22.4 Kjarnaklofnun og kjarnasamruni

Lykilhugtök kaflans

Fyrri kafli fjallaði um náttúrulega kjarnasundrun. Án mannlegrar íhlutunar munu sumir kjarnar breyta samsetningu sinni til að ná stöðugu jafnvægi. Þessi kafli kafar ofan í ferli sem er síður náttúrulegt. Vitandi að orka getur losnað í ýmsum myndum kjarnabreytinga, er mögulegt að búa til kjarnahvarf með okkar eigin íhlutun? Svarið við þessari spurningu er já. Með tveimur ólíkum aðferðum hefur mannkynið uppgötvað margar leiðir til að stjórna atóminu til að losa innri orku þess.

Kjarnaklofnun

Í einföldustu orðum er kjarnaklofnun sundrun atómkjarna. Í ljósi þess að það krefst mikillar orku að aðskilja tvær kjarnaeindir, gæti það komið á óvart að sundrun kjarna geti losað gríðarlega stöðuorku. Og þó að það sé satt að mikið magn orku geti losnað, þarf talsverða fyrirhöfn til að gera það í reynd.

Óstöðugt atóm mun sundrast náttúrulega, en það getur tekið milljónir ára að gera það. Þar af leiðandi er nauðsynlegt að nota efnislegan hvata til að framleiða nýtanlega orku með kjarnaklofnun. Hvatinn birtist venjulega í formi frjálsrar nifteindar sem er beint beint að kjarna þungrar atóms.

Eins og sýnt er á mynd 22.26, getur árekstur nifteindar valdið því að kjarninn lengist, líkt og vatnsdropi. Þess vegna er líkanið þekkt sem vökvadropalíkanið. Þegar kjarninn lengist eru kjarnaeindirnar ekki lengur eins þétt pakkaðar og hinn fráhrindandi rafsegulkraftur getur yfirunnið hinn skammdræga sterka kjarnakraft. Ójafnvægi kraftanna getur leitt til þess að tveir endar dropans fljúgi í sundur, og hluti af bindiorku kjarnans losnar út í umhverfið.

Eins og þú getur ímyndað þér eru afleiðingar þess að kjarnar klofni verulegar. Þegar kjarni er klofinn losnar ekki aðeins orka, heldur einnig fáeinum nifteindum. Þessar nifteindir hafa möguleika á að valda frekari klofnun í öðrum kjörnum, sérstaklega ef þeim er beint aftur að hinum kjörnunum með þéttum skildi eða nifteindaspegli (sjá hluta (d) á mynd 22.26).

Hins vegar veldur ekki hver einasta nifteind sem verður til við klofnun frekari klofnun. Sumar nifteindir sleppa úr klofnunarefninu, á meðan aðrar verka á kjarna án þess að láta hann klofna. Við getum aukið fjölda klofnana af völdum nifteinda með því að hafa mikið magn af klofnunarefni ásamt nifteindaspegli. Lágmarksmagn sem þarf fyrir sjálfbæra klofnun tiltekinnar kjarnategundar kallast markmassi hennar. Sumar kjarnategundir, eins og ²³⁹Pu, framleiða fleiri nifteindir í hverri klofnun en aðrar, eins og ²³⁵U. Auk þess er auðveldara að fá sumar kjarnategundir til að klofna en aðrar. Sérstaklega er auðveldara að kljúfa ²³⁵U og ²³⁹Pu en hið mun algengara ²³⁸U. Báðir þættir hafa áhrif á markmassa, sem er minnstur fyrir ²³⁹Pu. Sjálfbær klofnun kjarna er almennt kölluð keðjuverkun, eins og sýnt er á mynd 22.27.

Keðjuverkun getur haft stjórnlausar afleiðingar. Ef hver atómsundrun leiðir til þess að tveir kjarnar framleiða nýja klofnun, mun fjöldi kjarnahvarfa aukast veldisvísislega. Ein klofnun mun framleiða tvö atóm, næsta umferð klofnunar mun skapa fjögur atóm, þriðja umferðin átta atóm, og svo framvegis. Að sjálfsögðu losnar meiri orka í hvert sinn sem klofnun á sér stað, sem eykur enn frekar afl atómhvarfsins. Og það er bara ef tvær nifteindir skapa kjarnaklofnun í hverri umferð. Kannski sérðu nú hvers vegna svo margir líta á kjarnorku sem spennandi orkugjafa!

