21.4 Umbreyting og kjarnorka

21.4 Kjarnabreytingar og kjarnorka

Eftir uppgötvun geislavirkninnar varð kjarnefnafræði til og þróaðist hratt á fyrstu áratugum tuttugustu aldar. Fjöldi nýrra uppgötvana á fjórða og fimmta áratugnum, ásamt síðari heimsstyrjöldinni, leiddi til kjarnorkualdar um miðja tuttugustu öld. Vísindamenn lærðu að búa til ný efni og komust að því að tilteknar samsætur tiltekinna frumefna gátu framleitt áður óþekkt magn orku, bæði með hættu á gríðarlegum skaða í stríði og með möguleika á mikilli orkuframleiðslu fyrir samfélagið á friðartímum.

Nýmyndun kjarntegunda

Kjarnabreyting er umbreyting einnar kjarntegundar í aðra. Hún getur átt sér stað við geislavirka hrörnun kjarna eða við hvarf kjarna við aðra ögn. Fyrsti manngerði kjarninn var framleiddur á rannsóknarstofu Ernest Rutherfords árið 1919 með kjarnabreytingu, þar sem kjörnum af tiltekinni gerð var skotið með öðrum kjörnum eða nifteindum. Rutherford skaut hraðfleygum α-ögnum úr náttúrulegri geislavirkri samsætu radíums á köfnunarefnisatóm og varð var við róteindir sem mynduðust í hvarfinu:

Kjarnarnir ¹⁷8O og ¹1H sem myndast eru stöðugir, þannig að engar frekari kjarnabreytingar eiga sér stað.

Til að ná þeirri hreyfiorku sem þarf til að framkalla kjarnabreytingar eru notuð tæki sem kallast eindahraðlar. Þau nota segul- og rafsvið til að auka hraða kjarneinda. Í öllum hröðlum hreyfast agnirnar í lofttæmi til að forðast árekstra við gassameindir. Þegar nifteindir þarf til kjarnabreytinga fást þær venjulega úr geislavirkum hrörnunarhvörfum eða úr ýmsum kjarnahvörfum í kjarnaofnum. Í næsta innskoti, Efnafræði í daglegu lífi, er fjallað um frægan eindahraðal sem komst í heimsfréttirnar.

Fyrir 1940 var þyngsta þekkta frumefnið úran, með sætistölu 92. Nú hafa mörg gervifrumefni verið framleidd og einangruð, þar á meðal nokkur í svo miklum mæli að þau hafa haft djúpstæð áhrif á samfélagið. Eitt þeirra, frumefni 93, neptún (Np), var fyrst búið til árið 1940 af McMillan og Abelson með því að skjóta nifteindum á úran-238. Hvarfið myndar óstöðugt úran-239 með helmingunartímann 23,5 mínútur; það hrörnar síðan í neptún-239. Neptún-239 er einnig geislavirkt, með helmingunartímann 2,36 daga, og það hrörnar í plúton-239. Kjarnahvörfin eru:

Plúton myndast nú aðallega í kjarnaofnum sem aukaafurð við klofningu U-235. Við þetta klofningsferli losna fleiri nifteindir (sjá næsta hluta), og sumar þeirra sameinast U-238-kjörnum og mynda úran-239. Það gengst undir β-hrörnun og myndar neptún-239, sem aftur gengst undir β-hrörnun og myndar plúton-239, eins og sýnt er í jöfnunum þremur hér á undan. Þessi ferli eru tekin saman í jöfnunni:

Þyngri samsætur plútons, Pu-240, Pu-241 og Pu-242, myndast einnig þegar léttari plútonkjarnar fanga nifteindir. Hluti þessa mjög geislavirka plútons er notaður til að framleiða hernaðarvopn, en afgangurinn skapar alvarlegt geymsluvandamál þar sem helmingunartími samsætanna er frá þúsundum upp í hundruð þúsunda ára.

Þótt margir aðrir gervikjarnar hafi ekki verið framleiddir í sama magni og plúton hafa þeir samt verið búnir til. Kjarnalæknisfræði hefur þróast út frá hæfninni til að breyta atómum af einni gerð í atóm af annarri gerð. Geislavirkar samsætur nokkurra tuga frumefna eru nú notaðar í læknisfræði. Geislunin sem myndast við hrörnun þeirra er meðal annars notuð til myndgreiningar eða meðferðar á ýmsum líffærum eða líkamshlutum.

Frumefnin handan frumefnis 92 (úrans) kallast handanúraníumefni. Þegar þetta er skrifað hafa 22 handanúraníumefni verið framleidd og formlega viðurkennd af IUPAC. Tilkall hefur verið gert til myndunar nokkurra annarra frumefna sem bíða samþykkis. Nokkur þessara frumefna eru sýnd í töflu 21.3.

Kjarnaklofnun

Mörg þyngri frumefni með minni bindiorku á hverja kjarneind geta brotnað niður í stöðugri frumefni sem hafa miðlungs massatölur og meiri bindiorku á kjarneind, það er massatölur og bindiorku á kjarneind sem liggja nær „toppi“ bindiorkuritsins við 56 (sjá mynd 21.3). Stundum myndast einnig nifteindir. Þetta niðurbrot kallast kjarnaklofnun, þar sem stór kjarni brotnar í smærri hluta. Klofnunin er fremur tilviljanakennd og leiðir til myndunar fjölda mismunandi myndefna. Kjarnaklofnun gerist venjulega ekki sjálfkrafa í náttúrunni heldur er hún framkölluð með nifteindaskoti. Fyrsta skráða kjarnaklofnunin átti sér stað árið 1939 þegar þrír þýskir vísindamenn, Lise Meitner, Otto Hahn og Fritz Strassmann, skutu hægfara nifteindum á úran-235-atóm. Við það klofnuðu U-235-kjarnarnir í smærri hluta sem innihéldu nokkrar nifteindir og frumefni nálægt miðju lotukerfisins. Síðan þá hefur klofnun sést í mörgum öðrum samsætum, þar á meðal flestum samsætum aktiníða sem hafa oddatölu nifteinda. Dæmigerð kjarnaklofnun er sýnd á mynd 21.14.

Meðal myndefna í kjarnaklofnun Meitners, Hahns og Strassmanns voru baríum, krypton, lantan og seríum. Öll hafa þau kjarna sem eru stöðugri en úran-235. Síðan þá hafa hundruð mismunandi samsæta fundist meðal myndefna kleyfanlegra efna. Nokkur af fjölmörgum hvörfum U-235, ásamt línuriti sem sýnir dreifingu klofningsmyndefna þess og heimtur, eru sýnd á mynd 21.15. Svipuð klofningshvörf hafa sést hjá öðrum úransamsætum og hjá ýmsum öðrum samsætum, til dæmis plútonsamsætum.

Gríðarlegt magn orku myndast við klofnun þungra frumefna. Til dæmis vega myndefnin um 0,2 grömmum minna en hvarfefnin þegar eitt mól af U-235 klofnar. Þessi „týndi“ massi breytist í mjög mikið magn orku, um 1,8 $\times \text{⁠}$ 10¹⁰ kJ á hvert mól af U-235. Kjarnaklofnunarhvörf framleiða ótrúlega mikið magn orku í samanburði við efnahvörf. Klofnun 1 kílógramms af úran-235 framleiðir til dæmis um 2,5 milljón sinnum meiri orku en fæst við bruna 1 kílógramms af kolum.

Eins og áður hefur komið fram myndast tveir „meðalstórir“ kjarnar og tvær eða þrjár nifteindir þegar U-235 klofnar. Þessar nifteindir geta síðan valdið klofnun annarra U-235-kjarna, sem aftur gefa frá sér fleiri nifteindir sem geta valdið klofnun enn fleiri kjarna, og svo framvegis. Ef þetta gerist verður til kjarnakeðjuverkun (sjá mynd 21.16). Ef of margar nifteindir sleppa hins vegar úr efninu án þess að víxlverka við kjarna á sér engin keðjuverkun stað.

Efni sem getur viðhaldið kjarnaklofnunarkeðjuverkun er sagt vera kjarnkleyft eða kleyfanlegt. (Tæknilega séð getur kjarnkleyft efni klofnað með nifteindum af hvaða orku sem er, en kleyfanlegt efni krefst háorkunifteinda.) Kjarnaklofnun verður sjálfbær þegar fjöldi nifteinda sem myndast við klofnun er jafn eða meiri en fjöldi nifteinda sem kjarnar sem klofna gleypa, að viðbættum þeim fjölda sem sleppur út í umhverfið. Það magn kleyfanlegs efnis sem getur viðhaldið sjálfbærri keðjuverkun kallast markmassi. Magn kleyfanlegs efnis sem getur ekki viðhaldið keðjuverkun kallast undirmarkmassi. Magn efnis þar sem hraði klofnunar fer vaxandi kallast yfirmarkmassi. Markmassinn er háður tegund efnisins, hreinleika þess, hitastigi, lögun sýnisins og því hvernig nifteindahvörfunum er stjórnað (mynd 21.17).

Kjarnorkusprengja (mynd 21.18) inniheldur nokkur kílógrömm af kleyfanlegu efni, ²³⁵92U eða ²³⁹94Pu, nifteindagjafa og sprengibúnað til að þjappa efninu hratt saman í lítið rúmmál. Þegar kleyfanlegt efni er í litlum bútum sleppur hátt hlutfall nifteinda út um tiltölulega stórt yfirborð og keðjuverkun á sér ekki stað. Þegar litlu bútarnir af kleyfanlegu efni eru færðir hratt saman og mynda hlut með massa yfir markmassa minnkar hlutfallslegur fjöldi nifteinda sem sleppur út, sem leiðir til keðjuverkunar og sprengingar.

Kjarnaklofningsofnar

Hægt er að stjórna keðjuverkunum kleyfanlegra efna og viðhalda þeim án sprengingar í kjarnaofni (mynd 21.19). Sérhver kjarnaofn sem framleiðir orku með klofningu úrans eða plútons við nifteindaskot verður að hafa að minnsta kosti fimm íhluti: kjarnaeldsneyti úr kleyfanlegu efni, nifteindahemil, kælimiðil, stýristangir og hlífðar- og innhólfunarkerfi. Fjallað er nánar um þessa íhluti síðar í hlutanum. Ofninn virkar þannig að hann aðskilur kleyfanlega kjarnaefnið svo að markmassi geti ekki myndast og stjórnar bæði flæði og ísogi nifteinda svo hægt sé að stöðva klofningshvörfin. Í kjarnaofni sem er notaður til raforkuframleiðslu er orkan sem losnar við klofningshvörfin fönguð sem varmaorka og notuð til að sjóða vatn og framleiða gufu. Gufan snýr hverfli sem knýr rafal til raforkuframleiðslu.

Kjarnaeldsneyti

Kjarnaeldsneyti samanstendur af kleyfanlegri samsætu, svo sem úrani-235, sem verður að vera til staðar í nægilegu magni til að viðhalda sjálfbærri keðjuverkun. Í Bandaríkjunum inniheldur úranmálmgrýti 0,05-0,3% af úranoxíðinu U₃O₈; úranið í grýtinu er um 99,3% ókleyfanlegt U-238 og aðeins 0,7% kleyfanlegt U-235. Kjarnaofnar þurfa eldsneyti með hærri styrk U-235 en finnst í náttúrunni; það er venjulega auðgað þannig að um 5% af massa úransins sé U-235. Við þennan styrk er ekki hægt að ná þeim yfirmarkmassa sem þarf til kjarnorkusprengingar. Hægt er að auðga úran með gasdreifingu (eina aðferðin sem nú er notuð í Bandaríkjunum), með gasskilvindu eða með leysiaðskilnaði.

Í gasdreifingarauðgunarstöðinni þar sem U-235-eldsneyti er útbúið fer UF₆-gas (úranhexaflúoríð) við lágan þrýsting í gegnum skiljur með götum sem eru rétt nógu stór til að UF₆ komist í gegn. Örlítið léttari ²³⁵UF₆-sameindirnar flæða í gegnum skiljurnar aðeins hraðar en þyngri ²³⁸UF₆-sameindirnar. Þetta ferli er endurtekið í hundruðum skilja og eykur smám saman styrk ²³⁵UF₆ upp í það mark sem kjarnaofninn þarfnast. Grundvöllur ferlisins, lögmál Grahams, er útskýrður í kaflanum um lofttegundir. Auðgaða UF₆-gasinu er safnað, það kælt þar til það storknar og síðan flutt í framleiðslustöð þar sem það er gert að eldsneytisknippum. Hvert eldsneytisknippi samanstendur af eldsneytisstöngum sem innihalda margar fingurbjargarstórar, keramikklæddar eldsneytistöflur úr auðguðu úrani, venjulega UO₂. Nútíma kjarnaofnar geta innihaldið allt að 10 milljónir eldsneytistaflna. Orkumagnið í hverri þessara taflna jafngildir orkunni í um 900 kg af kolum eða 570 L af olíu.

Nifteindahemlar

Nifteindir sem verða til við kjarnahvörf hreyfast of hratt til að valda kjarnaklofnun (sjá aftur mynd 21.17). Fyrst verður að hægja á þeim svo að eldsneytið geti gleypt þær og framkallað frekari kjarnahvörf. Nifteindahemill er efni sem hægir á nifteindunum niður í hraða sem er nægilega lítill til að valda kjarnaklofnun. Fyrstu kjarnaofnarnir notuðu mjög hreint grafít sem hemil. Nútímakjarnaofnar í Bandaríkjunum nota eingöngu þungavatn (²1H₂O) eða léttvatn (venjulegt H₂O), en sumir kjarnaofnar í öðrum löndum nota önnur efni, svo sem koltvíoxíð, beryllín eða grafít.

Kælimiðlar kjarnaofna

Kælimiðill kjarnaofns er notaður til að flytja varmann sem myndast við kjarnaklofnunina í ytri suðuketil og hverfil, þar sem honum er breytt í rafmagn. Oft eru notaðar tvær tengdar kælihringrásir; það dregur úr flutningi geislavirkni frá ofninum yfir í aðalkælihringrásina. Öll kjarnorkuver í Bandaríkjunum nota vatn sem kælimiðil. Aðrir kælimiðlar eru meðal annars bráðið natrín, blý, blý-bismútblanda eða bráðin sölt.

Stýristangir

Kjarnaofnar nota stýristangir (mynd 21.20) til að stjórna klofningshraða kjarnaeldsneytisins með því að stilla fjölda hægra nifteinda og halda hraða keðjuverkunarinnar á öruggu stigi. Stýristangir eru gerðar úr bór, kadmín, hafnín eða öðrum frumefnum sem geta gleypt nifteindir. Bór-10 gleypir til dæmis nifteindir í hvarfi sem myndar litín-7 og alfaeindir:

Þegar stýristöngum er rennt inn í eldsneytiseininguna í ofnhjartanu gleypa þær stærra hlutfall af hægu nifteindunum. Þannig hægist á kjarnaklofnuninni og orkuframleiðslan minnkar. Ef stýristangirnar eru hins vegar dregnar út gleypast færri nifteindir og þá eykst hraði kjarnaklofnunar og orkuframleiðslu. Í neyðartilvikum er hægt að stöðva keðjuverkunina með því að renna öllum stýristöngunum að fullu inn í ofnhjartað milli eldsneytisstanganna.

Hlífðar- og innhólfunarkerfi

Meðan kjarnaofn er í gangi framleiðir hann nifteindir og aðra geislun. Jafnvel þegar slökkt er á honum eru hrörnunarafurðirnar geislavirkar. Að auki er ofn í rekstri mjög heitur og mikill þrýstingur myndast vegna hringrásar vatns eða annars kælimiðils í gegnum hann. Því verður kjarnaofn að þola háan hita og þrýsting og vernda starfsfólk fyrir geislun. Kjarnaofnar eru búnir hlífðar- og innhólfunarkerfi sem samanstendur af þremur hlutum:

1. Ofnhylkið, stálskel sem er 3–20 sentímetra þykk og gleypir, ásamt hemilinum, stóran hluta þeirrar geislunar sem ofninn framleiðir
2. Aðalhlíf úr 1–3 metra þykkri háþéttnisteypu
3. Starfsmannahlíf úr léttari efnum sem verndar stjórnendur fyrir γ-geislum og röntgengeislum

Að auki eru kjarnaofnar oft huldir stál- eða steypuhvelfingu sem er hönnuð til að halda inni öllum geislavirkum efnum sem gætu losnað við slys í ofninum.

Kjarnorkuver eru hönnuð þannig að þau geta ekki myndað yfirmarkmassa af kleyfanlegu efni og geta því ekki valdið kjarnorkusprengingu. En eins og sagan hefur sýnt geta bilanir í kerfum og öryggisbúnaði valdið skelfilegum slysum, þar á meðal efnafræðilegum sprengingum og bráðnun ofnhjarta (skemmdum á ofnhjartanu vegna ofhitnunar). Í eftirfarandi innskoti, Efnafræði í daglegu lífi, eru þrjú alræmd bráðnunarslys skoðuð.

Orkan sem framleidd er í kjarnaofni sem knúinn er auðguðu úrani stafar af klofningu úrans og einnig af klofningu plútons sem myndast við rekstur ofnsins. Eins og áður hefur komið fram myndast plútonið þegar nifteindir sameinast úrani í eldsneytinu. Í öllum kjarnaofnum breytist aðeins um 0,1% af massa eldsneytisins í orku. Hin 99,9% verða eftir í eldsneytisstöngunum sem klofningsafurðir og ónotað eldsneyti. Allar klofningsafurðirnar gleypa nifteindir og eftir nokkra mánuði eða allt upp í nokkur ár, eftir gerð ofnsins, þarf að fjarlægja þær með því að skipta um eldsneytisstangir. Annars myndi styrkur þessara klofningsafurða aukast og þær gleypa fleiri nifteindir þar til ofninn gæti ekki lengur starfað.

