Kärnenergi Kärnkraft
Isotoper Alla grundämnen finns i olika varianter som kallas för isotoper. Ofta finns en variant som är absolut vanligast. Isotoper av ett ämne har samma antal protoner och elektroner, men olika antal neutroner Isotoper av ett ämne har samma kemiska egenskaper, men vissa egenskaper kan avvika något. Kemiskt är tungt vatten (innehåller 2 H tungt väte) i stort sett ekvivalent med vanligt vatten, men den något tyngre molekylen gör att reaktionshastigheten ändras.
1 H 2 H 3 H 1 H vanligt väte 1 proton 0 neutroner Vanligaste väteisotopen (99,985 %) Stabilt (inte radioaktivt) 2 H tungt väte, deuterium 1 proton 1 neutron Ovanlig väteisotop (0,0145 %) Stabil (inte radioaktiv) Istället för 2 H kan man även skriva D för deuterium 3 H supertungt väte, tritium, 3 kärnpartiklar (1 + 2 = 3) 1 proton 2 neutroner Mycket ovanlig väteisotop (10-15 %) Instabil (radioaktiv) Istället för 3H kan man även skriva T för tritium
Radioaktiva isotoper Vissa isotoper kan vara radioaktiva, man säger då att ämnet strålar Kol är stabilt med 6 ( 12 C)eller 7 ( 13 C) neutroner men inte med 8 ( 14 C) Ytterbium är stabilt med 98 neutroner (168Yb) men inte med 96 ( 166 Yb) eller 99 ( 169 Yb). Om det finns för många eller för få neutroner i förhållande till antalet protoner är atomkärnan ofta inte stabil
Strålning Är atomkärnan instabil, faller den sönder. Ämnet strålar, d.v.s. partiklar (protoner, neutroner, elektroner etc.) kastas ut ur kärnan i hög fart Vid radioaktiva sönderfall kan antalet protoner ändras, det betyder att ett grundämne omvandlas till ett annat grundämne
Fission- klyvning av atomkärnor En tung atomkärna klyvs i två lättare Energi frigörs Spontan fission kallas en fission som sker på grund av krafter som verkar inuti en atomkärna Chansen för spontan fission för 235U är 2 10 9 % 6
Alfastrålning α-strålning Partiklar bestående av två protoner och två neutroner slängs ut ur kärnan med hög fart. Betecknas även som He 2+ (samma som kärnan i en heliumatom) I α-sönderfallet minskar atomnumret med två: 238 U med 92 protoner omvandlas till 234 Th med 90 protoner.
α-strålning Alfastrålning kan stoppas av ett papper, huden eller av några centimeter luft. Alfastrålning kan påverka celler och till exempel orsaka cancer, men risken är stor bara om α- sönderfallet sker inne i kroppen. Sovjetiska KGB sägs ha använt sig av alfastrålning för så kallade tysta mord. Man behöver bara blanda lite material som sänder ut α-strålning i maten. Några dagar senare är offret död.
Betastrålning (β-strålning) Vid β-sönderfall skickar atomkärnan ut en elektron. Betapartiklar är mycket mindre än alfapartiklar och har högre fart. De kan gå ett tiotal meter genom luften och några cm in i kroppen. I stora mängder kan den orsaka cancer eller vara dödande Kan skärmas av med plåt eller glasrutor.
Gammastrålning Gammastrålning (γ-strålning) är energirik, kortvågig elektromagnetiskt strålning. Den uppstår t.ex. i samband med α- och β-strålning.
Gammastrålning Gammastrålning innehåller så mycket energi att den kan jonisera- slå undan elektroner från atomerna i levande vävnad. Den förändrar molekyler, särskilt DNA, vilket kan orsaka cancer. Gammastrålning kan gå rakt genom kroppen eller kraftiga metallplattor. Det bästa skyddet är en tjock blyplåt.
Gammastrålning används för sterilisering av medicinska instrument genom att den dödar bakterier används till att behandla olika typer av cancer. I en procedur som kallas gammaknivskirurgi, riktas flera gammastrålar mot tumören i syfte att döda cancercellerna. Strålarna skickas iväg ur olika vinklar för att fokusera på tumören. 12
Fission i kraftverk 235 U + 1 neutron 236 U 92 Kr + 141 Ba + 3 neutroner + 200 Mev energi + γ- strålning En atomkärna av plutonium eller uran bombarderas med neutroner. Det gör att kärnan delar sig i två delar. Klyvningsprodukterna från fissionen blir här krypton och barium, två ämnen som är starkt radioaktiva. Det frigörs stora mängder energi samt gammastrålning. I processen frigörs neutroner som i sin tur kan klyva fler atomkärnor och därigenom sätta igång en kedjereaktion. 13
Reaktornbyggnad 14
Verkningsgrad Verkningsgraden säger hur stor andel av tillförd energi som vi har användning för. T ex. Vi har en bilmotor som förbrukar bensin, motorn har en viss verkningsgrad. En motor med verkningsgrad 1 skulle betyda att motorn producerar absolut ingen annan energi än rörelseenergi, alltså motorn skulle inte ens bli varm. Verkningsgrad: vindkraft: ca 35 % vattenkraft- 75 % kärnkraft- 35 % 15
Fördelar med kärnkraft Inga utsläpp av gaser från driften.kärnkraft bidrar alltså inte till växthuseffekten och klimatpåverkan. Effektiv. Ett gram radium innehåller mer energi än 100 ton kol. Billig i drift. Kostnader för bränsle, underhåll och drift är lägre i jämförelse med andra energislag. 16
Nackdelar med kärnkraft Olycksrisken Hälsorisk för arbetare i urangruvorna Farligt avfall. Restprodukterna från fission är mer radioaktiva än bränslet var från början Höga kostnader om något händer. De stora olyckor (Fukushima 2011, Tjernobyl 1986) som skett medförde extremt höga kostnader 17
Hur många kärnkraftverk finns det? I världen som helhet kommer cirka 14 % av elen från kärnkraft 440 reaktorer i ett 30-tal länder i världen Tre kärnkraftverk i Sverige producerar el - Forsmark, Ringhals och Oskarshamn. Frankrike är världsledare på kärnkraft, som står för 76 procent av landets totala energiproduktion. Sverige är femma med 42 procent. (Baker, Fysik. Vad som är värt att veta. s. 137) 18
Halveringstid I ett gram uran finns det 253 000 trillioner (253* 10 23 ) atomer. Alla är instabila och kan sönderfalla. Men de sönderfaller inte på en gång. Man kan räkna ut hur lång tid det tar tills hälften av dem har sönderfallit. Den tiden kallas för halveringstid.
Halveringstid Uran-238, 4,5 miljarder år Kol-14, 5 730 år Plutonium-239, 24 000 år Cesium, 30 år Radon, 3,8 dygn