Til að búa til sjálfbæran kjarnaklofnunarofn með ²³⁵U er nauðsynlegt að hægja á nifteindunum. Vatn er mjög áhrifaríkt til þess, þar sem nifteindir rekast á róteindir í vatnssameindum og tapa orku. Mynd 22.28 sýnir skýringarmynd af hönnun kjarnaofns sem kallast þrýstivatnsofn.

Stýristangir sem innihalda kjarnategundir sem gleypa nifteindir mjög sterkt eru notaðar til að stilla nifteindaflæði. Til að framleiða mikið afl innihalda kjarnaofnar hundruð til þúsunda markmassa, og keðjuverkunin verður auðveldlega sjálfbær. Nifteindaflæði verður að vera vandlega stjórnað til að forðast stjórnlausa veldisvísislega aukningu á hraða klofnunar.

Stýristangir hjálpa til við að koma í veg fyrir ofhitnun, jafnvel bráðnun kjarna eða sprengingu. Vatnið sem er notað til að hægja á nifteindum, sem er nauðsynlegt til að fá þær til að valda klofnun í ²³⁵U og ná markástandi, veitir neikvæða afturverkun fyrir hitastigshækkun. Ef ofninn ofhitnar og sýður vatnið í gufu eða rofnar, drepur skortur á vatni keðjuverkunina. Talsverður hiti getur þó enn myndast af völdum geislavirkra klofnunarefna ofnsins. Aðrir öryggisþættir þurfa því að vera til staðar ef kælivökvaslys verður, þar á meðal varakælivatn og dælur.

Orka í kjarnaklofnun

Eftirfarandi eru tvær áhugaverðar staðreyndir til að íhuga:

• Meðalklofnunarhvarf framleiðir 200 MeV af orku.
• Ef þú myndir mæla massa myndefna kjarnahvarfs, myndir þú komast að því að massi þeirra væri örlítið minni en massi upprunalega kjarnans.

Hvernig er þetta mögulegt? Brýtur orkuframleiðsla klofnunarhvarfsins ekki lögmálið um varðveislu orkunnar? Ennfremur, brýtur massatapið í hvarfinu ekki lögmálið um varðveislu massans? Þetta eru mikilvægar spurningar og þeim er báðum hægt að svara með einni frægustu jöfnu vísindasögunnar.

Mundu að samkvæmt kenningu Einsteins eru orka og massi í raun sami hluturinn. Í tilviki klofnunar er massi myndefnanna minni en hvarfefnanna vegna þess að massinn sem vantar birtist í formi orkunnar sem losnar í hvarfinu, með fasta gildið c² júl af orku umbreytt fyrir hvert kílógramm af efni. Gildið c² er verulegt—út frá jöfnu Einsteins væri orkumagnið í aðeins 1 grammi af massa nóg til að framfleyta meðal Bandaríkjamanni í meira en 270 ár! Dæmið hér að neðan mun sýna þér hvernig massa-orku umbreyting af þessari gerð á sér stað.

Kjarnasamruni

Kjarnasamruni er skilgreindur sem sameining, eða samruni, tveggja kjarna og sameining kjarnanna leiðir einnig til losunar orku. Fyrir marga gengur hugtakið gegn innsæi. Þegar öllu er á botninn hvolft, ef orka losnar þegar kjarni er klofinn, hvernig getur hún þá líka losnað þegar kjarnaeindir eru sameinaðar? Munurinn á kjarnaklofnun og kjarnasamruna, sem stafar af stærð kjarnanna sem um ræðir, verður tekinn fyrir næst.

Mundu að bygging kjarna byggist á samspili samþjöppandi sterka kjarnakraftsins og fráhrindandi rafkraftsins. Fyrir kjarna sem eru léttari en járn er kjarnakrafturinn í raun sterkari en Coulomb-krafturinn. Þar af leiðandi, þegar léttur kjarni gleypir kjarnaeindir, binda viðbættu nifteindirnar og róteindirnar kjarnann þéttar saman. Aukinn sterki kjarnakrafturinn vinnur vinnu á kjarnann og orka losnar.

Þegar stærð myndaða kjarnans fer yfir stærð járns, hefur skammdrægi kjarnakrafturinn ekki getu til að binda kjarna þéttar saman og losun orku hættir. Í raun, til að samruni eigi sér stað fyrir frumefni með meiri massa en járn, verður að bæta orku inn í kerfið! Mynd 22.29 sýnir orku-massa kúrfu sem er almennt notuð til að lýsa kjarnahvörfum. Taktu eftir staðsetningu járns (Fe) á línuritinu. Allir léttir kjarnar vinstra megin við járn losa orku við samruna, en allar þungar agnir hægra megin við járn framleiða orku við klofnun.

Helsta hindrunin fyrir samruna er Coulomb-fráhrindikrafturinn milli kjarna. Þar sem aðdráttarkjarnakrafturinn sem getur sameinað kjarna er skammdrægur, verður að yfirvinna fráhrindingu samkynja jákvæðra hleðslna til að koma kjörnum nógu nálægt hver öðrum til að koma samruna af stað. Mynd 22.30 sýnir áætlað línurit af stöðuorku milli tveggja kjarna sem fall af fjarlægð milli miðju þeirra. Línuritið líkist hól með brunni í miðjunni. Bolti sem rúllað er til vinstri verður að hafa næga hreyfiorku til að komast yfir bunguna áður en hann fellur ofan í dýpri brunninn með nettó ávinningi í orku. Svo er það með samruna. Ef kjarnarnir fá næga hreyfiorku til að yfirvinna rafstöðuorkuna vegna fráhrindingar, þá geta þeir sameinast, losað orku og fallið ofan í djúpan brunn. Ein leið til að ná því markmiði er að hita samrunaeldsneyti upp í háan hita svo að hreyfiorka varmahreyfingarinnar sé nægjanleg til að koma kjörnunum saman.

Þú gætir haldið að í sólinni okkar séu kjarnar stöðugt að komast í snertingu og sameinast. Þetta er þó aðeins að hluta til satt. Aðeins í kjarna sólarinnar eru agnirnar nógu nálægt og hitastigið nógu hátt til að samruni eigi sér stað!

Í röð efnahvarfa hér að neðan framleiðir sólin orku með því að sameina róteindir, eða vetniskjarna (¹H, langalgengasta kjarntegund sólarinnar) í helíumkjarna ⁴He. Aðalröð samrunahvarfa myndar það sem kallað er róteinda-róteinda hringrás

Heildarhvarfið er 2e⁻ + 4¹H → ⁴He + 2νₑ + 6γ (26,7 MeV).

þar sem e⁺ stendur fyrir jáeind og νₑ er rafeindafiseind. Orkan í svigum losnar við hvarfið. Taktu eftir að fyrstu tvö hvörfin verða að eiga sér stað tvisvar til að það þriðja sé mögulegt, svo hringrásin eyðir sex róteindum (¹H) en skilar tveimur til baka. Ennfremur munu jáeindirnar tvær sem myndast finna tvær rafeindir og eyðast (eyðast) til að mynda fjóra γ-geisla til viðbótar, samtals sex. Heildarhringrásin er því

2e⁻ + 4¹H → ⁴He⁺ 2νₑ + 6γ (26,7 MeV),

þar sem 26,7 MeV innifelur eyðingarorku jáeindanna og rafeindanna og dreifist á öll myndefni hvarfsins. Innviðir sólarinnar eru þéttir og hvörfin eiga sér stað djúpt í sólinni þar sem hitastig er hæst. Það tekur um 32.000 ár fyrir orkuna að sveima til yfirborðsins og geisla út. Hins vegar geta fiseindirnar borið orku sína út úr sólinni á innan við tveimur sekúndum, vegna þess að þær víxlverka svo veikt við annað efni. Neikvæð afturverkun í sólinni virkar sem hitastillir til að stjórna heildarorkuframleiðslunni. Til dæmis, ef innviðir sólarinnar verða heitari en venjulega, eykst hvarfhraðinn, sem framleiðir orku sem þenur út innviðina. Útþenslan kælir þá og lækkar hvarfhraðann. Öfugt, ef innviðirnir verða of kaldir, dragast þeir saman, sem eykur hitastigið og þar með hvarfhraðann (sjá mynd 22.31). Stjörnur eins og sólin eru stöðugar í milljarða ára, þar til verulegur hluti vetnis þeirra hefur klárast.

