21.4 Umskipting og kjarnorka

Eftir uppgötvun geislavirkni var svið kjarnaefnafræðinnar skapað og þróaðist hratt á fyrri hluta tuttugustu aldar. Fjöldi nýrra uppgötvana á fjórða og fimmta áratugnum, ásamt seinni heimsstyrjöldinni, leiddi samanlagt til upphafs kjarnorkualdar um miðja tuttugustu öld. Vísindamenn lærðu að búa til ný efni og komust að því að ákveðnar samsætur tiltekinna frumefna gátu framleitt áður óþekkt magn af orku, með möguleika á að valda gríðarlegum skaða í stríði, auk þess að framleiða gífurlegt afl fyrir þarfir samfélagsins á friðartímum.

Myndun kjarnategunda

Kjarnaumskipting (e. nuclear transmutation) er umbreyting einnar kjarnategundar í aðra. Hún getur átt sér stað með geislavirkri hrörnun kjarna eða með efnahvarfi kjarna við aðra eind. Fyrsti manngerði kjarninn var framleiddur á rannsóknarstofu Ernest Rutherford árið 1919 með umskiptingar (e. transmutation)hvarfi, þar sem ein tegund kjarna var skotin með öðrum kjörnum eða nifteindum. Rutherford skaut á niturfrumeindir með háhraða α-eindum úr náttúrulegri geislavirkri samsætu radíums og sá róteindir verða til í efnahvarfinu:

_{7}^{14} N +_{2}^{4} He ⟶_{8}^{17} O +_{1}^{1} H

Kjarnarnir $_{{\, 8}}^{17}\text{O}$ og $_{{1}}^{1}\text{H}$ sem myndast eru stöðugir, þannig að engar frekari (kjarna)breytingar eiga sér stað.

Til að ná þeirri hreyfiorku sem nauðsynleg er til að framkalla umskiptingarhvörf eru notuð tæki sem kallast eindahraðlar (e. particle accelerators). Þessi tæki nota segul- og rafsvið til að auka hraða kjarnaeinda. Í öllum hröðlum hreyfast eindirnar í lofttæmi til að forðast árekstra við gassameindir. Þegar nifteinda er þörf fyrir umskiptingarhvarf eru þær yfirleitt fengnar úr geislavirkum hrörnunarhvörfum eða úr ýmsum kjarnahvörfum sem eiga sér stað í kjarnakljúfum. Í kaflanum „Efnafræði í daglegu lífi“ sem fylgir hér á eftir er fjallað um frægan eindahraðal sem komst í heimsfréttirnar.

Efnafræði í daglegu lífi

Eindahraðall CERN

CERN („Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire“ eða Evrópuráðið um kjarnorkurannsóknir), sem staðsett er nálægt Genf, er fremsta rannsóknarmiðstöð heims á sviði grunneinda sem mynda efni. Þar er að finna 27 kílómetra langan, hringlaga stóra róteindaárekstrarhraðalinn (LHC), stærsta eindahraðal heims (Mynd 21.13). Í LHC eru eindir hraðaðar upp í mikla orku og látnar rekast hver á aðra eða á kyrrstæð skotmörk á nærri ljóshraða. Ofurleiðandi rafseglar eru notaðir til að mynda sterkt segulsvið sem leiðir eindirnar um hringinn. Sérhæfðir, sérsmíðaðir nemar fylgjast með og skrá niðurstöður þessara árekstra, sem síðan eru greindar af vísindamönnum CERN með öflugum tölvum.

Mynd 21.13 Lítill hluti af LHC sést með starfsmönnum sem ferðast meðfram honum. (heimild: Christophe Delaere)

Árið 2012 tilkynnti CERN að tilraunir í LHC hefðu sýnt fyrstu merki um Higgs-bóseindina, grunneind sem hjálpar til við að útskýra uppruna massa í grunneindum. Þessi langþráða uppgötvun vakti heimsathygli og leiddi til þess að François Englert og Peter Higgs hlutu Nóbelsverðlaunin í eðlisfræði árið 2013, en þeir höfðu spáð fyrir um tilvist þessarar eindar tæpum 50 árum áður.

Fyrir 1940 var þyngsta þekkta frumefnið úran, með sætistöluna 92. Nú hafa mörg tilbúin frumefni verið mynduð og einangruð, þar á meðal nokkur í svo stórum stíl að þau hafa haft djúpstæð áhrif á samfélagið. Eitt þeirra – frumefni 93, neptúníum (Np) – var fyrst búið til árið 1940 af McMillan og Abelson með því að skjóta nifteindum á úran-238. Við efnahvarfið myndast óstöðugt úran-239, með helmingunartíma upp á 23,5 mínútur, sem síðan hrörnar í neptúníum-239. Neptúníum-239 er einnig geislavirkt, með helmingunartíma upp á 2,36 daga, og það hrörnar í plútoníum-239. Kjarnahvörfin eru:

\begin{array}{l} _{92}^{238} U +_{0}^{1} n ⟶_{92}^{239} U \\ _{92}^{239} U ⟶_{93}^{239} Np +_{−1}^{0} e half-life = 23,5 min \\ _{93}^{239} Np ⟶_{94}^{239} Pu +_{−1}^{0} e half-life = 2,36 days \end{array}

Plútoníum myndast nú að mestu í kjarnakljúfum sem aukaafurð við kjarnaklofnun U-235. Við þessa kjarnaklofnun losna fleiri nifteindir (sjá næsta kafla), og sumar þeirra sameinast U-238 kjörnum og mynda úran-239; það gengst undir β-hrörnun og myndar neptúníum-239, sem aftur gengst undir β-hrörnun og myndar plútoníum-239 eins og sýnt er í þremur fyrri jöfnunum. Þessi ferli eru tekin saman í jöfnunni:

_{92}^{238} U +_{0}^{1} n ⟶_{92}^{239} U \overset{β^{−}}{\to}_{93}^{239} Np \overset{β^{−}}{\to}_{94}^{239} Pu

Þyngri samsætur plútoníums – Pu-240, Pu-241 og Pu-242 – myndast einnig þegar léttari plútoníumkjarnar fanga nifteindir. Hluti af þessu mjög geislavirka plútoníumi er notað til að framleiða hernaðarvopn og afgangurinn veldur alvarlegum geymsluvanda þar sem helmingunartími þeirra er frá þúsundum upp í hundruð þúsunda ára.

Þrátt fyrir að þeir hafi ekki verið framleiddir í sama magni og plútoníum hafa margir aðrir tilbúnir kjarnar verið búnir til. Kjarnalæknisfræði hefur þróast út frá hæfninni til að breyta frumeindum einnar tegundar í aðrar tegundir frumeinda. Geislavirkar samsætur nokkurra tuga frumefna eru nú notaðar í læknisfræðilegum tilgangi. Geislunin sem myndast við hrörnun þeirra er notuð til að mynda eða meðhöndla ýmis líffæri eða líkamshluta, meðal annars.

Frumefni með hærri sætistölu en 92 (úran) eru kölluð þverúranar (e. transuranium elements). Þegar þetta er skrifað hafa 22 þverúranar verið framleiddir og formlega viðurkenndir af IUPAC; tilkynnt hefur verið um myndun nokkurra annarra frumefna en beðið er eftir samþykki. Sum þessara frumefna eru sýnd í Tafla 21.5.

Tafla 21.5
Framleiðsla nokkurra þverúrana
Nafn	Tákn	Sætistala	Efnahvarf
amerísín	Am	95	${_{{\, 94}}^{239}\text{Pu}+ _{{0}}^{1}\text{n}\, \longrightarrow \, _{{\, 95}}^{240}\text{Am}+ _{−1}^{{\, 0}}\text{e}}$
kúrín	Cm	96	${_{{\, 94}}^{239}\text{Pu}+ _{{2}}^{4}\text{He}\, \longrightarrow \, _{{\, 96}}^{242}\text{Cm}+ _{{0}}^{1}\text{n}}$
kalifornín	Cf	98	${_{{\, 96}}^{242}\text{Cm}+ _{{2}}^{4}\text{He}\, \longrightarrow \, _{{\, 98}}^{245}\text{Cf}+ _{{0}}^{1}\text{n}}$
einsteinín	Es	99	${_{{\, 92}}^{238}\text{U}+15 _{{0}}^{1}\text{n}\, \longrightarrow \, _{{\, 99}}^{253}\text{Es}+7 _{−1}^{{\, 0}}\text{e}}$
mendelevín	Md	101	${_{{\, 99}}^{253}\text{Es}+ _{{2}}^{4}\text{He}\, \longrightarrow \, _{{101}}^{256}\text{Md}+ _{{0}}^{1}\text{n}}$
nóbelín	No	102	${_{{\, 96}}^{246}\text{Cm}+ _{{\, 6}}^{12}\text{C}\, \longrightarrow \, _{{102}}^{254}\text{No}+4 _{{0}}^{1}\text{n}}$
rutherfordín	Rf	104	${_{{\, 98}}^{249}\text{Cf}+ _{{\, 6}}^{12}\text{C}\, \longrightarrow \, _{{104}}^{257}\text{Rf}+4 _{{0}}^{1}\text{n}}$
seaborgín	Sg	106	$\begin{aligned} _{{\, 82}}^{206}\text{Pb}+ _{{24}}^{54}\text{Cr}\, \longrightarrow \, _{{106}}^{257}\text{Sg}+3 _{{0}}^{1}\text{n} \\ _{{\, 98}}^{249}\text{Cf}+ _{{\, 8}}^{18}\text{O}\, \longrightarrow \, _{{106}}^{263}\text{Sg}+4 _{{0}}^{1}\text{n} \end{aligned}$
meitnerín	Mt	107	${_{{\, 83}}^{209}\text{Bi}+ _{{26}}^{58}\text{Fe}\, \longrightarrow \, _{{109}}^{266}\text{Mt}+ _{{0}}^{1}\text{n}}$

