Mattegrafen

Fission och kärnkraft

Vissa mycket tunga atomkärnor, som uran-235, kan delas i två när de träffas av en neutron. Processen kallas kärnfission, eller kärnklyvning, och den frigör en enorm mängd energi samtidigt som nya neutroner skickas ut.

När en uran-235-kärna klyvs bildas två nya, medeltunga kärnor, till exempel barium och krypton, tillsammans med två eller tre fria neutroner. Energin kommer från att kärnpartiklarna, nukleonerna, sitter hårdare bundna i medeltunga kärnor än i uran: bindningsenergin per nukleon är störst för kärnor kring järn. Därför väger de nya kärnorna och neutronerna tillsammans lite mindre än urankärnan och neutronen före klyvningen, och massminskningen motsvarar den frigjorda energin. Redan en enda klyvning frigör miljoner gånger mer energi än en kemisk reaktion mellan lika många atomer.

Det som gör fission särskilt kraftfullt är att de nya neutronerna kan träffa andra uran-235-kärnor och få dem att klyvas också, som i sin tur skickar ut fler neutroner. Det kallas en kedjereaktion. Om den växer helt obegränsat frigörs energin nästan ögonblickligt: det är principen bakom en atombomb. Om reaktionen i stället hålls stabil, med i genomsnitt exakt en ny klyvning för varje klyvning, kan den användas för att producera el under lång tid.

I ett kärnkraftverk styrs reaktionen med två hjälpmedel. En moderator, ofta vatten eller grafit, saktar ner de snabba neutronerna, eftersom långsamma neutroner lättare orsakar en ny klyvning i uran-235. Styrstavar, gjorda av ett neutronabsorberande material som bor, skjuts in eller dras ut för att finjustera hur många neutroner som finns tillgängliga. Bränslet i en vanlig kraftreaktor är dessutom bara lätt anrikat, vilket gör att reaktorn inte kan explodera som en kärnvapenbomb. Allvarliga olyckor med ångexplosioner och radioaktiva utsläpp kan däremot ske, som i Tjernobyl 1986.

Värmen från klyvningarna hettar upp vatten till ånga som driver en turbin och genererar el, precis som i ett kolkraftverk, bara med en annan värmekälla. Kvar blir radioaktivt avfall som måste hållas inneslutet i mycket lång tid, ofta i djupa bergförvar.

Det här lär du dig

  • Förklara vad som händer när en tung kärna klyvs och varför det frigör energi
  • Beskriva en kedjereaktion och skillnaden mellan okontrollerad och kontrollerad fission
  • Förklara moderatorns och styrstavarnas roller i ett kärnkraftverk
  • Beskriva hur ett kärnkraftverk omvandlar klyvningsenergi till el
  • Resonera om varför ett kärnkraftverk inte kan explodera som en atombomb

Begrepp att kunna

Kärnfission
Klyvningen av en tung atomkärna, oftast uran-235, när den träffas av en neutron, vilket ger två nya kärnor och frigör energi.
Kedjereaktion
En process där neutroner från en klyvning orsakar nya klyvningar, som i sin tur skickar ut fler neutroner.
Moderator
Ett material, ofta vatten eller grafit, som saktar ner snabba neutroner så att de lättare orsakar nya klyvningar.
Styrstav
En stav av neutronabsorberande material, till exempel bor, som skjuts in eller dras ut för att styra reaktionens hastighet.
Anrikat uran
Uran där andelen av den klyvbara isotopen uran-235 har höjts. Reaktorbränsle är bara lätt anrikat, till skillnad från vapenbruk.
Radioaktivt avfall
De klyvningsprodukter och kvarvarande bränslerester från en reaktor som förblir radioaktiva och måste förvaras säkert under mycket lång tid.

Vanliga svårigheter

Tror att ett kärnkraftverk kan explodera som en atombomb

En atombomb kräver uran som anrikats till mycket hög halt av uran-235, eller plutonium, för att kedjereaktionen ska kunna växa helt obegränsat på bråkdelar av en sekund. Reaktorbränsle är bara lätt anrikat, och moderator och styrstavar håller hela tiden reaktionen vid en stabil nivå, så en reaktor kan inte explodera på samma sätt som en bomb.

Blandar ihop fission med radioaktivt sönderfall

Radioaktivt sönderfall sker spontant och går inte att styra. Fissionen i en reaktor utlöses av en neutron som träffar en kärna, och just därför kan den kontrolleras genom att reglera hur många neutroner som finns tillgängliga. Den skillnaden är precis vad som gör det möjligt att bygga en reaktor men inte att styra ett naturligt sönderfall.

Förstår inte varför kedjereaktionen inte bara dör ut direkt

Varje klyvning frigör flera neutroner, inte bara en. Om i genomsnitt en av dem orsakar en ny klyvning fortsätter reaktionen av sig själv. Moderatorn ser till att tillräckligt många neutroner orsakar nya klyvningar, och styrstavarna fångar upp överskottet så att genomsnittet hålls så nära exakt ett som möjligt.

