Bilden ovan: Schema för kärnfission. En fri neutron kolliderar med en uran-235-atom, som destabiliseras och splittras i en cesium-140-atom och en rubidium-92 atom samtidigt som en väldig mängd energi frigörs tillsammans med fria neutroner som kan träffa närliggande uranatomer. Bild: Wikimedia commons.
Text: Marcus Prest
När en tung atomkärna klyvs har de individuella fragmenten tillsammans lägre massa än den massa kärnan hade innan. Vid klyvningen har en del av massan förvandlats till energi. Processen kallas fission.
Klyvningen av tunga atomkärnor (som uran-235) triggas av att urankärnan absorberar en ”långsam neutron” – en neutron som rör sig tillräckligt långsamt för att kunna bli uppfångad av uranets atomkärna. Den uppfångade neutronen kommer att destabilisera atomkärnan vilket leder till att den klyvs. Energiutvecklingen vid klyvningen av urankärnor i en fissionsreaktor är enorm: en massenhet kärnbränsle avger miljoner gånger mera energi än motsvarande massenhet bensin.
Kärnfission kan förekomma naturligt men det är mycket sällsynt. På Jorden finns inte längre tillräckligt höga koncentrationer av uran (U-235) för att åstadkomma naturlig fission. Orsaken till att uran inte längre finns i så höga koncentrationer beror på att uran är ett långsamt sönderfallande ämne, det vill säga uran är ett radioaktivt ämne. Uranet (som producerats i supernovaexplosioner) har funnits i jordskorpan sedan planeten bildades – sönderfallet har pågått sedan dess.
Det uran man använder i fissionsreaktorer är anrikat uran som först utvunnits ur marken, anrikats i avseende på isotopen U-235 och till sist stöpts till bränslekomponenter som ordnas i bränslestavar. De neutroner de radioaktiva uranatomerna sänder ut har för hög energi, det vill säga de rör sig för fort för att kunna infångas av andra uranatomer. För att åstadkomma fission använder man i kärnreaktorer en moderator för att bromsa hastigheten på neutronerna. Som moderator fungerar bäst material med samma storlek på sina atomkärnor som neutronerna. Tunga grundämnen fungerar dåligt som moderatorer. I Finland används vatten som moderator i kärnreaktorerna.
Fission i tryckvattenreaktor (Olkiluoto 3)
Vattnet är ett smart moderatormaterial i en tryckvattenreaktor. Genom att låta högenergineutronerna (som kommer ur uranbränslet) kollidera med lätta väteatomer i vattnet förlorar neutronerna en del av sin energi och kan därför fångas upp av andra uranatomer som destabiliseras och spjälks och samtidigt sänder ut flera neutroner – resultatet är en kedjereaktion som hålls under kontroll av vattnet. För när vattentemperaturen i reaktorn höjs av att energi ur bränslestavarna frigörs (då urankärnorna spjälks) ”vidgas” vattnet: det blir ett större utrymme mellan vattenmolekylerna och de fria neutronerna har därför mindre chans att träffa en väteatom som skulle bromsa dem och därför mindre chans att fångas upp av en uranatom – det vill säga vattnet gör att tryckvattenreaktorerna blir självmodererande och därför mycket stabila.
Vad är joniserande strålning?
Radioaktivitet beror på att atomerna i vissa ämnen spontant avger energi i form av partiklar eller strålar. Sönderfallande ämnen (som till exempel uran) avger joniserande strålning. Joniserande strålning innebär att strålningen är tillräckligt stark för att inte bara få atomerna i en molekyl att vibrera (till den effekten begränsar sig till exempel ljusstrålning, som är en icke-joniserande strålning), utan energin är så stor att strålningen lösgör elektronerna kring en atom – atomen joniseras.
Varningssymbolen för joniserande strålning. Bild: Wikimedia commons.
Den joniseranden strålningen finns på den ultravioletta sidan om området för synligt ljus i det elektromagnetiska spektret. Ultraviolett strålning i sig själv har tillräckligt mycket energi för att bryta upp kemiska bindningar, men det är röntgen- och gammastrålning som har mycket hög frekvens (100 miljarder miljarder Hertz) och mycket kort våglängd, i stil med en pikometer (en triljondels meter) och som därför har en mycket hög energi. Energin är tillräckligt för att bryta lös elektroner ur en atom, eller om energin är extremt hög: åstadkomma en kärnreaktion.
Att utsättas för joniserande strålning kan förknippas med negativa hälsoeffekter. Den omedelbara effekten av att ha utsatts för intensiv joniserande strålning är vävnadsskador och den mera smygande effekten är cancersjukdom som följd av cellmutationer. Mutationerna kan överföras till nästa generation.
Det använda radioaktiva bränslet (högaktivt avfall) består av olika radioaktiva isotoper. En del av dessa isotoper sönderfaller snabbt, det vill säga inom ett par år, andra inom några decennier, medan några procent av avfallet strålar farligt i 1 000, 10 000 och över 100 000 år.
Nedan: Skiss över Posivas slutförvaringsanläggning för högaktivt kärnavfall på halvön olkiluoto, som i och med landhöjningen kommer att bli en del av fastlandet. tunnlarna finns 400–450 meter under marken och har en längd på 60–70 kilometer. De cirka 200 grottorna kom- mer att fyllas med allt avfall som kärnkraftverken olkiluoto 1,2 och 3, samt lovisa 1 och 2 producerat och kommer att producera under sin aktiva tid. efter 100–150 år kommer tunnlarna att fyllas igen och anläggningarna ovan jord att rivas. Grafik: TVO.