Kjarnaklofnun

Kjarnaofnar

Keðjuverkunum klofnanlegra efna er hægt að stjórna og viðhalda án sprengingar í kjarnaofni (e. nuclear reactor) (Mynd 21.14). Sérhver kjarnaofn sem framleiðir afl með kjarnaklofnun úrans eða plútóns með nifteindaárás verður að hafa að minnsta kosti fimm hluta: kjarnaeldsneyti sem samanstendur af klofnanlegu efni, hægiefni, kælivökva, stýristangir og hlífðar- og innilokunarkerfi. Við munum fjalla nánar um þessa hluta síðar í kaflanum. Kjarnaofninn virkar með því að aðskilja klofnanlegt kjarnaefni þannig að markmassi geti ekki myndast og stjórna bæði flæði og upptöku nifteinda til að hægt sé að stöðva kjarnaklofnunarefnahvörfin. Í kjarnaofni sem notaður er til rafmagnsframleiðslu er orkan sem losnar við kjarnaklofnunarefnahvörf fanguð sem varmaorka og notuð til að sjóða vatn og framleiða gufu. Gufan er notuð til að snúa hverfli sem knýr rafal til rafmagnsframleiðslu.

A photo labeled “a” and a diagram labeled “b” is shown. The photo is of a power plant with two large white domes and many buildings. The diagram shows a cylindrical container with thick walls labeled “Walls made of concrete and steel” and three main components inside. The first of these components is a pair of tall cylinders labeled “Steam generators” that sit to either side of a shorter cylinder labeled “Core.” Next to the core is a thin cylinder labeled “Pressurizer.” To the left of the outer walls is a set of pistons labeled “Turbines” that sit above a series of other equipment. — Mynd 21.14 (a) Diablo Canyon-kjarnorkuverið nálægt San Luis Obispo er eina kjarnorkuverið sem nú er í rekstri í Kaliforníu. Hvolfþökin eru innilokunarmannvirki fyrir kjarnaofnana og í brúnu byggingunni er hverfillinn þar sem rafmagn er framleitt. Sjór er notaður til kælingar. (b) Diablo Canyon notar þrýstivatnsofn, eina af nokkrum mismunandi gerðum kjarnaklofnunarofna sem notaðir eru um allan heim til að framleiða rafmagn. Orka frá kjarnaklofnunarefnahvörfum í kjarnanum hitar vatn í lokuðu þrýstikerfi. Varmi frá þessu kerfi framleiðir gufu sem knýr hverfil sem aftur framleiðir rafmagn. (Heimild a: breyting á verki eftir „Mike“ Michael L. Baird; heimild b: breyting á verki eftir Nuclear Regulatory Commission)

Mörg þyngri frumefni með minni bindiorku á hverja kjarneind geta sundrast í stöðugri frumefni sem hafa meðalþungan massatölu og meiri bindiorku á hverja kjarneind – það er að segja massatölur og bindiorku á hverja kjarneind sem eru nær „toppnum“ á bindiorkuritinu nálægt 56 (sjá Mynd 21.3). Stundum myndast einnig nifteindir. Þessi sundrun er kölluð kjarnaklofnun (e. fission), það er þegar stór kjarni brotnar í smærri hluta. Brotinu er fremur tilviljunarkennt og myndar mikinn fjölda mismunandi afurða. Kjarnaklofnun á sér yfirleitt ekki stað náttúrulega heldur er hún framkölluð með nifteindaárás. Fyrsta tilkynnta kjarnaklofnunin átti sér stað árið 1939 þegar þrír þýskir vísindamenn, Lise Meitner, Otto Hahn og Fritz Strassman, gerðu árás á úran-235 frumeindir með hægfara nifteindum sem klufu U-238 kjarnana í smærri brot sem samanstóðu af nokkrum nifteindum og frumefnum nálægt miðju lotukerfisins. Síðan þá hefur kjarnaklofnun sést í mörgum öðrum samsætum, þar á meðal flestum aktiníðsamsætum sem hafa oddatölu nifteinda. Dæmigert kjarnaklofnunarefnahvarf er sýnt í Mynd 21.15.

Mynd 21.15 Þegar hægfara nifteind rekst á klofnanlegan U-235 kjarna sogast hún inn og myndar óstöðugan U-236 kjarna. U-236 kjarninn brotnar síðan hratt niður í tvo smærri kjarna (í þessu tilfelli Ba-141 og Kr-92) ásamt nokkrum nifteindum (venjulega tveimur eða þremur) og losar mjög mikið magn af orku.

Meðal myndefna úr kjarnaklofnunarhvarfi Meitner, Hahn og Strassman voru barín, krypton, lantan og serín, sem öll hafa stöðugri kjarna en úran-235. Síðan þá hafa hundruð mismunandi samsæta sést meðal myndefna klofnanlegra efna. Nokkur af þeim mörgu efnahvörfum sem eiga sér stað fyrir U-235, og graf sem sýnir dreifingu klofnunarafurða þess og nýtni þeirra, eru sýnd á Mynd 21.16. Svipuð kjarnaklofnunarhvörf hafa sést með öðrum úransamsætum, sem og með ýmsum öðrum samsætum eins og þeim sem eru af plútóníum.

Mynd 21.16 (a) Kjarnaklofnun U-235 framleiðir ýmsar klofnunarafurðir. (b) Stærri klofnunarafurðir U-235 eru yfirleitt ein samsæta með massatölu í kringum 85–105 og önnur samsæta með massatölu sem er um 50% stærri, þ.e. um 130–150.

Gífurleg orka myndast við kjarnaklofnun þungefna. Til dæmis, þegar eitt mól af U-235 gengst undir kjarnaklofnun, vega myndefnin um 0,2 grömmum minna en hvarfefnin; þessi „týndi“ massi breytist í mjög mikið magn af orku, um 1,8 $\times$ 10¹⁰ kJ á hvert mól af U-235. Kjarnaklofnunarhvörf framleiða ótrúlega mikið magn af orku samanborið við efnahvörf. Kjarnaklofnun á 1 kílógrammi af úrani-235, til dæmis, framleiðir um 2,5 milljón sinnum meiri orku en myndast við bruna á 1 kílógrammi af kolum.

Eins og lýst var áður, þegar U-235 gengst undir kjarnaklofnun, myndar það tvo „meðalstóra“ kjarna og tvær eða þrjár nifteindir. Þessar nifteindir geta síðan valdið kjarnaklofnun annarra úran-235 atóma, sem aftur á móti gefa af sér fleiri nifteindir sem geta valdið kjarnaklofnun enn fleiri kjarna, og svo framvegis. Ef þetta gerist fáum við kjarna-keðjuhvarf (e. chain reaction) (sjá Mynd 21.17). Á hinn bóginn, ef of margar nifteindir sleppa úr efnismassanum án þess að víxlverka við kjarna, þá verður ekkert keðjuhvarf.

Mynd 21.17 Kjarnaklofnun stórs kjarna, eins og U-235, framleiðir tvær eða þrjár nifteindir, sem hver um sig getur valdið kjarnaklofnun annars kjarna með þeim efnahvörfum sem sýnd eru. Ef þetta ferli heldur áfram verður kjarnakeðjuhvarf.

Efni sem getur viðhaldið kjarnaklofnunarkeðjuhvarfi er sagt vera klofnanlegt (e. fissile) eða kleyft (e. fissionable). (Tæknilega séð getur kleyft efni gengist undir kjarnaklofnun með nifteindum af hvaða orku sem er, en klofnanlegt efni krefst háorkunifteinda.) Kjarnaklofnun verður sjálfbær þegar fjöldi nifteinda sem myndast við kjarnaklofnun er jafn eða meiri en fjöldi nifteinda sem frásogast af klofnandi kjörnum auk þeirra sem sleppa út í umhverfið. Það magn klofnanlegs efnis sem styður sjálfbært keðjuhvarf er markmassi (e. critical mass). Magn klofnanlegs efnis sem getur ekki viðhaldið keðjuhvarfi er undirmarkmassi (e. subcritical mass). Magn efnis þar sem hraði kjarnaklofnunar eykst er þekkt sem yfirmarkmassi (e. supercritical mass). Markmassinn fer eftir gerð efnisins: hreinleika þess, hitastigi, lögun sýnisins og hvernig nifteindahvörfunum er stjórnað (Mynd 21.18).

Mynd 21.18 (a) Í undirmarkmassa er kleyfa efnið of lítið og leyfir of mörgum nifteindum að sleppa úr efninu, þannig að keðjuhvarf á sér ekki stað. (b) Í markmassa veldur nógu stór fjöldi nifteinda í kleyfa efninu kjarnaklofnun til að skapa keðjuhvarf.

Kjarnorkusprengja (Mynd 21.19) inniheldur nokkur pund af klofnanlegu efni, $_{{\, 92}}^{235}\text{U}$ eða ${_{{\, 94}}^{239}\text{Pu},}$ , nifteindagjafa og sprengibúnað til að þjappa því hratt saman í lítið rúmmál. Þegar klofnanlegt efni er í litlum bútum er hlutfall nifteinda sem sleppa í gegnum tiltölulega stórt yfirborðsflatarmál mikið og keðjuhvarf á sér ekki stað. Þegar litlu bútarnir af klofnanlegu efni eru færðir hratt saman til að mynda einingu með massa sem er stærri en markmassinn, minnkar hlutfallslegur fjöldi nifteinda sem sleppa út og keðjuhvarf og sprenging verða.

Mynd 21.19 (a) Kjarnaklofnunarsprengjan sem eyðilagði Hiroshima 6. ágúst 1945 samanstóð af tveimur undirmarkmössum af U-235, þar sem hefðbundin sprengiefni voru notuð til að skjóta öðrum undirmarkmassanum inn í hinn og skapa þannig markmassa fyrir kjarnorkusprenginguna. (b) Plútóníumsprengjan sem eyðilagði Nagasaki 9. ágúst 1945 samanstóð af holri kúlu úr plútóníum sem var þjappað hratt saman með hefðbundnum sprengiefnum. Þetta leiddi til styrks plútóníums í miðjunni sem var meiri en sá markmassi sem nauðsynlegur var fyrir kjarnorkusprenginguna.

Kjarnorkueldsneyti

Kjarnorkueldsneyti (e. nuclear fuel) samanstendur af kleyfri samsætu, svo sem úrani-235, sem verður að vera til staðar í nægilegu magni til að tryggja sjálfbært keðjuhvarf. Í Bandaríkjunum innihalda úrangrýti frá 0,05–0,3% af úranoxíðinu U₃O₈; úranið í grýtinu er um 99,3% ókleyft U-238 með aðeins 0,7% kleyfu U-235. Kjarnaofnar krefjast eldsneytis með hærri styrk af U-235 en finnst í náttúrunni; það er venjulega auðgað til að hafa um 5% af úranmassa sem U-235. Við þennan styrk er ekki hægt að ná þeim yfirmarkmassa sem nauðsynlegur er fyrir kjarnorkusprengingu. Hægt er að auðga úran með gasdreifingu (eina aðferðin sem nú er notuð í Bandaríkjunum), með því að nota gasskilvindu eða með leysiaðskilnaði.

Í auðgunarverksmiðju fyrir gasdreifingu þar sem U-235 eldsneyti er útbúið, fer UF₆ (úranhexaflúoríð) gas við lágan þrýsting í gegnum hindranir með götum sem eru rétt nógu stór til að UF₆ komist í gegn. Hinar örlítið léttari ²³⁵UF₆ sameindir sveima örlítið hraðar í gegnum hindrunina en hinar þyngri ²³⁸UF₆ sameindir. Þetta ferli er endurtekið í gegnum hundruð hindrana, sem eykur smám saman styrk ²³⁵UF₆ upp að því stigi sem kjarnaofninn þarfnast. Grundvöllur þessa ferlis, lögmál Grahams, er lýst í kaflanum um gös. Auðgaða UF₆ gasinu er safnað saman, kælt þar til það storknar og síðan flutt í framleiðslustöð þar sem það er gert að eldsneytissamstæðum. Hver eldsneytissamstæða samanstendur af eldsneytisstöngum sem innihalda margar fingurbjargastórar, keramik-hjúpaðar, auðgaðar úran (venjulega UO₂) eldsneytistöflur. Nútíma kjarnaofnar geta innihaldið allt að 10 milljónir eldsneytistaflna. Orkumagnið í hverri þessara taflna jafngildir því sem er í næstum tonni af kolum eða 150 göllonum af olíu.

Hægjuefni kjarnaofna

Nifteindir sem myndast við kjarnahvörf hreyfast of hratt til að valda kjarnaklofnun (sjá aftur í Mynd 21.18). Fyrst þarf að hægja á þeim svo eldsneytið geti gleypt þær og framkallað frekari kjarnahvörf. Hægjuefni kjarnaofns (e. nuclear moderator) er efni sem hægir á nifteindum niður í hraða sem er nógu lágur til að valda kjarnaklofnun. Fyrstu kjarnaofnarnir notuðu háhreint grafít sem hægjuefni. Nútíma kjarnaofnar í Bandaríkjunum nota eingöngu þungt vatn ${({{_{{1}}^{2}\text{H}}}_{2}\text{O})}$ eða létt vatn (venjulegt H₂O), en sumir kjarnaofnar í öðrum löndum nota önnur efni, svo sem koldíoxíð, beryllíum eða grafít.

Kælivökvar kjarnaofna

Kælivökvi kjarnaofns (e. reactor coolant) er notaður til að flytja varmann sem myndast við kjarnaklofnunarhvarfið yfir í ytri suðuketil og hverfil, þar sem honum er breytt í rafmagn. Oft eru notaðar tvær skarast kælivökvalykkjur; þetta vinnur gegn flutningi geislavirkni frá kjarnaofninum yfir í aðalkælivökvalykkjuna. Öll kjarnorkuver í Bandaríkjunum nota vatn sem kælivökva. Aðrir kælivökvar eru meðal annars bráðið natríum, blý, blý-bismút efnablanda eða bráðin sölt.

Stýristangir

Kjarnaofnar nota stýristangir (e. control rods) (Mynd 21.20) til að stjórna klofnunarhraða kjarnaeldsneytisins með því að stilla fjölda hægfara nifteinda sem eru til staðar til að halda hraða keðjuverkunarinnar á öruggu stigi. Stýristangir eru gerðar úr bór, kadmíum, hafníum eða öðrum frumefnum sem geta gleypt nifteindir. Bór-10 gleypir til dæmis nifteindir með efnahvarfi sem myndar litíum-7 og alfaagnir:

_{5}^{10} B +_{0}^{1} n ⟶_{3}^{7} Li +_{2}^{4} He

Þegar stýristangasamstæður eru settar inn í eldsneytiseininguna í kjarnaofnskjarnanum gleypa þær stærri hluta hægfara nifteindanna og hægja þannig á hraða kjarnaklofnunarhvarfsins og minnka aflið sem framleitt er. Aftur á móti, ef stýristangirnar eru fjarlægðar, gleypast færri nifteindir og klofnunarhraði og orkuframleiðsla aukast. Í neyðartilvikum er hægt að stöðva keðjuverkunina með því að setja allar stýristangirnar að fullu inn í kjarnann á milli eldsneytisstanganna.

Mynd 21.20 Kjarnaofnskjarninn sem sýndur er í (a) inniheldur eldsneytis- og stýristangasamstæðuna sem sýnd er í (b). (heimild: breyting á verki eftir E. Generalic, http://glossary.periodni.com/glossary.php?en=control+rod)

Varnarhjúpur og innilokunarkerfi

Meðan á notkun stendur framleiðir kjarnaofn nifteindir og aðra geislun. Jafnvel þegar slökkt er á honum eru niðurbrotsefni geislavirk. Auk þess er starfandi kjarnaofn mjög heitur og hár þrýstingur myndast vegna hringrásar vatns eða annars kælivökva í gegnum hann. Því verður kjarnaofn að þola hátt hitastig og þrýsting og vernda starfsfólk fyrir geislun. Kjarnaofnar eru búnir innilokunarkerfi (e. containment system) (eða varnarhjúp) sem samanstendur af þremur hlutum:

Kjarnaofnshylkið, stálhvolf sem er 3–20 sentímetra þykkt og gleypir, ásamt hægjuefninu, mikið af geisluninni sem kjarnaofninn framleiðir
Aðalvarnarhjúpur úr 1–3 metrum af hárþéttni steinsteypu
Starfsmannavörn úr léttari efnum sem verndar starfsfólk fyrir γ-geislum og röntgengeislum

Auk þess eru kjarnaofnar oft þaktir stál- eða steinsteypuhvelfingu sem er hönnuð til að inniloka öll geislavirk efni sem gætu losnað við slys í kjarnaofni.

Kjarnorkuver eru hönnuð þannig að þau geta ekki myndað yfirkritískan massa af klofnanlegu efni og geta því ekki valdið kjarnorkusprengingu. En eins og sagan hefur sýnt geta bilanir í kerfum og öryggisráðstöfunum valdið skelfilegum slysum, þar á meðal efnafræðilegum sprengingum og kjarnabræðslum (skemmdum á kjarnaofnskjarnanum vegna ofhitnunar). Eftirfarandi grein um efnafræði í daglegu lífi kannar þrjú alræmd bræðsluslys.

Efnafræði í daglegu lífi

Kjarnorkuslys

Mikilvægi kælingar og innilokunar er rækilega sýnt fram á með þremur stórum slysum sem urðu í kjarnaofnum í kjarnorkuverum í Bandaríkjunum (Three Mile Island), fyrrum Sovétríkjunum (Tsjernobyl) og Japan (Fukushima).

Í mars 1979 bilaði kælikerfi kjarnakljúfs 2 í Þriggja mílna eyju kjarnorkuverinu í Pennsylvaníu og kælivatnið lak úr kljúfnum niður á gólf varnarbyggingarinnar. Eftir að dælurnar stöðvuðust ofhitnuðu kjarnakljúfarnir vegna mikils hita frá geislavirkri hrörnun sem myndast fyrstu dagana eftir að kjarnakljúfur er stöðvaður. Hitastig kjarnans náði að minnsta kosti 2200 °C og efri hluti kjarnans byrjaði að bráðna. Auk þess byrjaði sirkonblendihlífin á eldsneytisstöngunum að hvarfast við gufu og mynda vetni:

Zr (s) + {2H}_{2} O (g) ⟶ {ZrO}_{2} (s) + {2H}_{2} (g)

Vetnið safnaðist fyrir í varnarbyggingunni og óttast var að hætta væri á sprengingu í blöndu vetnis og lofts í byggingunni. Þar af leiðandi var vetnisgasi og geislavirkum gösum (aðallega krypton og xenon) hleypt út úr byggingunni. Innan viku var kælivatnsflæði komið á aftur og kjarninn byrjaði að kólna. Verksmiðjan var lokuð í næstum 10 ár á meðan hreinsunarferlið stóð yfir.

Þrátt fyrir að æskilegt sé að engu geislavirku efni sé sleppt er losun geislavirks kryptons og xenons, eins og gerðist í Þriggja mílna eyju verinu, meðal þess sem er þolanlegast. Þessi gös dreifast auðveldlega í andrúmsloftinu og mynda því ekki svæði með mikilli geislavirkni. Þar að auki eru þetta eðallofttegundir og eru ekki teknar upp í plöntu- og dýralíf í fæðukeðjunni. Nánast ekkert af þungu frumefnunum úr kjarna kljúfsins slapp út í umhverfið og engin hreinsun var nauðsynleg á svæðinu utan varnarbyggingarinnar (Mynd 21.21).

Mynd 21.21 (a) Á þessari mynd frá 2010 af Þriggja mílna eyju sjást mannvirkin sem eftir eru af skemmda kjarnakljúf 2 til vinstri, en aðskilinn kjarnakljúfur 1, sem varð ekki fyrir áhrifum af slysinu, heldur áfram að framleiða orku enn þann dag í dag (hægri). (b) Jimmy Carter forseti heimsótti stjórnherbergi kjarnakljúfs 2 nokkrum dögum eftir slysið árið 1979.

Annað stórt kjarnorkuslys sem varðaði kjarnakljúf átti sér stað í apríl 1986 í Tsjernobyl-kjarnorkuverinu í Úkraínu, sem þá var enn hluti af fyrrverandi Sovétríkjunum. Á meðan unnið var á lágum afköstum í óleyfilegri tilraun með suma öryggisbúnaðinn úr sambandi, varð einn af kjarnakljúfum versins óstöðugur. Keðjuverkun hans varð stjórnlaus og jókst upp í stig langt umfram það sem kljúfurinn var hannaður fyrir. Gufuþrýstingurinn í kljúfnum hækkaði í 100 til 500 sinnum meiri en fullur afkastaþrýstingur og sprengdi kljúfinn. Þar sem kljúfurinn var ekki lokaður inni í varnarbyggingu spýttist mikið magn geislavirks efnis út og viðbótar klofnunarafurðir losnuðu þegar grafít (kolefnis) hægjan í kjarnanum kviknaði og brann. Eldurinn var slökktur, en yfir 200 starfsmenn verksmiðjunnar og slökkviliðsmenn fengu bráða geislaveiki og að minnsta kosti 32 létust fljótlega af völdum geislunarinnar. Spáð er að um 4000 fleiri dauðsföll muni eiga sér stað meðal neyðarstarfsmanna og fyrrverandi íbúa Tsjernobyl vegna krabbameins og hvítblæðis af völdum geislunar. Kljúfurinn hefur síðan verið hjúpaður stáli og steinsteypu, mannvirki sem nú er að grotna niður og er þekkt sem sarkófaginn. Næstum 30 árum síðar eru enn veruleg geislavandamál á svæðinu og Tsjernobyl er að mestu leyti auðn.

Árið 2011 skemmdist Fukushima Daiichi kjarnorkuverið í Japan mikið í 9,0 stiga jarðskjálfta og flóðbylgju sem fylgdi í kjölfarið. Þrír kjarnakljúfar sem voru í gangi á þeim tíma voru sjálfkrafa stöðvaðir og neyðarrafalar fóru í gang til að knýja rafeindabúnað og kælikerfi. Hins vegar flæddi flóðbylgjan fljótt yfir neyðarrafalana og sló út rafmagnið til dælanna sem dældu kælivatni um kjarnakljúfana. Háhitagufa í kjarnakljúfunum hvarfaðist við sirkonblöndu og myndaði vetnisgas. Gasið slapp út í varnarbygginguna og blanda vetnis og lofts sprakk. Geislavirkt efni losnaði úr varnarhylkjunum vegna vísvitandi loftunar til að minnka vetnisþrýsting, vísvitandi losunar kælivatns í sjóinn og vegna tilviljunarkenndra eða stjórnlausra atburða.

Rýmingarsvæði í kringum skemmda verið náði yfir 12,4 mílur og talið er að 200.000 manns hafi verið fluttir af svæðinu. Öllum 48 kjarnorkuverum Japans var í kjölfarið lokað og voru þau enn lokuð í desember 2014. Frá hamförunum hefur almenningsálitið breyst úr því að vera að mestu leyti fylgjandi í að vera að mestu leyti andvígt aukinni notkun kjarnorkuvera og endurræsing kjarnorkuáætlunar Japans er enn í biðstöðu (Mynd 21.22).

Mynd 21.22 (a) Eftir slysið þurfti að fjarlægja mengaðan úrgang og (b) rýmingarsvæði var sett upp í kringum verið á svæðum sem fengu stóra skammta af geislavirku niðurfalli. (mynd a: breyting á verki eftir „Live Action Hero“/Flickr)

Orkan sem framleidd er af kjarnakljúf sem knúinn er með auðguðu úrani stafar af klofnun úrans sem og af klofnun plútons sem myndast við rekstur kljúfsins. Eins og áður hefur verið rætt myndast plúton úr samruna nifteinda og úrans í eldsneytinu. Í hvaða kjarnakljúf sem er breytist aðeins um 0,1% af massa eldsneytisins í orku. Hin 99,9% eru eftir í eldsneytisstöngunum sem klofnunarafurðir og ónotað eldsneyti. Allar klofnunarafurðir gleypa nifteindir og eftir nokkra mánuði til nokkur ár, allt eftir kljúfnum, verður að fjarlægja klofnunarafurðirnar með því að skipta um eldsneytisstangir. Annars myndi styrkur þessara klofnunarafurða aukast og gleypa fleiri nifteindir þar til kljúfurinn gæti ekki lengur starfað.