Notaðar eldsneytisstangir innihalda margvíslegar afurðir: óstöðuga kjarna með sætistölu frá 25 til 60, nokkur handanúraníumefni, þar á meðal plúton og ameríkín, og úransamsætur sem ekki hafa hvarfast. Óstöðugu kjarnarnir og handanúraníumsamsæturnar gera notaða eldsneytið hættulega geislavirkt. Langlífu samsæturnar þurfa þúsundir ára til að hrörna niður í öruggt geislunarstig. Framtíð kjarnaofna sem mikilvægrar orkugjafar í Bandaríkjunum veltur líklega á því hvort hægt verði að þróa pólitískt og vísindalega viðunandi aðferð til að vinna og geyma innihald notaðra eldsneytisstanga.

Kjarnasamruni og samrunaofnar

Ferlinu þar sem mjög léttum kjörnum er breytt í þyngri kjarna fylgir einnig umbreyting massa í mikið magn orku; ferlið kallast kjarnasamruni. Helsta orkulind sólarinnar er nettósamrunahvarf þar sem fjórir vetniskjarnar renna saman og mynda einn helínkjarna og tvær jáeindir. Þetta er nettóhvarf í mun flóknari atburðarás:

Helínkjarni hefur massa sem er 0,7% minni en massi fjögurra vetniskjarna. Þessi tapaði massi breytist í orku við samrunann. Hvarfið framleiðir um 3,6 $\times \text{⁠}$ 10¹¹ kJ af orku á hvert mól af ⁴2He sem myndast. Þetta er nokkru meira en sú orka sem losnar við kjarnaklofnun eins móls af U-235 (1,8 $\times \text{⁠}$ 10¹⁰ kJ) og yfir 3 milljón sinnum meiri en orkan sem losnar við efnafræðilegan bruna eins móls af oktani (5471 kJ).

Sýnt hefur verið fram á að kjarnar þungu samsætna vetnis, tvívetniskjarni (deuteron), ²1H, og þrívetniskjarni (triton), ³1H, gangast undir samruna við gríðarlega háan hita (heitan samruna). Þeir mynda helínkjarna og nifteind:

Þessi breyting á sér stað með massatapi sem nemur 0,0188 amu, sem samsvarar losun 1,69 $\times \text{⁠}$ 10⁹ kílójúla á hvert mól af ⁴2He sem myndast. Gríðarhár hiti er nauðsynlegur til að veita kjörnunum nægilega hreyfiorku til að yfirvinna mjög sterka hrindikrafta sem stafa af jákvæðum hleðslum kjarnanna, svo þeir geti rekist saman.

Gagnleg samrunahvörf krefjast mjög hás hitastigs til að hefjast, um 15.000.000 K eða meira. Við þetta hitastig klofna allar sameindir í atóm og atómin jónast og mynda plasma. Þessar aðstæður eru á gríðarlega mörgum stöðum í alheiminum; stjörnur fá orku sína frá samruna. Menn hafa þegar fundið út hvernig á að framkalla nægilega háan hita til að ná fram samruna í stórum stíl í kjarnavopnum. Kjarnavopn eins og vetnissprengja inniheldur kjarnaklofnunarsprengju sem gefur frá sér næga orku við sprengingu til að framkalla þann gríðarháa hita sem þarf til að samruni geti átt sér stað.

Önnur og mun gagnlegri leið til að framkalla samrunahvörf er í samrunaofni, kjarnaofni þar sem samrunahvörfum léttra kjarna er stjórnað. Þar sem engin föst efni eru stöðug við svo háan hita geta vélræn tæki ekki haldið inni plasmanu þar sem samrunahvörfin eiga sér stað. Tvær aðferðir til að halda plasma við þann eðlismassa og það hitastig sem þarf fyrir samrunahvarf eru nú í brennidepli mikilla rannsókna: innilokun með segulsviði og innilokun með hnitmiðuðum leysigeislum (mynd 21.23). Fjöldi stórra verkefna vinnur að einu stærsta markmiði vísindanna: að fá vetniseldsneyti til að kvikna og framleiða meiri orku en þarf til að ná þeim gríðarlega háa hita og þrýstingi sem samruni krefst. Þegar þetta er skrifað eru engir sjálfbærir samrunaofnar starfandi í heiminum, þótt smærri stýrð samrunahvörf hafi verið keyrð í mjög stuttan tíma.