
E=
2
mc
• Men formeln säger något mer.
• Det finns en likhet mellan energi och massa
• Massa kan omvandlas till energi
• Energi kan omvandlas till materia