Notaðar eldsneytisstangir innihalda ýmsar afurðir, sem samanstanda af óstöðugum kjörnum með sætistölur frá 25 til 60, nokkur transúranísk frumefni, þar á meðal plúton og ameríkín, og óhvarfaðar úran samsætur. Óstöðugu kjarnarnir og transúranísku samsæturnar gefa notuðu eldsneyti hættulega mikla geislavirkni. Langlífu samsæturnar þurfa þúsundir ára til að hrörna niður á öruggt stig. Endanleg örlög kjarnakljúfsins sem mikilvægs orkugjafa í Bandaríkjunum hvíla líklega á því hvort hægt sé að þróa pólitískt og vísindalega fullnægjandi tækni til að vinna úr og geyma íhluti notaðra eldsneytisstanga.

Kjarnasamruni og samrunakljúfar

Ferlið þar sem mjög léttum kjörnum er breytt í þyngri kjarna fylgir einnig umbreyting massa í mikið magn orku, ferli sem kallast samruni (e. fusion). Helsti orkugjafi sólarinnar er samrunahvarf þar sem fjórir vetniskjarnar renna saman og mynda einn helíumkjarna og tvær jáeindir. Þetta er nettóhvarf flóknari atburðarásar:

4_{1}^{1} H ⟶_{2}^{4} He + 2_{+1}^{0} e^{+}

Helíumkjarni hefur massa sem er 0,7% minni en massi fjögurra vetniskjarna; þessum tapaða massa er breytt í orku við samrunann. Þetta hvarf framleiðir um 3,6 $\times$ 10¹¹ kJ af orku á hvert mól af $_{{2}}^{4}\text{He}$ sem myndast. Þetta er nokkuð meira en orkan sem myndast við kjarnaklofnun á einu móli af U-235 (1,8 $\times$ 10¹⁰ kJ), og yfir 3 milljón sinnum meira en orkan sem myndast við (efnafræðilegan) bruna á einu móli af oktani (5471 kJ).

Það hefur verið ákvarðað að kjarnar þungra samsæta vetnis, tvívetniskjarni, $_{{1}}^{2}\text{H}$ og þrívetniskjarni, ${_{{1}}^{3}\text{H},}$ gangist undir samruna við gríðarlega hátt hitastig (varmakjarnasamruni). Þeir mynda helíumkjarna og nifteind:

_{1}^{2} H +_{1}^{3} H ⟶_{2}^{4} He +_{0}^{1} n

Þessi breyting á sér stað með massatapi upp á 0,0188 amu, sem samsvarar losun 1,69 $\times$ 10⁹ kílójúla á hvert mól af $_{{2}}^{4}\text{He}$ sem myndast. Mjög hátt hitastig er nauðsynlegt til að gefa kjörnunum næga hreyfiorku til að yfirstíga mjög sterka fráhrindikrafta sem stafa af jákvæðum hleðslum á kjörnum þeirra svo þeir geti rekist saman.

Nothæf samrunahvörf krefjast mjög hás hitastigs til að komast af stað — um 15.000.000 K eða meira. Við þetta hitastig sundrast allar sameindir í atóm og atómin jónast og mynda plasma. Þessar aðstæður eiga sér stað á gríðarlega mörgum stöðum um allan alheiminn — stjörnur eru knúnar áfram af samruna. Menn hafa þegar fundið út hvernig á að skapa nógu hátt hitastig til að ná fram samruna í stórum stíl í varmakjarnavopnum. Varmakjarnavopn eins og vetnissprengja inniheldur kjarnaklofnunarsprengju sem, þegar hún springur, gefur frá sér næga orku til að framkalla það gríðarlega háa hitastig sem er nauðsynlegt til að samruni geti átt sér stað.

Önnur mun hagkvæmari leið til að skapa samrunahvörf er í samrunakljúfi (e. fusion reactor), kjarnakljúfi þar sem samrunahvörfum léttra kjarna er stjórnað. Vegna þess að engin föst efni eru stöðug við svo hátt hitastig geta vélræn tæki ekki haldið plasma þar sem samrunahvörf eiga sér stað. Tvær aðferðir til að halda plasma við þann þéttleika og hitastig sem nauðsynlegt er fyrir samrunahvarf eru nú í brennidepli mikilla rannsókna: innilokun með segulsviði og með notkun fókusaðra leysigeisla (Mynd 21.23). Fjöldi stórra verkefna vinnur að því að ná einu stærsta markmiði vísindanna: að fá vetniseldsneyti til að kvikna og framleiða meiri orku en það magn sem lagt er í að ná því gríðarlega háa hitastigi og þrýstingi sem krafist er fyrir samruna. Þegar þetta er skrifað eru engir sjálfbærir samrunakljúfar í notkun í heiminum, þótt smærri stýrð samrunahvörf hafi verið keyrð í mjög stuttan tíma.

Námsmarkmið