I verkligheten

Svenska kärnkraftverk levererar en betydande del av landets el utan koldioxidutsläpp under drift

Värmen från kontrollerad fission i reaktorerna kokar vatten till ånga som driver turbiner, på samma sätt som i andra värmekraftverk. Det gör kärnkraft till en energikälla med låga utsläpp vid drift, samtidigt som det radioaktiva avfallet är en kvarstående utmaning att lösa.

Fission upptäcktes av Otto Hahn och Fritz Strassmann 1938, när de fann barium bland produkterna efter att ha bestrålat uran med neutroner

Resultatet var så oväntat att det krävde en ny förklaring. Lise Meitner och Otto Frisch förklarade strax därefter att urankärnan hade klyvts i två lättare delar, och gav processen namnet fission.

Tips

  • Rita kedjereaktionen som ett grenande träd: en neutron klyver en kärna, två till tre nya neutroner skickas ut, och varje ny neutron kan ge upphov till en egen gren. Bilden gör den okontrollerade tillväxten mycket tydligare än en text.
  • Minns reaktorns mål med en enkel regel: i genomsnitt exakt en ny klyvning per klyvning. Fler betyder att reaktionen växer, färre betyder att den dör ut.
  • Jämför anrikningsgraden i reaktorbränsle med den i vapenbruk när du ska resonera om säkerhet. Skillnaden i anrikning, inte bara kontrollsystemen, är en stor del av varför en reaktor inte kan explodera som en bomb.

Testa dig själv

1. Varför kan ett kärnkraftverk inte explodera som en atombomb, trots att båda bygger på kärnfission?

En atombomb kräver mycket högt anrikat uran, eller plutonium, för att kedjereaktionen ska kunna växa obegränsat och frigöra all energi nästan omedelbart. Reaktorbränsle är bara lätt anrikat, och moderator och styrstavar håller hela tiden reaktionen vid en stabil, kontrollerad nivå, så förutsättningarna för en explosiv kedjereaktion finns helt enkelt inte.

2. Vad gör moderatorn i en kärnreaktor, och varför behövs den?

Moderatorn, till exempel vatten eller grafit, saktar ner de snabba neutronerna som frigörs vid klyvning. Långsamma neutroner fångas mycket lättare upp av uran-235-kärnor och orsakar nya klyvningar, så utan moderatorn skulle alltför få neutroner hinna orsaka nya klyvningar för att reaktionen skulle hålla sig igång.

3. Varför behövs både en moderator och styrstavar för att hålla en kedjereaktion stabil?

Moderatorn skapar förutsättningen för att klyvningar ska kunna ske regelbundet genom att sakta ner neutronerna i allmänhet. Styrstavarna finjusterar därefter exakt hur många neutroner som är tillgängliga, genom att absorbera överskottet. Tillsammans håller de reaktionen på precis den nivå där i genomsnitt en ny klyvning sker per klyvning.

Ur kursplanen

  • Fysik åk 7–9 · Fysiken i naturen och samhället

    Energins flöde och oförstörbarhet samt olika energislags kvalitet. Olika typer av energikällor samt deras för- och nackdelar för samhället och miljön.

  • Fysik åk 7–9 · Systematiska undersökningar och granskning av information

    Informationssökning, kritisk granskning och användning av information som rör fysik. Argumentation och ställningstaganden i aktuella frågor som rör energi, teknik och miljö.

  • Fysik nivå 1a2 · Energi, energiresurser och elektromagnetism

    Olika energiformer, däribland kärnenergi.

  • Fysik nivå 1a2 · Energi, energiresurser och elektromagnetism

    Energiprincipen, verkningsgrad och hållbar energiresursanvändning.

  • Fysik nivå 1a2 · Universum, materien och strålning

    Kärnreaktioner, fusion och fission, bindningsenergi och massaenergiekvivalensen.

  • Fysik nivå 1b · Energi, energiresurser och elektromagnetism

    Olika energiformer, däribland mekanisk energi, elektrisk energi och kärnenergi.

  • Fysik nivå 1b · Energi, energiresurser och elektromagnetism

    Energiprincipen samt begreppen arbete, effekt och verkningsgrad för att beskriva omvandling, nyttjande och lagring av energi. Hållbar energiresursanvändning.

  • Fysik nivå 1b · Universum, materien och strålning

    Kärnreaktioner, fusion och fission, bindningsenergi och massaenergiekvivalensen.

Källa: Skolverket, centralt innehåll.

Hänger ihop med

Bygger på

Träna vidare – gratis

Det här ämnet har inga egna träningsuppgifter än. De här närliggande ämnena har lösta exempel och uppgifter som anpassar sig efter dig: