Tiedebitti: Johdatus atomirakenteeseen ja ydinreaktioihin
Atomi koostuu ytimestä ja elektroneista ydintä ympäröivillä kiertoradoilla. Pienet elektronit ovat energiapaketteja, joilla on negatiivinen varaus, kun taas ydin koostuu kahdesta samanpainoisesta hiukkasesta (protoneista ja neutroneista). Ytimen massa on 99, 975% atomin painosta, ja elektronin osuus on vain 0, 025%.
Protonilla on positiivinen varaus ja kunkin elementin atomeilla on sama määrä protoneja, mutta niillä voi olla eri määrä neutroneja, mikä synnyttää isotooppien käsitteen. Elektronien lukumäärä määräytyy protonien lukumäärän mukaan siten, että elektronin negatiivinen varaus tasapainottaa protonien positiivista varausta. Atomin (A) atomipaino määräytyy protonien (Z) ja neutronien lukumäärän perusteella. Siten hiilen stabiilissa isotoopissa (C-12) on 6 protonia ja 6 neutronia, kun taas radioaktiivisessa isotoopissa (C-14) on 6 protonia ja 8 neutronia ja happea (O-16), 8 protonia ja 8 neutronia.
Protonin tai neutronin uudelleenjärjestelystä ytimen sisällä vapautuva energia on suuri - noin miljoona kertaa suurempi kuin energia, joka liittyy elektronien lukumäärän muuttamiseen (eli kemiallinen energia, kuten vapautunut fossiilisten polttoaineiden polttamiseen liittyvien kemiallisten muutosten aikana) atomin sisällä.
Tärkeä asia, joka on otettava edellä esitetystä, on se, että atomien isotooppeja on erilaisia ja että näillä kaikilla on sama määrä protoneja, mutta ne vaihtelevat neutronien lukumäärässä atomiytimessä. Protonien lukumäärää kutsutaan atomiluvuksi (Z). Kun Z kasvaa, tarvitaan suurempi osa neutroneista kuin protonit. Tämä on tärkeää, jotta neutronien lisääntynyt sitoutumisenergia voi tasapainottaa lisääntynyttä repulsiota, joka johtuu positiivisesti varautuneiden protonien lisääntymisestä suuremmilla atomiluvuilla. Esimerkiksi suurin luonnossa esiintyvä atomi on uraani, joka sisältää 92 protonia. Kahden yleisen isotoopin atomipainot ovat joko 235 tai 238, jotka sisältävät 143 tai 146 neutronia. Stabiileimmissa atomeissa on suunnilleen yhtä paljon protoneja ja neutroneja, joista esimerkkinä on rauta (A=56), jossa on 26 protonia ja 30 neutronia. Protonien keskinäinen hylkiminen tekee korkeamman atomipainon atomeista vähemmän stabiileja. Vakaus tulee vain ydinvoimasta, joka houkuttelee neutroneja ja protoneja. Tämä ydinvoima voittaa positiivisen varauksen aiheuttaman sähköisen hylkimisen. Ydinvoima kuitenkin voittaa sähkövoiman vain hyvin lyhyillä etäisyyksillä (noin 10 negatiivista tehoa 15 metriä, 10-15). Tämä tarkoittaa, että pienet ytimet ovat vakaampia kuin suuret, koska ne voivat "käpertyä" lähelle toisiaan.
Periaatteessa ytimet, joilla on suuri A (atomipaino), voivat vapauttaa energiaa jakautumalla toisistaan muodostaen vakaampia ytimiä ja vapauttamalla energiaa prosessissa. Tämä on ydinfissiota ja on kaikkien ydinvoimareaktoreiden perusta. Tärkeää on, että tämän prosessin aikana vapautuu ylimääräisiä vapaita neutroneja, jotka ovat kriittisiä ydinketjureaktiolle.
Fissio on hyvin harvinaista luonnollisissa olosuhteissa (mutta ei ennenkuulumatonta: katso alla), Alfa-hajoaminen, jossa raskas ydin jakautuu heliumiksi ja pienempi ydin on yleisempi.
Tämä on perusta suurelle osalle maan pinnalla olevasta luonnollisesta radioaktiivisesta energiasta. Se on luonnollisen geotermisen voiman energialähde. Esimerkkejä ovat polonium ja radium, jotka Curies löysi pitchblendestä, uraanimalmista, jota nyt kutsutaan uraniitiksi, koska se sisältää uraanioksidia.
Ainoastaan luonnossa esiintyvistä atomeista peräisin oleva uraani-238 ja uraani-235 käyvät läpi spontaanin halkeamisen. Itse asiassa luonnollinen (spontaani) fissio löydettiin vasta vuonna 1940 kaksi vuotta sen jälkeen, kun Hahn, Strassman ja Meitner havaitsivat neutronien aiheuttaman fission Berliinissä.
Syy siihen, miksi luonnollinen ydinfissio on niin harvinaista, johtuu protonien ja neutronien tiukan sitoutumisen aiheuttamasta stabiilisuudesta.
1940-luvulla havaittiin, että jos uraani-235 absorboi neutronin, joka tuottaa riittävästi energiaa tehdäkseen ytimestä epävakaan, tapahtuu fissio. Havaittiin myös, että tämän fission seurauksena muodostui lisää neutroneja, jotka voivat laukaista ketjureaktion.
Tämä löytö johti sarjaan uusia radioisotooppeja, kun alkuperäiset fissiofragmentit hajoavat edelleen alfa- ja beetasäteilyn avulla muodostaen stabiileja atomeja. Esimerkiksi uraani-235: n hajoaminen johtaa lyijy-207: n muodostumiseen, joka on stabiili.
Ensimmäisen ihmisen tekemän ydinreaktorin oli perustuttava uraani-235: een, koska luonnossa ei ole muuta halkeamiskelpoista ainetta. Uraani-235: n pitoisuus on vain 0, 7% luonnollisesta malmista. Tämä uraani-235:n konsentraatio ei ylläpidä ketjureaktiota, koska suurin osa myös läsnä olevasta uraani-238-isotoopista absorboi liian monia päästettyjä neutroneja. Siten ketjureaktion käynnistämiseksi ja siten energian tuottamiseksi joko uraani-235: n pitoisuus suhteessa uraani-238: een on nostettava 5%: iin tai tarvitaan moderaattori. Reaktorissa polttoainesauvojen ympärillä on moderaattori, joka koostuu pienimassaisista atomeista, kuten vedystä vedessä. Moderaattorilla on kaksi päätoimintoa. Yksi on muuttaa neutronipommitusten vapauttama energia lämmöksi, joka lopulta syöttää tuottaviin turbiineihin. Moderaattorin toinen tehtävä on lisätä uraani-235: n neutronien aiheuttamaa fissionopeutta. Tämä johtuu siitä, että fission mahdollisuus kasvaa, jos neutronienergia on alhainen. Niinpä neutronienergian alentaminen parantaa fissionopeutta ja vähentää uraani-238:n neutronien imeytymistä välienergioissa. Siten ihanteellinen moderaattori absorboi muutamia neutroneja, joten ketjureaktio voidaan ylläpitää ilman rikastettua polttoainetta. Pienimassaista vety-1: tä sisältävä vesi on hyvä moderaattori ja halpa, mutta neutronien imeytymisen vuoksi se vaatii uraani-235: n rikastamista 5%: iin.
Tämä lyhyt yhteenveto siitä, miten moderaattori toimii ydinreaktorissa, auttaa toivottavasti selittämään eroja ydinvoimareaktoriin tarvittavan hallitun energian vapautumisen ja ydinaseen räjähtävän energian vapautumisen välillä. Jälkimmäisen saavuttamiseksi tarvitaan suurempi uraani-235-pitoisuus kuin siviilireaktoreissa käytetty 5%. Aseluokan ydinpolttoaineen saamiseksi on tarpeen keskittää U-235 80%: iin. Tämän tekeminen ydinvoimalan jätteestä olisi vaikeaa ja erittäin kallista, koska sen uraanipitoisuus on 235 (1 %) pienempi kuin alkuperäisessä reaktorilaatuisessa polttoaineessa ja se on muiden radioaktiivisten isotooppien saastuttama. Iranin ja Pohjois-Korean kaltaisten roistovaltioiden suosima menetelmä aselaatuisen uraanin saamiseksi on keskittää U-235-pitoisuus 80 prosenttiin käyttämällä sarjaa nopeita sentrifugeja.
Vaihtoehto uraani-235: lle ydinpolttoaineena on plutonium-239, myös melko puhtaassa muodossa. Tämä voidaan tuottaa siviiliydinreaktorissa uraani-238: n neutronien imeytymisen seurauksena.
Todennäköisyys on kuitenkin melko suuri, että reaktorissa valmistettu plutonium-239 vangitsee toisen neutronin plutonium-240: n valmistamiseksi. Plutonium-240 on kaikkein epätoivottavin aselaatuisen plutoniumin epäpuhtautena, koska se aiheuttaa "kuohumista". Näin ollen, jos ydinreaktoria käytetään aselaatuisen plutonium-239: n tuottamiseen (kuten jotkut varhaisista reaktoreista konfiguroitiin), uraanipolttoaine, jossa on plutonium-239, on poistettava usein reaktorista ennen kuin sillä on aikaa absorboida ylimääräinen neutroni. Tämä on erittäin tehoton tapa käyttää reaktoripolttoainetta sähkön tuottamiseen, koska plutonium-239:n kriittisen massan tuottamiseen tarvitaan noin 10 tonnia uraania. Näin ollen terroristin olisi suljettava ydinreaktori muutaman kuukauden kuluttua ja poistettava sitten plutonium-239 osittain käytetystä polttoaineesta.
Gabon, kirjoittanut Flo Lorenz.
Oklo-luonnonreaktori Gabonissa, Länsi-Afrikassa, oli geologinen esiintymä, joka koostui 16 luonnonuraanin saumasta, jotka 2 miljardia vuotta sitten alkoivat spontaanisti käydä läpi ydinfission.
Tätä varten tiettyjen ehtojen oli täytyttävä; Näitä olivat riittävät uraanipitoisuudet - erityisesti erittäin halkeamiskelpoinen U235 ja saumojen ympärillä oleva läpäisevä hiekkakivi, joka mahdollisti veden imeytymisen kallion läpi, missä se toimi moderaattorina, hidastaen neutroneja ja mahdollistaen reaktorin saavuttaa kriittisyyden. Reaktorit toimivat pulssitilassa; kytkeytyminen päälle ja pois päältä, kun kalliossa oleva vesi kiehui syklisesti pois lämmöstä, minkä jälkeen reaktio pysähtyi, kunnes enemmän vettä imeytyi saumojen ympärille ja reaktio alkoi uudelleen.
Se jatkui tällä tavalla - melko keskeytyksettä - noin 1 miljoonan vuoden ajan, kun uraani 235 lopulta tyhjeni ja reaktiot pysähtyivät. Oklo-reaktoreiden tutkiminen ja fissiotuotteiden suhteellinen liikkumattomuus aikakausien aikana on ollut korvaamatonta edistettäessä ymmärrystä siitä, kuinka rakentaa tehokkaita syviä geologisia varastoja ydinjätteelle.
Osallistujien
1. Duncan Roy, Lewesin vihreä puolue
2. Peter Vaughan, Itä-Devonin vihreä puolue
3. Mark Yelland, Brightonin ja Hoven vihreä puolue