Kjarnorkuvopn og kjarnorka

Heimurinn var í pólitísku uppnámi þegar kjarnaklofnun uppgötvaðist árið 1938. Til að bæta gráu ofan á svart gerðu leiðandi vísindamenn um allan heim sér strax grein fyrir möguleikanum á sjálfbærri keðjuverkun. Sú gífurlega orka sem vitað var að byggi í kjörnum, en talin var óaðgengileg, virtist nú vera fáanleg í stórum stíl.

Innan nokkurra mánaða frá því að tilkynnt var um uppgötvun kjarnaklofnunar bannaði Adolf Hitler útflutning á úrani frá Tékkóslóvakíu, sem nýlega hafði verið hernumin. Það virtist sem hernaðarlegt gildi úrans hefði verið viðurkennt í Þýskalandi nasismans og að alvarleg tilraun til að smíða kjarnorkusprengju væri hafin.

Áhyggjufullir vísindamenn, margir hverjir flúnir frá Þýskalandi nasismans, ákváðu að grípa til aðgerða. Enginn var frægari eða meira virtur en Einstein. Talið var að hjálp hans þyrfti til að fá bandarísk stjórnvöld til að gera alvarlega tilraun til að smíða kjarnorkuvopn sem spurningu um að lifa af. Leo Szilard, ungverskur eðlisfræðingur sem hafði flutt til Ameríku, fór með drög að bréfi til Einsteins, sem skrifaði undir lokaútgáfuna þótt hann væri friðarsinni. Bréfið var stílað á Franklin Roosevelt forseta og varaði við getu Þjóðverja til að smíða afar öflugar sprengjur af nýrri tegund. Það var sent í ágúst 1939, rétt fyrir innrás Þjóðverja í Pólland sem markaði upphaf síðari heimsstyrjaldarinnar.

Það var ekki fyrr en 6. desember 1941, daginn fyrir árás Japana á Pearl Harbor, sem Bandaríkin skuldbundu sig til mikilla átaka við smíði kjarnorkusprengju. Hið háleynilega Manhattan-verkefni var hraðverkefni sem miðaði að því að sigra Þjóðverja. Það var unnið á afskekktum stöðum, svo sem í Los Alamos í Nýju-Mexíkó, hvenær sem því var við komið, og kostaði að lokum milljarða dollara og nýtti krafta meira en 100.000 manns. J. Robert Oppenheimer (1904–1967), hæfileikaríkur eðlisfræðingur, var valinn til að stýra verkefninu. Fyrsta stóra skrefið var stigið af Enrico Fermi og hópi hans í desember 1942, þegar þeir luku við fyrsta sjálfbæra kjarnakljúfinn. Þessi fyrsti kjarnahlaði, byggður í skvasssal við háskólann í Chicago, sannaði að keðjuverkun kjarnaklofnunar væri möguleg.

Mjög snemma í Manhattan-verkefninu varð ljóst að auðveldara var að kljúfa plúton með nifteindum og það væri því betra klofnunarefni. Framboð á plútoni var óvíst og því var úransprengja þróuð samhliða. Mynd 22.32 sýnir sprengju af byssugerð, sem tekur tvo úranmassa undir markmassa og skýtur þeim saman. Til að fá umtalsverða orku verður að halda markmassanum saman með sprengihleðslunum inni í byssuhlaupinu í nokkrar míkrósekúndur. Þar sem uppbygging keðjuverkunar í úrani er tiltölulega hæg, getur búnaðurinn til að leiða markmassann saman verið tiltölulega einfaldur. Vegna þess að tíðni sjálfkrafa kjarnaklofnunar er lág, er nifteindagjafi í miðju samsetta markmassans.

Sérstakir eiginleikar plútons kröfðust flóknari samsetningar markmassa, sem sýnd er á skýringarmynd í mynd 22.33. Kúlulaga massi af plútoni er umkringdur mótuðum sprengihleðslum (öflugt sprengiefni sem beinir sprengikraftinum) sem valda innfalli plútonsins og þjappa því saman í minna rúmmál til að mynda markmassa. Innfallstæknin er hraðvirkari og skilvirkari vegna þess að hún þjappar saman í þrívídd frekar en einvídd eins og í sprengju af byssugerð. Aftur er nifteindagjafi innifalinn til að koma keðjuverkuninni af stað.

Vegna flækjustigsins þurfti að prófa plútonsprengjuna áður en hægt væri að reyna að nota hana. Þann 16. júlí 1945 var prófunin sem nefnd var Trinity framkvæmd í hinni afskekktu Alamogordo-eyðimörk í Nýju-Mexíkó, um 200 mílur suður af Los Alamos (sjá mynd 22.34). Ný öld var hafin. Sprengikraftur Trinity-búnaðarins var um 10 kílótonn (kT), sem jafngildir 5.000 af stærstu hefðbundnu sprengjunum.

Þótt Þýskaland hafi gefist upp 7. maí 1945, höfðu Japanir staðfastlega neitað að gefast upp í marga mánuði, sem leiddi til mikils mannfalls óbreyttra borgara og hermanna. Innrásaráætlanir bandamanna gerðu ráð fyrir milljón manna mannfalli í eigin röðum og óteljandi tapi á japönskum mannslífum. Sprengjan var talin leið til að binda enda á stríðið. Fyrsta sprengjan sem notuð var, var úransprengja af byssugerð sem Bandaríkin vörpuðu á Hírósíma þann 6. ágúst. Sprengikraftur hennar, um 15 kT, eyðilagði borgina og drap áætlaðar 80.000 manneskjur, og 100.000 til viðbótar slösuðust alvarlega. Önnur sprengjan var plútonsprengja af innfallsgerð sem varpað var á Nagasaki aðeins þremur dögum síðar. 20-kT sprengikraftur hennar drap að minnsta kosti 50.000 manns, nokkuð færri en í Hírósíma vegna hæðótts landslags og þeirrar staðreyndar að hún hitti nokkra kílómetra frá skotmarkinu. Japönum var sagt að einni sprengju yrði varpað í viku hverri þar til þeir gæfust upp skilyrðislaust, sem þeir gerðu þann 14. ágúst. Í raun og veru áttu Bandaríkin aðeins nóg plúton í eina sprengju til viðbótar, sem var enn ósamsett.

Með vitneskju um að samruni framleiðir margfalt meiri orku á hvert kílógramm eldsneytis en klofnun, unnu sumir vísindamenn að hugmyndinni um að smíða samrunasprengju. Fyrsta slíka sprengjan var sprengd af Bandaríkjunum nokkrum árum eftir fyrstu klofnunarsprengjurnar, þann 31. október 1952, á Eniwetok-rifi í Kyrrahafi. Hún hafði sprengikraft upp á 10 megatonn (MT), um 670 sinnum meiri en klofnunarsprengjan sem eyðilagði Hírósíma. Sovétríkin fylgdu í kjölfarið með eigin samrunabúnað í ágúst 1953, og vopnakapphlaup, sem er utan efnis þessarar bókar að ræða, hélt áfram þar til kalda stríðinu lauk.

Mynd 22.35 sýnir einfalda skýringarmynd af því hvernig hitakjarnasprengja er byggð. Klofnunarsprengja er sprengd við hliðina á samrunaeldsneyti í föstu formi litíum-deúteríðs. Áður en höggbylgjan tætir það í sundur, hita γ-geislar eldsneytið og þjappa því saman, og nifteindir búa til þrívetni með efnahvarfinu n + ⁶Li → ³H + ⁴He. Viðbótareldsneyti fyrir samruna og klofnun er lokað inni í þéttri skel úr ²³⁸U. Á sama tíma og úranskelin endurvarpar nifteindunum aftur inn í eldsneytið til að auka samruna þess, valda hraðfara nifteindirnar því að hið ríkulega og ódýra ²³⁸U klofnar, sem er hluti af því sem gerir hitakjarnasprengjum kleift að vera svo stórar.

Að sjálfsögðu eru ekki öll notkunarsvið kjarnaeðlisfræði jafn eyðileggjandi og vopnin sem lýst er hér að ofan. Hundruð kjarnorkuvera um allan heim vitna um þá staðreynd að stýrð kjarnaklofnun er bæði hagnýt og hagkvæm. Í ljósi vaxandi áhyggna af hnattrænni hlýnun er kjarnorka oft talin raunhæfur valkostur við orku sem unnin er úr jarðefnaeldsneyti.